本發(fā)明涉及配電網(wǎng)低電壓治理領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的低電壓治理裝置。

背景技術(shù)：

合格的電壓質(zhì)量是電力用戶生產(chǎn)生活的需要，也是供電企業(yè)保證電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件。很多配電臺(tái)區(qū)存在配電線路末端電壓低、用戶設(shè)備在用電高峰期無法正常工作等問題，如果進(jìn)行線路改造，工程造價(jià)較高且工期較長，工作量較大；采用傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置進(jìn)行電壓調(diào)整，需要很大的裝機(jī)容量，調(diào)整電壓的同時(shí)又帶來功率因數(shù)下降和網(wǎng)損增加的問題；為達(dá)到同樣的電壓提升效果，串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置比并聯(lián)補(bǔ)償裝置容量可大大降低，但串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置只能根據(jù)負(fù)荷電流被動(dòng)調(diào)壓，當(dāng)負(fù)荷電流小時(shí)電壓提升效果較差，負(fù)荷電流大時(shí)又容易產(chǎn)生“過電壓”的問題，且機(jī)械開關(guān)頻繁動(dòng)作極易損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的低電壓治理裝置，保持了串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓效果明顯和并聯(lián)補(bǔ)償輸出容量連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決低電壓問題。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：包括并接在電源和負(fù)載間的串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊，串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊串接，所述串聯(lián)補(bǔ)償模塊包括相并聯(lián)的串聯(lián)電容器組和旁路回路，所述串聯(lián)電容器組包括若干個(gè)相并聯(lián)的串聯(lián)電容器，旁路回路采用兩級(jí)旁路回路，所述并聯(lián)補(bǔ)償模塊包括若干個(gè)相并聯(lián)的并聯(lián)電容器，并聯(lián)電容器上均串聯(lián)有復(fù)合開關(guān)，并聯(lián)電容器的一端均接地。

所述并聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在電源側(cè)，所述串聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在負(fù)載側(cè)。

所述并聯(lián)補(bǔ)償模塊靠近電源的一端設(shè)置有第二自動(dòng)開關(guān)，串聯(lián)補(bǔ)償模塊靠近負(fù)載的一端設(shè)置有第三自動(dòng)開關(guān)，電源和負(fù)載間設(shè)置有第一自動(dòng)開關(guān)。

所述并聯(lián)補(bǔ)償模塊包括相并聯(lián)的第一并聯(lián)電容器和第二并聯(lián)電容器，第一并聯(lián)電容器串聯(lián)有第一復(fù)合開關(guān)，第二并聯(lián)電容器串聯(lián)有第二復(fù)合開關(guān)。

所述串聯(lián)補(bǔ)償模塊的串聯(lián)電容器組包括兩個(gè)相并聯(lián)的串聯(lián)電容器。

所述串聯(lián)補(bǔ)償模塊的旁路回路包括相互并聯(lián)的一級(jí)旁路開關(guān)和二級(jí)旁路開關(guān)。

所述二級(jí)旁路開關(guān)上串聯(lián)有阻尼電阻。

所述串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器的額定電壓為250V。

所述串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊連接至能夠檢測配電線路末端電氣參數(shù)的串并聯(lián)協(xié)調(diào)投切控制器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對(duì)低壓配電網(wǎng)絡(luò)，采用串并聯(lián)混合式主動(dòng)調(diào)壓，保持了串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓效果明顯和并聯(lián)補(bǔ)償輸出容量連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決功率因數(shù)低、配電線路長等多種原因引起的低電壓問題，保證各種工況下都能得到較好的低電壓治理效果，且裝置自身容量小，損耗低。

進(jìn)一步，將并聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在電源側(cè)，將串聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在負(fù)載側(cè)，這樣能夠使并聯(lián)補(bǔ)償模塊和串聯(lián)補(bǔ)償模塊發(fā)揮各自的最大效果，且相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，若將串補(bǔ)布置于電源側(cè)，并補(bǔ)布置于負(fù)載側(cè)，并補(bǔ)和串補(bǔ)的電壓提升效果會(huì)互相抵消。

進(jìn)一步，并聯(lián)補(bǔ)償模塊由兩組并聯(lián)電容器組及其復(fù)合開關(guān)組成，其最大無功輸出容量為Q_C。并聯(lián)部分具有如下技術(shù)優(yōu)勢：一是用復(fù)合開關(guān)限制投切電容器的涌流，取消串聯(lián)電抗器；二是電容器分成兩組，可以實(shí)現(xiàn)三檔輸出，分別為0，1/2Qc和Q_C。

