1、低压补偿电容器柜控制电路解读毕业设计（论文）题 目 低压补偿电容器柜控制电路（手动+自动方案）专 业 摘要 IAbstract n前言 川第1章无功补偿的概念 11.1无功补偿的原理 11.2无功补偿的作用 21.3无功补偿补偿的方式 31.4功率因数指标 4第2章电容器无功补偿的原理 52.1电容器无功补偿的原理 52.2补偿容量的计算 52.3电容器无功补偿装置的选择应注意的问题 62.3.1控制器的选型 62.3.2电容器投切开关的选型 72.3.3电容器的选型 8第3章 低压补偿电容器柜控制电路的设计 103.1问题提出 103.2方案分析 113.3低压无功补偿装置的原理 123.4
2、无功补偿装置的主要元件 123.4.1控制器 123.4.2交流接触器 133.4.3电容器 133.5控制策略 143.6装置原理接线图 143.7无功补偿装置的运行维护 153.7.1电容器组的巡视检查 163.7.2运行注意事项 163.7.3常见故障及处理 16结论 18致谢 19参考文献 20 附图：A-001,B-001电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，造成系统中大量 无功负荷的存在，加上冲击性负荷的影响，使得电能传送过程出现较明显的功率损耗 和电压损耗，这会对用户端的电能质量造成严重的影响，于是实时快速的无功补偿技 术成为解决这个问题的关键。在电网中安装并联
3、电容器等无功补偿设备以后，可以补偿感性负载所消耗的无功 功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功 率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，无 功补偿是保持电力系统无功功率平衡、降低损耗、提高供电质量的一种重要手段。无 功功率补偿装置是电力供电系统中不可缺少的、非常重要的组成部分。合理的选择补 偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，提高电网的供电质量。本设计选用了 WZK-A型无功功率自动补偿器进行无功功率的补偿， 可使功率因数提高，减小主变压器 的容量及补偿点以前供电系统中各原件上的功率损耗。关键词：低压电容补偿器，补偿容量
4、，功率因数，无功功率AbstractIn the grid power load such as electric motors, transformers, most belong to the perceptual load, result ing in a large nu mber of idle work load in the system, coupled with the impact load, the power loss and voltage loss is appeared in the tran sfer process, the customer power ca
5、used serious in flue nee quality, so the real-time compe nsati on of wattless power tech no logy has become the key to solve this problem.In the power of installation parallel capacitor and reactive compensation equipment after, can provide the perceptual load con sumpti on in the reactive power, re
6、duce the power grid to perceptual load by lines of conveying provide, reactive power, because the reduct ion in the grid power in reactive power flow, so can reduce the lines and transformer for con vey ing reactive power caused by electric power, this is the reactive power compe nsati on. The react
7、ive power compe nsati on is to keep the store system reactive power bala nee, reduce loss to the quality of power supply, one important method. Reactive power compensation device is electric power supply system of in dispe nsable, very importa nt part. The choice of reas on able compe nsatio n devic
8、e, can do mi ni mize losses in the power grid, and improve the quality of power supply of power grid. This design choose the WZK-A type of reactive power compe nsati on for automatic reactive power compe nsati on, can make the power factor improvement reduce the capacity of the main transformer and
9、power supply system of compe nsatory point before the power loss of on the orig in al.Key Words :Low voltage capacitor compensator, Compensation capacity , Power factor , Wattless powerii目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电网线损 较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数 较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的 70%而由于设计和使用等方面的
