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技術(shù)文章

低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器原理及規(guī)格
DQZHAN技術(shù)訊：低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器原理及規(guī)格
概述無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器是低壓配電系統(tǒng)補(bǔ)償無功功率的專用控制器，可以與多種等級(jí)電壓在400V以下型號(hào)的靜電容屏配套使用。產(chǎn)品具備RS485通訊接口，其所采樣得到的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、有功諧波百分量、功率因數(shù)、溫度可通過通訊接口傳送到其它外部設(shè)備。
2技術(shù)背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)中使用的感性負(fù)載也愈來愈多，如感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、變壓器等。這些設(shè)備在工作時(shí)不但要消耗有功功率，同時(shí)需要電網(wǎng)向其提供相應(yīng)的無功功率，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低，而且電力中用的一些大功率變流、變頻等電力電子裝置大多數(shù)功率因素較低，從而造成：
1、 增加發(fā)電機(jī)損耗；
2、 影響電網(wǎng)系統(tǒng)電壓；
3、影響電網(wǎng)的無功潮流分布；
4、增加電力傳輸過程中的功率損耗；
在此情況下，開發(fā)一種低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因素，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，合理的投停無功補(bǔ)償設(shè)備，對(duì)調(diào)整電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量，抑制諧波干擾，保證電網(wǎng)**運(yùn)行都有著十分重要的作用。
3產(chǎn)品工作原理低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器采樣三相電源中一線電流（如A線）與另外兩線的電壓（如BC線）之間的相位差，通過一定的運(yùn)算，得到當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率因數(shù)。此功率因數(shù)與設(shè)定的投入門限和切除門限比較，在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內(nèi)，若在投切門限以內(nèi)，則不予動(dòng)作；若小于投入門限，則另投入一組電容器；若大于切除門限或發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為負(fù)時(shí)，則切除一組已投入的電容器。再經(jīng)過投切延時(shí)時(shí)間，重復(fù)比較與投切，直到當(dāng)前的功率因數(shù)達(dá)到投切門限以內(nèi)。在投切過程中，若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電壓大于設(shè)定的過壓保護(hù)門限，則按組切除所有已投入的電容；當(dāng)檢測(cè)到的電壓超過設(shè)定的過壓保護(hù)門限的10%時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護(hù)電容器。在投切時(shí)若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電流小于欠電流封鎖門限，則停止投切動(dòng)作，避免系統(tǒng)出現(xiàn)循環(huán)投切現(xiàn)象。