進(jìn)一步，串聯(lián)補(bǔ)償模塊由串聯(lián)電容器組及其旁路回路組成，其串聯(lián)部分的容抗為X_C，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：一是串聯(lián)電容器組額定電壓較高，從而取消了非線性電阻和保護(hù)間隙，從而簡化了過電壓保護(hù)；而是采用二級(jí)旁路方式，取消了阻尼電抗器，當(dāng)控制器發(fā)出旁路命令后，二級(jí)旁路開關(guān)閉合，電容器通過阻尼電阻放電；二級(jí)旁路開關(guān)合閘完畢后一級(jí)旁路開關(guān)閉合，此時(shí)電容器已通過阻尼電阻放電，不會(huì)發(fā)生較大的放電電流，且一級(jí)旁路開關(guān)閉合后，線路電流全部通過一級(jí)旁路開關(guān)，不再流過電容器和阻尼電阻，不會(huì)產(chǎn)生損耗，解決了常規(guī)旁路回路的損耗問題，避免了旁路運(yùn)行期間的插入損耗。

進(jìn)一步，電容器的額定電壓選擇為250V，此時(shí)過載和承受短路過電壓的能力大幅度提高，不需要配套過電壓吸收設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單可靠。

進(jìn)一步，串并聯(lián)協(xié)調(diào)投切控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測配電線路末端電壓和無功功率等電氣參數(shù)，控制串聯(lián)電容器組和并聯(lián)電容器組的投入和退出，并且具備完善的保護(hù)功能，保證裝置內(nèi)部故障時(shí)從系統(tǒng)中可靠退出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主接線圖；

圖2為輸電線路等值電路圖；

圖3為并聯(lián)補(bǔ)償?shù)牡戎惦娐穲D；

圖4為串聯(lián)補(bǔ)償?shù)牡戎惦娐穲D；

圖5為采用本發(fā)明串并聯(lián)混合式補(bǔ)償?shù)牡戎惦娐穲D；

圖6為串補(bǔ)出口側(cè)線路短路時(shí)電容器端電壓仿真波形；

圖7為傳統(tǒng)阻尼放電回路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。

參見圖1，本發(fā)明包括并接在電源和負(fù)載間的串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊，串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊串接，并聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在電源側(cè)，串聯(lián)補(bǔ)償模塊設(shè)置在負(fù)載側(cè)，并聯(lián)補(bǔ)償模塊靠近電源的一端設(shè)置有第二自動(dòng)開關(guān)QA₂，串聯(lián)補(bǔ)償模塊靠近負(fù)載的一端設(shè)置有第三自動(dòng)開關(guān)QA₃，電源和負(fù)載間設(shè)置有第一自動(dòng)開關(guān)QA₁。串聯(lián)補(bǔ)償模塊和并聯(lián)補(bǔ)償模塊連接至能夠檢測配電線路末端電氣參數(shù)的串并聯(lián)協(xié)調(diào)投切控制器。

串聯(lián)補(bǔ)償模塊包括相并聯(lián)的串聯(lián)電容器組C₃和旁路回路，串聯(lián)電容器組C₃包括兩個(gè)相并聯(lián)的串聯(lián)電容器，旁路回路采用兩級(jí)旁路回路，串聯(lián)補(bǔ)償模塊的旁路回路包括相互并聯(lián)的一級(jí)旁路開關(guān)KM₁和二級(jí)旁路開關(guān)KM₂，二級(jí)旁路開關(guān)KM₂上串聯(lián)有阻尼電阻R。并聯(lián)補(bǔ)償模塊包括相并聯(lián)的第一并聯(lián)電容器C₁和第二并聯(lián)電容器C₂，第一并聯(lián)電容器C₁串聯(lián)有第一復(fù)合開關(guān)K₁，第二并聯(lián)電容器C₂串聯(lián)有第二復(fù)合開關(guān)K₂，第一并聯(lián)電容器C₁和第二并聯(lián)電容器C₂的一端均接地。串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器的額定電壓為250V。

