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技術(shù)文章

低壓無功功率自動補償控制器原理及規(guī)格
DQZHAN技術(shù)訊：低壓無功功率自動補償控制器原理及規(guī)格
概述無功功率自動補償控制器是低壓配電系統(tǒng)補償無功功率的專用控制器，可以與多種等級電壓在400V以下型號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)中使用的感性負載也愈來愈多，如感應(yīng)式電動機、變壓器等。這些設(shè)備在工作時不但要消耗有功功率，同時需要電網(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補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，合理的投停無功補償設(shè)備，對調(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補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，通過一定的運算，得到當(dāng)前電網(wǎng)的實時功率因數(shù)。此功率因數(shù)與設(shè)定的投入門限和切除門限比較，在整個投切延時時間內(nèi)，若在投切門限以內(nèi)，則不予動作；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)為負時，則切除一組已投入的電容器。再經(jīng)過投切延時時間，重復(fù)比較與投切，直到當(dāng)前的功率因數(shù)達到投切門限以內(nèi)。在投切過程中，若發(fā)現(xiàn)檢測到的電壓大于設(shè)定的過壓保護門限，則按組切除所有已投入的電容；當(dāng)檢測到的電壓超過設(shè)定的過壓保護門限的10%時，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護電容器。在投切時若發(fā)現(xiàn)檢測到的電流小于欠電流封鎖門限，則停止投切動作，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)自動補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，同時為減少現(xiàn)場接線的復(fù)雜度，我們在程序中對相位進行自動判別。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)自動補償控制儀中，為了計算的方便，我們電流相位的采樣為電壓采樣的**個周期，即若沒有相位差I(lǐng)a滯后Ua的角度為360°。在實際檢測中，假設(shè)我們檢測到Ia滯后Ubc的角度為α，根據(jù)以上的分析得知：
若180°<α<270°電路為容性負載，COSφ=COS(270°-α)
若α=270°，則電路為純阻性負載，COSφ=1
若270°<α<360°，則電路為感性負載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°，則電路為容性負載，COSφ=COS(90°-α)
若α=90°，則電路為純阻性負載，COSφ=1
若90°<α<180°，則電路為感性負載COSφ=COS(α-90°)
4產(chǎn)品功能產(chǎn)品符合JB/T9663－1999國家標(biāo)準(zhǔn)，具有功能完善、運行穩(wěn)定可靠、控制精度高等特點。
●可相序自動識別
●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，對補償電容實行循環(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、過壓保護門限、欠電流封鎖門限、 投切延時時間
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小時的平均溫度不高于40℃
●空氣的相對濕度在25℃時不大于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)電壓波動幅度不得大于±20%
●安裝地點無劇烈震動、無雨雪直接侵蝕
6技術(shù)規(guī)格參數(shù)輸入信號
a.輸入電壓額定值：線電壓Ubc=380VAC或相電壓Ua=220VAC；
過負荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；2倍額定值/30秒； 測量形式：真有效值（True-RMS）；負荷：小于0.2VAb.輸入電流
額定值：A線電流AC5A；
過負荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；10倍/5秒；
測量形式：真有效值（True-RMS）；
輸入頻率范圍
45~65Hz
測量精度
電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)：0.5級；
無功功率、諧波百分量：1級；
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，絕緣強度：電源、電壓輸入回路>2KVAC；
電流回路>2.5KVAC；
輸入、輸出端對機殼>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
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 無 12路外部無源接點
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”柜體溫度檢測功能，“K”開關(guān)量輸入與報警輸出
8產(chǎn)品使用注意事項電壓輸入
雖然控制器具備自動相序判斷功能，但還要盡量確保輸入電壓與輸入電流相對應(yīng)，即相號和相序一致。電壓信號可取自BC線電壓或A相電壓，但接線方式要做對應(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相序判斷功能，但還要盡量確保輸入電壓與輸入電流相對應(yīng)，即相號和相序一致。
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連接多達128個網(wǎng)絡(luò)電力儀表，每個網(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。布線時應(yīng)使通訊線遠離強電電纜或其他強電場環(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、手動投切、通訊投切。“順序投切”適應(yīng)于每組補償電容的大小不同，但用戶需將每一組補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)于每組補償電容的大小一樣，此時可用先投先切的方法均衡每組電容的工作時間；“手動投切”主要用于調(diào)試階段，可測試接線與補償效果，在測量顯示方式下，可用左右鍵來控制電容的切除與投入。“通訊投切”用于遠程遙控，此時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)容來進行電容的投切，但保護功能依然有效。
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，請按主開關(guān)量輸出的接線對應(yīng)接到外部中間繼電器的輔助觸點上。當(dāng)與對應(yīng)的主輸出節(jié)點狀態(tài)不同時（如主輸出已閉合，而對應(yīng)的開關(guān)量輸入節(jié)點未導(dǎo)通），對應(yīng)的投切指示燈將閃動，同時報警輸出節(jié)點閉合。
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，用以對電容進行通風(fēng)降溫。
溫度控制在設(shè)定溫度的上下10%進行，如設(shè)定溫度為50℃，則控制器將在55℃時閉合溫度控制輸出節(jié)點，一直到溫度降為45℃時斷開溫度節(jié)點。請設(shè)定合適的溫度控制點，以延長補償電容與通風(fēng)風(fēng)機的使用壽命。
在接入溫度探頭（PT100）前，請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。
報警輸出節(jié)點
（需另行配置）
當(dāng)開關(guān)量輸出與反饋信號不一致、輸入的檢測電壓信號大于保護值及在采用單相接線的情況下諧波超過過諧保護值時，報警輸出節(jié)點（DO14與COM4）閉合。輸出接點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低壓自動補償電容柜，設(shè)定補償限值cosj為0.95，小于限值則自動順序投入電容器組。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)在一個相對穩(wěn)定的區(qū)域保持動態(tài)平衡。試機時一次電流1050 A，cosj = 0.7，裝置自動投入400 kvar后，功率因數(shù)達到1，一次電流變?yōu)?50 A，電流是補償前的電流的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低壓自動補償柜，補償前功率因數(shù)小于0.75，線路電流1300 A，自動補償?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，補償前電流為I，補償后電流大約為0.7×I，根據(jù)DP = 3IR，所以補償后的線路損耗為補償前線路損耗值的49 %，線路損耗降低了大約51%左右。 例2中線路補償后電流大約是補償前電流的0.77，所以補償后的線路損耗大概是補償前線路損耗的59%。
推算出補償前后功率因數(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。
用戶低壓端無功補償裝置一般按照用戶無功負荷的變化自動投切補償電容器，達到動態(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，電壓波動減少。
由此得出，配電網(wǎng)中的用戶端實現(xiàn)無功就地補償是合理的無功補償方式，大力推廣應(yīng)用自動控制裝置提高線路功率因數(shù)，達到動態(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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