10、原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为 cos =0.70 0在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分 必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数 和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非 常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。 2007年，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为8.77%,但是这个数字没 有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。 据报道，估计实际的统计线损率约为15%即2007年全国年线损
11、量约为4800亿千瓦时。 全国的理论线损与统计线损基本相一致， 其中可变线损约占理论总线损的 80%则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。如果当前全国电力网总负荷的当前功率因数 cos =0.85，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到 cos =0.95，贝U每年 可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。2007年 全国电网的最大负荷利用小时数约为 5000小时，则电网的最大负荷约为 2亿千瓦，当 用无功功率补偿法把功率因数 cos =0.85,提高到cos =0.95，全国电网需总补偿容 量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力
12、电容器，假如无功补偿设 备每千瓦的平均综合造价为 50元，则全国无功补偿装置的总投资约为 29亿元。应当 指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座 400 万千瓦的火电厂需综合费用约为 300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产 生有害物质约为600万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电 厂费用10%而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可 全部收回。近20年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国）发 生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短 短72小时
13、的8.14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响， 这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场 环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角ill度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如 1993年和1996年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业 用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸， 交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标 志着
14、电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展， 新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的 蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。国家在大力倡导建立节约型社会，从国家到地方已明确的下达了各种节能指标。 节能、节电事业正在蓬勃的发展，这是一股强大的潮流。在所有电力节能产品中，首 先要提到的就是无功补偿装置，这也是唯一在供电政策以及电力法中提到的节能措施。 作为节能降耗的生力军，无功补偿装置在我国有着巨大的潜在市场。 2009年，一系列的经济振兴计划给电力电子行业带来了很多机会，主要供方和用方两方面。供方主要 是对用户
15、的补贴上，另外，在这个政策的拉动下，企业也降低了成本压力。无功补偿 装置在节能降耗领域，趋势是一直向好的。首先是企业降低成本的需求，另一个是外 部环境的压力，地方政府的政绩和节能降耗的水平已经挂钩，国家和地方政府补贴能 达到30%以上。近年来，国内无功补偿市场发展极其迅猛，产品的质量和数量都有了 大幅度的提升，相当一部分优势企业已经开始问鼎国际市场并取得了不俗的业绩。随 着电力工业的快速发展和技术进步，以及节能降损管理的加强等，弓I发了许多领域对 无功补偿的需求。综上所述，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染 等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，
16、减少用户电费开 支，延缓用户的增容改造等作用。第1章无功补偿的概念1.1无功补偿的原理1、无功功率电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交 变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯 电容电路时并没有能量消耗，但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的，能量交 换率的最大值叫做无功功率。由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。2、功率因素实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又 有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余 弦cos称为功率因数。它是有功功率与视在功率之