參見圖1，本發(fā)明串并聯(lián)混合式低電壓治理成套裝置主要由串聯(lián)補(bǔ)償模塊、并聯(lián)補(bǔ)償模塊和串并聯(lián)協(xié)調(diào)投切控制器三個(gè)部分組成，串聯(lián)補(bǔ)償模塊由串聯(lián)電容器組C₃和由一級(jí)旁路開關(guān)KM₁、二級(jí)旁路開關(guān)KM₂和阻尼電阻R構(gòu)成的旁路回路組成，其串聯(lián)部分的容抗為X_C。與應(yīng)用于高壓配電網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置相比，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：一是串聯(lián)電容器組額定電壓較高，從而取消了非線性電阻(氧化鋅限壓器)、保護(hù)間隙，從而簡化了過電壓保護(hù)；而是采用二級(jí)旁路方式，取消了阻尼電抗器，避免了旁路運(yùn)行期間的插入損耗。

并聯(lián)補(bǔ)償模塊由兩個(gè)并聯(lián)電容器C₁、C₂及其復(fù)合開關(guān)K₁、K₂組成，其最大無功輸出容量為Q_C。并聯(lián)部分具有如下技術(shù)優(yōu)勢：一是用復(fù)合開關(guān)限制投切電容器的涌流，取消串聯(lián)電抗器；二是電容器分成兩組，可以實(shí)現(xiàn)三檔輸出，分別為0，1/2Qc和Q_C。

串并聯(lián)協(xié)調(diào)投切控制器實(shí)施監(jiān)測配電線路末端電壓和無功功率等電氣參數(shù)，控制串聯(lián)電容器組和并聯(lián)電容器組的投入和退出。并且具備完善的保護(hù)功能，保證裝置內(nèi)部故障時(shí)從系統(tǒng)中可靠退出。

無補(bǔ)償時(shí)電壓降落的分析：輸電線路等值電路如圖2所示，由于線路存在電阻R和電抗X，沿線產(chǎn)生電壓損失ΔU₁，電壓損失計(jì)算公式如公式(1)所示：

僅采用并補(bǔ)時(shí)電壓提升效果分析：采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)牡戎惦娐啡鐖D3所示，補(bǔ)償后電壓損失計(jì)算公式如公式(2)所示，并聯(lián)補(bǔ)償提升電壓幅度如公式(3)所示：

從公式(3)可以看出，并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾妷禾嵘Чc系統(tǒng)等值電抗XL密切相關(guān)，等值電抗XL越大，即系統(tǒng)短路容量越小時(shí)，電壓提升效果越好；等值電抗XL越小，即系統(tǒng)短路容量越大時(shí)，電壓提升效果越差。

僅采用串補(bǔ)時(shí)電壓提升效果分析：采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)牡戎惦娐啡鐖D4所示，補(bǔ)償后電壓損失計(jì)算公式如公式(4)所示，串聯(lián)補(bǔ)償提升電壓幅度如公式(5)所示：

從公式(5)可以看出，串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾妷禾嵘Чc負(fù)荷無功Q密切相關(guān)，負(fù)荷無功Q越大，即功率因數(shù)越低時(shí)，電壓提升效果越好；負(fù)荷無功Q越小，即功率因數(shù)越高時(shí)，電壓提升效果越差。

串并聯(lián)混合式補(bǔ)償裝置的電壓提升效果分析：采用串并聯(lián)混合式補(bǔ)償裝置的等值電路如圖5所示，補(bǔ)償后電壓損失計(jì)算公式如公式(6)所示，串并聯(lián)混合式補(bǔ)償裝置提升電壓幅度如公式(7)所示：

從公式7可以看出，串并聯(lián)補(bǔ)償裝置的電壓提升效果由兩部分組成，一部分是Qc在X_L上產(chǎn)生的電壓提升，另一部分是負(fù)荷無功在Q_C在串補(bǔ)X_C上產(chǎn)生的電壓提升，其電壓補(bǔ)償效果遠(yuǎn)高于單獨(dú)采用串補(bǔ)或并補(bǔ)的技術(shù)方案。

串并聯(lián)補(bǔ)償裝置主回路中將并補(bǔ)布置于電源側(cè)，串補(bǔ)布置于負(fù)荷側(cè)，可見各自設(shè)備的效果發(fā)揮到最大，且相互之間互不干擾；如果將串補(bǔ)布置于電源側(cè)，并補(bǔ)布置于負(fù)荷側(cè)，并補(bǔ)和串補(bǔ)的電壓提升效果會(huì)互相抵消，不建議采用。