由于在三相供電中有不同接線方法，不同的接線方法對(duì)功率因數(shù)的算法也不一樣，因此我們規(guī)定ARC系列功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的電流取自三相供電中的A線，電壓取自BC間的線電壓，同時(shí)為減少現(xiàn)場(chǎng)接線的復(fù)雜度，我們?cè)诔绦蛑袑?duì)相位進(jìn)行自動(dòng)判別。在三相供電中，我們假設(shè)三相的相電壓分別為Ua、Ub、Uc，A線電流為Ia則有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120°)，Uc=Usin(ωt+240°)，從而得到BC間的線電壓為Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90°)
若A線負(fù)載為純阻性，則A線電流Ia與A線電壓Ua同相，Ia超前Ubc的角度為90°；
若A線負(fù)載為感性，則A線電流Ia滯后A線電壓Ua角度為φ（0°≤φ≤90°），Ia超前Ubc的角度為90°-φ；
若A線負(fù)載為容性，則A線電流Ia超前A線電壓Ua角度為φ（0°≤φ≤90°），Ia超前Ubc的角度為90°+φ
在我們的功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀中，為了計(jì)算的方便，我們電流相位的采樣為電壓采樣的**個(gè)周期，即若沒有相位差I(lǐng)a滯后Ua的角度為360°。在實(shí)際檢測(cè)中，假設(shè)我們檢測(cè)到Ia滯后Ubc的角度為α，根據(jù)以上的分析得知：
若180°<α<270°電路為容性負(fù)載，COSφ=COS(270°-α)
若α=270°，則電路為純阻性負(fù)載，COSφ=1
若270°<α<360°，則電路為感性負(fù)載COSφ=COS(α-270°)
為方便用戶接線，若用戶將電壓Ubc接成了Ucb，或?qū)a的輸入接反，根據(jù)以上的推斷，我們同樣可得到：
若0°<α<90°，則電路為容性負(fù)載，COSφ=COS(90°-α)
若α=90°，則電路為純阻性負(fù)載，COSφ=1
若90°<α<180°，則電路為感性負(fù)載COSφ=COS(α-90°)
4產(chǎn)品功能產(chǎn)品符合JB/T9663－1999國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制精度高等特點(diǎn)。
●可相序自動(dòng)識(shí)別
●電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示
●過壓解除、欠流封鎖，從而保護(hù)電容器及避免循環(huán)投切
●采用先投入的先切除，先切除的先投入的原則，對(duì)補(bǔ)償電容實(shí)行循環(huán)投切
●所有的工作參數(shù)都可以通過面板按鍵設(shè)定，包括投入門限、切除門限、過壓保護(hù)門限、欠電流封鎖門限、 投切延時(shí)時(shí)間
5產(chǎn)品適用環(huán)境●海拔高度不超過2500米
●周圍環(huán)境溫度為-25℃~60℃，24小時(shí)的平均溫度不高于40℃
●空氣的相對(duì)濕度在25℃時(shí)不大于85%，不結(jié)露
●周圍環(huán)境無腐蝕性氣體，無導(dǎo)電塵埃，無易燃易爆介質(zhì)存在
●工作的電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度不得大于±20%
●安裝地點(diǎn)無劇烈震動(dòng)、無雨雪直接侵蝕
6技術(shù)規(guī)格參數(shù)輸入信號(hào)
a.輸入電壓額定值：線電壓Ubc=380VAC或相電壓Ua=220VAC；
過負(fù)荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；2倍額定值/30秒； 測(cè)量形式：真有效值（True-RMS）；負(fù)荷：小于0.2VAb.輸入電流
額定值：A線電流AC5A；
過負(fù)荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；10倍/5秒；
測(cè)量形式：真有效值（True-RMS）；
輸入頻率范圍
45~65Hz
測(cè)量精度
電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)：0.5級(jí)；
無功功率、諧波百分量：1級(jí)；
頻率：0.01Hz；
溫度漂移系數(shù)：100PPM/℃（0-50℃）
通訊
RS485接口（A、B及公共端）
波特率：2400bps ~19200bps均可設(shè)定
MODBUS-RTU 協(xié)議
**性
設(shè)備耐壓，絕緣強(qiáng)度：電源、電壓輸入回路>2KVAC；
電流回路>2.5KVAC；
輸入、輸出端對(duì)機(jī)殼>100兆歐。
電源
220VAC±20%或者380VAC±20%