17、比。三相功率因数的计算公式为：瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。在三功率因数通常分为自然功率因数、相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因 数就等于各相的功率因数。3、无功补偿电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图1.1图1.1由式cos =P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cos 越小，所需的无功功 率越大。为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样，不仅要增 加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为了提高电网的经济运行效率， 根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感
18、性无功来抵消线路的无功功率。无功补偿的作用和原理可用图2.1来解释：AQr 、QrW 图2.1设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 Q,装设无功补偿装置后，补偿无功功 率为CC，使电源输出的无功功率减少为 Q =Q- CC，功率因数由cos 提高到cos ， 视在功率S减少到S。1.2无功补偿的作用线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗 两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导 体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电 网电压等因素有关，约占电网总损耗的 80%-85%。后者指只要接通电源电力
19、网就存 在的损耗，包括变压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介质损耗及各种计 量仪表、互感器线圈上的铁损，它与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%-20% 我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为 2%-3%而我国在2006年的线损统计为7.1%,所以线损的解决显得越来越重要。在用户或靠近用户的变电站 装设自动投入的并联电容器，以平衡无功功率，限制无功功率在电网中传送，可减少 电网的无功损耗，同时还可提高有功功率的输送量。无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和 提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功 和无功功率
20、。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应 减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。分析如下：1、提高电压质量把线路中电流分为有功电流la和无功电流Ir，则线路中的电压损失式中：P 有功功率，kWQ 无功功率，kVAU 额定电压，kVR 线路总电阻，QX 1 线路感抗，Q因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率 Q,若保持有功功率不变,而R Xi均为定值，无功功率Q越小，电压损失越小，从而提高了电压质量 2、提高变压器的利用率，减少投资功率因数由cos 1提高到cos 2提高变压器利用率为：Si S2 cos 1S% 12 100% 1 1 100%S| co
21、s 2由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前提高 S%可以带更多的负荷，减少了输变电设备的投资3、 减少用户电费支出(1)可避免因功率因数低于规定值而受罚。(2) 可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗， 电费可相应降低。4、 提高电力网传输能力有功功率与视在功率的关系式为：P=Scos，可见，在传输一定有功功率的条件 下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。1.3无功补偿的补偿方式无功补偿的补偿通常有如下三种方式：1、 集中补偿：装设在企业或地方总变电所 635KV母线上，可减少高压线路的无 功损耗，而且能提高本变电所的供电电压质量。2、 分散补偿：装设在功率因数较低的车间或
22、村镇终端变、配电所的高压或低压母 线上。这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小，效果较明显。3、就地补偿：装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行补偿。这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改变用电设备的电压质量。无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机之间的供电损耗，所以高压侧的无功 补偿不能减少低压网侧的损耗，也不能使低压供电变压器的利用率提高。根据最佳补 偿理论，就地补偿的节能效果最为显著。补偿方式的选择为：集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；调节补偿与 固定补偿相结合，以固定补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主。1.4功率因数指标我国对功率因数
23、的要求：对供电公司的要求：110kV站，功率因数在0.950.98之间。220kV站，功率因数 在0.95以上。对用户的要求：100kVA以上的变压器，功率因数大于 0.9。对农灌的要求：100kVA以上的变压器，功率因数大于 0.8。第2章电容器无功补偿的原理2.1电容器无功补偿的原理(a) (b) (c)将电容并入RL电路之后，电路如图（a）所示。该电路电流方程为：I Ic Irl由图（b）的向量图可知，并联电容后U与I的相位差变小了，即供电回路的功率 因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。其向量