電容器參數(shù)設(shè)計(jì)：低壓380V配電系統(tǒng)的串補(bǔ)額定補(bǔ)償容抗一般較低，實(shí)際運(yùn)行端電壓一般在幾十伏，因此，串聯(lián)電容器的額定電壓可以低于系統(tǒng)額定電壓。補(bǔ)償容抗X_C＝1Ω的話，穿越電流I＝100A，正常運(yùn)行電壓為：U_C＝IX_C＝100×1＝100(V)

如果電容器額定電壓UN選擇為100V，則電容器選擇為100V-10kvar即可，但存在如下困難：

1)電容器選型困難，目前低壓電容器額定電壓一般為230V及以上，沒有低于200V的電容器可以選型；

2)需要短路時(shí)存在較大的短路電流穿過電容器，電容器端電壓將急劇增大，如果電容器無法承受過電壓，必須考慮增加過電壓限制器等設(shè)備限制短路過電壓。

本發(fā)明采用目前較為成熟可靠的電容器型號(hào)，額定電壓選擇為250V，此時(shí)過載和承受短路過電壓的能力大幅度提高，不需要配套過電壓吸收設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單可靠。圖6為串補(bǔ)出口側(cè)線路短路時(shí)電容器端電壓仿真波形，從仿真結(jié)果可以看出，即使出現(xiàn)短路工況，短路電壓有效值僅212V，低于其250V的額定電壓，在串聯(lián)電容器長期運(yùn)行過電壓范圍以內(nèi)，不需要采取額外的過電壓保護(hù)措施。

無損耗阻尼放電回路設(shè)計(jì)：

串補(bǔ)旁路開關(guān)合閘時(shí)，如不加裝阻尼回路，回路電阻很小，電容器將以高頻、大幅值且衰減緩慢的周期性放電電流放電，這對(duì)電容器本身以及放電回路中其他設(shè)備都很不利。因此，在放電回路中接入阻尼電阻R。R的作用是限制電容器放電電流幅值，以及消耗放電能量，使放電電流很快衰減。L的作用是為了降低旁路開關(guān)合閘時(shí)工頻負(fù)荷電流流過R時(shí)的有功損耗，適當(dāng)選擇R與L的比例，可使工頻負(fù)荷電流主要從電抗中流過，而電容器高頻放電電流主要從電阻中流過，常規(guī)阻尼放電回路如圖7所示。傳統(tǒng)阻尼回路存在如下三方面缺陷：

1)當(dāng)旁路開關(guān)DL閉合時(shí)，工頻負(fù)荷電流通過電阻R和電阻L，必然產(chǎn)生一定的插入損耗，損耗大小和阻尼回路參數(shù)和線路電流大小決定；

2)電阻器對(duì)放電電流起阻尼作用，電阻器阻值設(shè)計(jì)小了，會(huì)導(dǎo)致放電電流衰減不明顯；電阻器阻值設(shè)計(jì)大了，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)損耗過大；電抗器同樣存在這樣的問題。傳統(tǒng)阻尼回路的參數(shù)要在性能和損耗之間找到最佳平衡點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度較高；

3)阻尼電抗器一般采用鐵芯電抗器，體積大，重量大，不利于成套設(shè)備小型化和輕型化。

本發(fā)明采用一種新型的無損耗旁路回路，主要設(shè)備包括串聯(lián)電容器組C₃、阻尼電阻R、一級(jí)旁路開關(guān)KM₁和二級(jí)旁路開關(guān)KM₂，如圖1所示。當(dāng)控制器發(fā)出旁路命令后，二級(jí)旁路開關(guān)KM₂閉合，電容器通過電阻器放電；KM₂合閘完畢，KM₁閉合，此時(shí)電容器已通過電阻放電，不會(huì)發(fā)生較大的放電電流，且KM₁旁路后，線路電流全部通過KM₁，不再流過電容器C₃和電阻器R，不會(huì)產(chǎn)生損耗，解決了常規(guī)旁路回路的損耗問題。由于無損耗阻尼回路采用了兩個(gè)旁路開關(guān)，因此也稱為兩級(jí)旁路回路。

電容器不平衡保護(hù)方案：由于低壓串聯(lián)電容器組的每相電容器臺(tái)數(shù)較少(一相一臺(tái)接線方式較為常見)，且三相電流不平衡問題較為嚴(yán)重，因此，常用的橋差、差動(dòng)保護(hù)均無法使用，本裝置采用特殊設(shè)計(jì)的“阻抗保護(hù)”，實(shí)現(xiàn)電容器內(nèi)部故障的保護(hù)，分別測量電容器端電壓和線路，計(jì)算其阻抗值，當(dāng)其實(shí)際阻抗值與額定阻抗的偏差達(dá)到定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，將裝置永久退出。