功耗：≤2W，（靜態(tài)）
7產(chǎn)品選型（以ARC產(chǎn)品為例）
型號(hào)
性能 ARC-□/J(R) ARC-□/J(R)-K ARC-□/J(R)-T ARC-□/J(R)-KT
工作電源 交流220V或交流380V
輸出控制路數(shù) 6、8、10、12路可選
輸出類型 J表示繼電器輸出，R表示晶體管輸出
通訊接口 RS485，MODBUS-RTU/Profibus-DP
電壓采樣 A相電壓或BC線電壓，輸入電壓范圍交流0-450V
電流采樣 A線電流，輸入電流范圍交流0-5A
開關(guān)量輸入 無 12路外部無源接點(diǎn) 無 12路外部無源接點(diǎn)
溫度采樣與控制 無 無 PT100采樣與繼電器控制輸出 PT100采樣與繼電器控制輸出
報(bào)警輸出 無 1路繼電器輸出 無 1路繼電器輸出

注：控制方式，“J”表示輸出為繼電器，“R”表示輸出為晶體管
輔助功能， “T”柜體溫度檢測(cè)功能，“K”開關(guān)量輸入與報(bào)警輸出
8產(chǎn)品使用注意事項(xiàng)電壓輸入
雖然控制器具備自動(dòng)相序判斷功能，但還要盡量確保輸入電壓與輸入電流相對(duì)應(yīng)，即相號(hào)和相序一致。電壓信號(hào)可取自BC線電壓或A相電壓，但接線方式要做對(duì)應(yīng)的修改。
電流輸入
電流取自A線電流，標(biāo)準(zhǔn)額定輸入電流為5A，大于5A的情況應(yīng)使用外部CT；
雖然控制器具備自動(dòng)相序判斷功能，但還要盡量確保輸入電壓與輸入電流相對(duì)應(yīng)，即相號(hào)和相序一致。
如果使用的CT上連有其它儀表，接線應(yīng)采用串接方式；
去除產(chǎn)品的電流輸入連線之前，一定要先斷開CT一次回路或者短接二次回路！
CT接入
建議使用接線排，不要直接接CT，以便于拆裝。
通訊接線
網(wǎng)絡(luò)電力儀表提供異步半雙工RS485通訊接口，采用MODBUS-RTU協(xié)議，各種數(shù)據(jù)訊息均可在通訊線路上傳送。在一條線路上可以同時(shí)連接多達(dá)128個(gè)網(wǎng)絡(luò)電力儀表，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)電力儀表均可設(shè)定其通訊地址（Addr）。
通訊連接建議使用屏蔽雙絞線，線徑不小于0.5mm。公共端可不用；若將公共端連接接地，必須采用單端單點(diǎn)接地方式，在末端儀表的AB兩端應(yīng)加120Ω～1kΩ的終端匹配電阻。布線時(shí)應(yīng)使通訊線遠(yuǎn)離強(qiáng)電電纜或其他強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境。
控制器內(nèi)部的RS485接口未和開關(guān)量輸入與溫度接口隔離，為保護(hù)通訊接口與控制器的**，開關(guān)量輸入接口與溫度接口必需與外部其它有源設(shè)備絕緣。
主開關(guān)量輸出
主開關(guān)量輸出用以控制補(bǔ)償電容的投切。根據(jù)用戶的訂貨需求有6、8、10、12路之分。電容的投切控制有順序投切、先投先切、手動(dòng)投切、通訊投切。“順序投切”適應(yīng)于每組補(bǔ)償電容的大小不同，但用戶需將每一組補(bǔ)償電容按大到小的分組原則接線，即電容容量*大的接K1端，*小的接到*后的原則；“先投先切”適應(yīng)于每組補(bǔ)償電容的大小一樣，此時(shí)可用先投先切的方法均衡每組電容的工作時(shí)間；“手動(dòng)投切”主要用于調(diào)試階段，可測(cè)試接線與補(bǔ)償效果，在測(cè)量顯示方式下，可用左右鍵來控制電容的切除與投入。“通訊投切”用于遠(yuǎn)程遙控，此時(shí)控制器放棄控制功能而由其它設(shè)備通過通訊寫控制器的相關(guān)內(nèi)容來進(jìn)行電容的投切，但保護(hù)功能依然有效。
開關(guān)量的輸入
（需另行配置）
開關(guān)量輸入外部應(yīng)采用無源接口，控制器內(nèi)部自帶電壓（DC12V）偏置。開關(guān)量輸入可作為主開關(guān)量輸出的反饋輸入信號(hào)，請(qǐng)按主開關(guān)量輸出的接線對(duì)應(yīng)接到外部中間繼電器的輔助觸點(diǎn)上。當(dāng)與對(duì)應(yīng)的主輸出節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不同時(shí)（如主輸出已閉合，而對(duì)應(yīng)的開關(guān)量輸入節(jié)點(diǎn)未導(dǎo)通），對(duì)應(yīng)的投切指示燈將閃動(dòng)，同時(shí)報(bào)警輸出節(jié)點(diǎn)閉合。