24、图如（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会：（1） 引起变压器二次侧电压的升高。（2） 容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗。（3） 如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大, 影响电容器使用寿命。2.2补偿容量的计算确定无功补偿容量时，应注意以下两点：1、 在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。2、 功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率 因数提高到0.95就是合理补偿。无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进 行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备
25、的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用 户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到 0.85以上。电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器的接法有关。1集中补偿和分组补偿电容器容量计算QC=Pav(tg 1- tg 2) 或 QC=PavX qc式中：Pav最大负荷的日平均功率0.900.95 1补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值 2补偿后的功率因数角，一般取 2,查表可知qc 电容器补偿率，qc=tg 1 - tg(1)电容器组为星形接法时2 就地补偿电容器容量计算Qc V3UnI 10 3
26、 0.9其中 2I 1 cos 电动机空载电流i 0 2i cn i cos n式中i 电动机的额定电流A1 CNCOS N 电动机的自然功率因数2.3电容器无功补偿装置的选择应注意的问题2.3.1控制器的选型无功功率补偿控制器，即无功补偿装置的指挥系统，它首先要对电网的电压、电 流量进行采集，通过中央处理器的快速运算，得到电网的有功功率、无功功率、无功 电流、功率因数等参数，经计算再根据参数设定值发出投切指令，控制投切开关的动 作，从而控制电容器组的投切。同时采样方式的选择、参数的设定、装置器件的保护 等均通过控制器来实现。无功补偿控制器的种类很多，有些只能进行一般的控制，不 能存储数据和通
27、信，从而不能很好地了解装置的投运情况，如投切前的数据和投切后 的数据、电容的投切情况等。为保证无功补偿控制器正常地进行控制、测量、存储、通信和保护，必须注意以 下几点：装置时钟必须正确。采样 TV变比的正确性。通信波特率的正确性。 投切条件的限值设置的正确性。保护条件的限值设置的正确性。控制器是无功补偿 装置的核心元件，已经历了十几代产品，目前几乎每一代产品在市场上都有销售。早 期的产品只采集一相电流，以功率因数为判据，在负荷较轻时，会造成电容器投切开 关的振荡和频繁投切，致使电容器投切开关在短期内损坏。当三相负荷不平衡时，又 会造成欠补偿或过补偿现象，不能真正达到节能与稳定电压质量的目的 &
28、过补偿时，甚至会对电网安全运行造成不良影响。近几年来，采集三相电压、电流，分相分级采用综合判据来控制投切的控制器开 始陆续推向市场，且增加了配电监测功能、该产品设计出发点较好，但大多制造厂家 仅仅重视了配电监测的功能，忽视了该产品控制电容器投切这一核心功能 &控制产品与 检测显示仪表的设计思想与技术侧重点是有根本区别的。控制产品非常重视产品的抗 电磁干扰性能，以及在极端环境中工作控制性能的稳定性 &而检测显示仪表则讲究体积 精巧、外观漂亮、成本低。同类产品大部分因体积太小，散热效果不好，以致于高温 季节烧毁控制器的现象时有发生。由于市场的无序竞争，致使产品在设计中为了降低 造价，不得不以降低产
29、品的抗电磁干扰性能为代价，采用塑料外壳，使用商业级元件， 甚至有些制造厂降低技术标准，割舍一些必要的后备保护功能。电子产品制造过程中 元件老化筛选、工艺处理以及成品高温状态通电老化是非常专业的，要求非常严格， 一些非正规的厂家根本就没有做这方面的工作。如果这些偷工减料的劣质产品在电网 中运行，将会带来严重的后果。无功补偿控制器是无功补偿装置的核心元件，无功补 偿装置能不能正常工作，补偿效果如何，与控制器的内在质量关系很大，选型时应首 先考虑控制器产品的特点，将可靠性放在第一位，在满足控制可靠性前提下再选外观、 价格，否则将得不偿失。2.3.2电容器投切开关的选型投切开关是低压无功补偿装置中最容
30、易损坏的关键元器件，投切开关目前有三代 产品，分别是交流接触器、晶闸管和复合开关。其中，交流接触器存在投切产生涌流 和频繁投切容易烧坏触头的缺点，但其长期运行不发热；晶闸管存在投切产生谐波和 长期运行发热烧坏的缺点，但其投切无浪涌且响应速度快；复合开关基本工作原理是 将晶闸管与接触器并接，使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管过零投切的优点， 而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点，同时可扩展很多的保护功能。所以选 用复合开关是以后发展的主要趋势。要保证复合开关长期、可靠的运行，选用时必须 注意以下几点：复合开关的额定电流必须与投切的电容的额定电流匹配。复合开 关的接线端子过流要满足额定电流
31、。复合开关的端子的接线必须牢固可靠。电容器 投切开关是无功补偿的另一个重要器件，早期多采用接触器，在投入过程中涌流大， 严重时，会发生触头熔焊现象。投切过程中有电弧，存在触头烧蚀现象，加上控制器 质量不好，会产生投切振荡，更加快了接触器损坏的速度 &近些年来，一些制造厂开始 用可控硅作为电容器投切开关。可控硅可以在电压过零时投入，电流过零时切除，涌 流小，无电弧。但其存在两个问题（一是可控硅运行中自身发热，尤其是户外运行的补 偿装置，很难在夏季炎热天气中正常运行，节能效果也不好 ）另外一个问题是，可控硅 在电压非过零时误触发，可控硅电流上升率过大也会使其损坏。事实证明，单独用可 控硅作为投切电容器的开关是不太理想的。具体投切开关的选型要针对所设计的补偿装置，只有这样才能最大发挥所选投切 开关的性能。如果电网电压波动不大，负载较平稳，动态补偿要求不太高不需要快速 反应，则选择接触器投切便可。对于投切开关的涌流保护则加电抗器便可。本设计投切开关选型为切换电容器接触器（CJX4型），是专用于低压无功补偿设 备中投入切除并联电容器组，以调整系统的功率因素。切换电容器接触器带有抑制浪 涌装置，能有效地抑制接通电容器组的合闸涌流对电容的冲击和开断时的过电压。其 结构设计为正装式，灭弧系统采用封闭式自然灭弧。接触器的安装既可采用螺钉安装 又可采用