串并聯(lián)回路協(xié)調(diào)控制策略：

自動(dòng)投切功能：檢測到線路電壓低于投入定值時(shí)控制器向旁路接觸器開關(guān)發(fā)出分閘指令，將串聯(lián)補(bǔ)償電容器串聯(lián)到線路中；接觸器分閘后，其串入并聯(lián)電容器控制回路的常開節(jié)點(diǎn)閉合，將并聯(lián)電容器投入系統(tǒng)。檢測到線路電壓高于切除定值時(shí)控制器向旁路接觸器開關(guān)發(fā)出合閘指令，將串聯(lián)補(bǔ)償電容器串聯(lián)到線路中；接觸器合閘后，其串入并聯(lián)電容器控制回路的常開節(jié)點(diǎn)打開，將并聯(lián)電容器同步切除。

線路發(fā)生相間短路后的快速退出功能：當(dāng)任何一相的線路二次電流有效值超過整定值時(shí)，控制系統(tǒng)立即在3ms之內(nèi)向旁路接觸器發(fā)出合閘指令，將串聯(lián)電容器短接，將并聯(lián)電容器同步切除。

過負(fù)荷保護(hù)：當(dāng)保護(hù)測控裝置檢測到串補(bǔ)電容兩端的電壓有效值超過設(shè)計(jì)值立即向快速旁路開關(guān)發(fā)出合閘指令。

裝置故障后的自動(dòng)退出功能：當(dāng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，立即向快速旁路開關(guān)發(fā)出合閘指令，快速旁路開關(guān)在12ms之內(nèi)合閘將補(bǔ)償電容器短接。

本發(fā)明由串聯(lián)和并聯(lián)兩部分組成，并聯(lián)部分依靠容性無功功率Qc在系統(tǒng)電抗XL上產(chǎn)生電壓提升，串聯(lián)部分依靠負(fù)荷無功QL在串補(bǔ)XC上產(chǎn)生電壓提升，其電壓補(bǔ)償效果遠(yuǎn)高于單獨(dú)采用串補(bǔ)或并補(bǔ)的技術(shù)方案。串并聯(lián)補(bǔ)償裝置主回路中將并補(bǔ)布置于電源側(cè)，串補(bǔ)布置于負(fù)荷側(cè)，可見各自設(shè)備的效果發(fā)揮到最大，且相互之間互不干擾。適用于復(fù)雜工況，無論是線路過長還是無功配置不合理引起的低電壓問題均能取得顯著的電壓提升效果。

本發(fā)明采用目前較為成熟可靠的電容器型號(hào)，額定電壓選擇為250V，此時(shí)過載和承受短路過電壓的能力大幅度提高，不需要配套過電壓吸收設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單可靠。

本發(fā)明無損耗阻尼回路采用兩級(jí)旁路方式，放電電流分為兩個(gè)階段，第一階段為帶阻尼放電，此時(shí)放電電流為非周期快速衰減電流，但電流衰減至大于零的某一值；第一階段為無阻尼放電，由于電容器端電壓已經(jīng)大大降低，此時(shí)放電電流雖然為周期放電電流，但幅值很低，不會(huì)對(duì)開關(guān)和電容器造成危害。采用無損耗阻尼放電回路，設(shè)備體積、重量均明顯下降，且不存在插入損耗，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越。

由于低壓串聯(lián)電容器組的每相電容器臺(tái)數(shù)較少(一相一臺(tái)接線方式較為常見)，且三相電流不平衡問題較為嚴(yán)重，因此，常用的橋差、差動(dòng)保護(hù)均無法使用，本裝置采用特殊設(shè)計(jì)的“阻抗保護(hù)”，實(shí)現(xiàn)電容器內(nèi)部故障的保護(hù)。并聯(lián)電容器分成兩組，可以實(shí)現(xiàn)三檔輸出，分別為0，1/2Qc和QC。并聯(lián)電容器采用復(fù)合開關(guān)控制投切，降低了投入涌流，省去了串聯(lián)電抗器，節(jié)約了控制。采用串并聯(lián)回路協(xié)調(diào)控制策略，串、并聯(lián)回路協(xié)調(diào)工作，根據(jù)線路電壓和電流自動(dòng)投切，發(fā)生故障情況下自動(dòng)退出。