溫度控制接口
（需另行配置）
控制器內(nèi)部自帶轉(zhuǎn)換電路，外部只需連接一只PT100溫度探頭，一般PT100有三根出線，請(qǐng)將其中兩根同種顏色的電線并聯(lián)，接線不分正反。溫度控制輸出可控制電容柜的風(fēng)機(jī)，用以對(duì)電容進(jìn)行通風(fēng)降溫。
溫度控制在設(shè)定溫度的上下10%進(jìn)行，如設(shè)定溫度為50℃，則控制器將在55℃時(shí)閉合溫度控制輸出節(jié)點(diǎn)，一直到溫度降為45℃時(shí)斷開溫度節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)?jiān)O(shè)定合適的溫度控制點(diǎn)，以延長(zhǎng)補(bǔ)償電容與通風(fēng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。
在接入溫度探頭（PT100）前，請(qǐng)確定溫度探頭的出線與金屬外殼間應(yīng)絕緣良好，否則有可能造成通訊接口的損壞或短路事故。
報(bào)警輸出節(jié)點(diǎn)
（需另行配置）
當(dāng)開關(guān)量輸出與反饋信號(hào)不一致、輸入的檢測(cè)電壓信號(hào)大于保護(hù)值及在采用單相接線的情況下諧波超過過諧保護(hù)值時(shí)，報(bào)警輸出節(jié)點(diǎn)（DO14與COM4）閉合。輸出接點(diǎn)的外串電壓不得大于250VAC（或DC30V)，電流不得大于2A。
9產(chǎn)品應(yīng)用案例例1：某供電企業(yè)給某淀粉廠加裝470 kvar低壓自動(dòng)補(bǔ)償電容柜，設(shè)定補(bǔ)償限值cosj為0.95，小于限值則自動(dòng)順序投入電容器組。如功率因數(shù)超前，向線路反送無功功率，則開始順序切除電容器，使功率因數(shù)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域保持動(dòng)態(tài)平衡。試機(jī)時(shí)一次電流1050 A，cosj = 0.7，裝置自動(dòng)投入400 kvar后，功率因數(shù)達(dá)到1，一次電流變?yōu)?50 A，電流是補(bǔ)償前的電流的70%，即減少線路電流30%左右。
例2：某供電企業(yè)給某造紙廠加裝500 kvar低壓自動(dòng)補(bǔ)償柜，補(bǔ)償前功率因數(shù)小于0.75，線路電流1300 A，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0.96后一次電流是1000 A，直觀減少線路電流25%左右。
根據(jù)電路原理，線路的損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，線路電流大則損耗大，線路電流減小則線損減少，例1中，補(bǔ)償前電流為I，補(bǔ)償后電流大約為0.7×I，根據(jù)DP = 3IR，所以補(bǔ)償后的線路損耗為補(bǔ)償前線路損耗值的49 %，線路損耗降低了大約51%左右。 例2中線路補(bǔ)償后電流大約是補(bǔ)償前電流的0.77，所以補(bǔ)償后的線路損耗大概是補(bǔ)償前線路損耗的59%。
推算出補(bǔ)償前后功率因數(shù)的變化與線路損耗變化的關(guān)系： 功率因數(shù)提高，降低線損效果明顯。
用戶低壓端無功補(bǔ)償裝置一般按照用戶無功負(fù)荷的變化自動(dòng)投切補(bǔ)償電容器，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制的目的，可以做到不向高壓線路反送無功電能。在配電網(wǎng)中，若各用戶低壓側(cè)配置了足夠的無功補(bǔ)償裝置，則可使配電線路中的無功電流*小，也使配電線路的有功功率損耗*小，這是*理想的效果。另外，線路中的無功電流小，也使線路壓降減少，電壓波動(dòng)減少。
由此得出，配電網(wǎng)中的用戶端實(shí)現(xiàn)無功就地補(bǔ)償是合理的無功補(bǔ)償方式，大力推廣應(yīng)用自動(dòng)控制裝置提高線路功率因數(shù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)的管[1-2]理，這是理想的節(jié)能降損辦法。否則，即使在線路關(guān)口處的功率因數(shù)很高，也不能有效地降低線路的有功功率損耗。

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