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低压无功功率自动补偿控制器原理及规格

DQZHAN技术讯：低压无功功率自动补偿控制器原理及规格
概述无功功率自动补偿控制器是低压配电系统补偿无功功率的专用控制器，可以与多种等级电压在400V以下型号的静电容屏配套使用。产品具备RS485通讯接口，其所采样得到的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、有功谐波百分量、功率因数、温度可通过通讯接口传送到其它外部设备。
2技术背景随着现代工业的发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些设备在工作时不但要消耗有功功率，同时需要电网向其提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低，而且电力中用的一些大功率变流、变频等电力电子装置大多数功率因素较低，从而造成：
1、增加发电机损耗；
2、影响电网系统电压；
3、影响电网的无功潮流分布；
4、增加电力传输过程中的功率损耗；
在此情况下，开发一种低压无功功率自动补偿控制器提供必要的无功功率，以提高系统的功率因素，降低能耗，改善电网电压质量，合理的投停无功补偿设备，对调整电网电压，提高供电质量，抑制谐波干扰，保证电网**运行都有着十分重要的作用。
3产品工作原理低压无功功率自动补偿控制器采样三相电源中一线电流（如A线）与另外两线的电压（如BC线）之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与设定的投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限以内，则不予动作；若小于投入门限，则另投入一组电容器；若大于切除门限或发现功率因数为负时，则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中，若发现检测到的电压大于设定的过压保护门限，则按组切除所有已投入的电容；当检测到的电压超过设定的过压保护门限的10%时，则一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免系统出现循环投切现象。
由于在三相供电中有不同接线方法，不同的接线方法对功率因数的算法也不一样，因此我们规定ARC系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的A线，电压取自BC间的线电压，同时为减少现场接线的复杂度，我们在程序中对相位进行自动判别。在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc，A线电流为Ia则有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120°)，Uc=Usin(ωt+240°)，从而得到BC间的线电压为Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90°)
若A线负载为纯阻性，则A线电流Ia与A线电压Ua同相，Ia超前Ubc的角度为90°；
若A线负载为感性，则A线电流Ia滞后A线电压Ua角度为φ（0°≤φ≤90°），Ia超前Ubc的角度为90°-φ；
若A线负载为容性，则A线电流Ia超前A线电压Ua角度为φ（0°≤φ≤90°），Ia超前Ubc的角度为90°+φ
在我们的功率因数自动补偿控制仪中，为了计算的方便，我们电流相位的采样为电压采样的**个周期，即若没有相位差Ia滞后Ua的角度为360°。在实际检测中，假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α，根据以上的分析得知：
若180°<α<270°电路为容性负载，COSφ=COS(270°-α)
若α=270°，则电路为纯阻性负载，COSφ=1
若270°<α<360°，则电路为感性负载COSφ=COS(α-270°)
为方便用户接线，若用户将电压Ubc接成了Ucb，或将Ia的输入接反，根据以上的推断，我们同样可得到：
若0°<α<90°，则电路为容性负载，COSφ=COS(90°-α)
若α=90°，则电路为纯阻性负载，COSφ=1
若90°<α<180°，则电路为感性负载COSφ=COS(α-90°)
4产品功能产品符合JB/T9663－1999国家标准��具有功能完善、运行稳定可靠、控制精度高等特点。
●可相序自动识别
●电压、电流、功率因数采样与显示
●过压解除、欠流封锁，从而保护电容器及避免循环投切
●采用先投入的先切除，先切除的先投入的原则，对补偿电容实行循环投切
●所有的工作参数都可以通过面板按键设定，包括投入门限、切除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间
5产品适用环境●海拔高度不超过2500米
●周围环境温度为-25℃~60℃，24小时的平均温度不高于40℃
●空气的相对湿度在25℃时不大于85%，不结露
●周围环境无腐蚀性气体，无导电尘埃，无易燃易爆介质存在
●工作的电网电压波动幅度不得大于±20%
●安装地点无剧烈震动、无雨雪直接侵蚀
6技术规格参数输入信号
a.输入电压额定值：线电压Ubc=380VAC或相电压Ua=220VAC；
过负荷：1.2倍额定值（连续）；2倍额定值/30秒；测量形式：真有效值（True-RMS）；负荷：小于0.2VAb.输入电流
额定值：A线电流AC5A；
过负荷：1.2倍额定值（连续）；10倍/5秒；
测量形式：真有效值（True-RMS）；
输入频率范围
45~65Hz
测量精度
电流、电压、有功功率、功率因数：0.5级；
无功功率、谐波百分量：1级；
频率：0.01Hz；
温度漂移系数：100PPM/℃（0-50℃）
通讯
RS485接口（A、B及公共端）
波特率：2400bps ~19200bps均可设定
MODBUS-RTU 协议
**性
设备耐压，绝缘强度：电源、电压输入回路>2KVAC；
电流回路>2.5KVAC；
输入、输出端对机壳>100兆欧。
电源
220VAC±20%或者380VAC±20%
功耗：≤2W，（静态）
7产品选型（以ARC产品为例）
型号
性能 ARC-□/J(R) ARC-□/J(R)-K ARC-□/J(R)-T ARC-□/J(R)-KT
工作电源交流220V或交流380V
输出控制路数 6、8、10、12路可选
输出类型 J表示继电器输出，R表示晶体管输出
通讯接口 RS485，MODBUS-RTU/Profibus-DP
电压采样 A相电压或BC线电压，输入电压范围交流0-450V
电流采样 A线电流，输入电流范围交流0-5A
开关量输入无 12路外部无源接点无 12路外部无源接点
温度采样与控制无无 PT100采样与继电器控制输出 PT100采样与继电器控制输出
报警输出无 1路继电器输出无 1路继电器输出

注：控制方式，“J”表示输出为继电器，“R”表示输出为晶体管
辅助功能， “T”柜体温度检测功能，“K”开关量输入与报警输出
8产品使用注意事项电压输入
虽然控制器具备自动相序判断功能，但还要尽量确保输入电压与输入电流相对应，即相号和相序一致。电压信号可取自BC线电压或A相电压，但接线方式要做对应的修改。
电流输入
电流取自A线电流，标准额定输入电流为5A，大于5A的情况应使用外部CT；
虽然控制器具备自动相序判断功能，但还要尽量确保输入电压与输入电流相对应，即相号和相序一致。
如果使用的CT上连有其它仪表，接线应采用串接方式；
去除产品的电流输入连线之前，一定要先断开CT一次回路或者短接二次回路！
CT接入
建议使用接线排，不要直接接CT，以便于拆装。
通讯接线
网络电力仪表提供异步半双工RS485通讯接口，采用MODBUS-RTU协议，各种数据讯息均可在通讯线路上传送。在一条线路上可以同时连接多达128个网络电力仪表，每个网络电力仪表均可设定其通讯地址（Addr）。
通讯连接建议使用屏蔽双绞线，线径不小于0.5mm。公共端可不用；若将公共端连接接地，必须采用单端单点接地方式，在末端仪表的AB两端应加120Ω～1kΩ的终端匹配电阻。布线时应使通讯线远离强电电缆或其他强电场环境。
控制器内部的RS485接口未和开关量输入与温度接口隔离，为保护通讯接口与控制器的**，开关量输入接口与温度接口必需与外部其它有源设备绝缘。
主开关量输出
主开关量输出用以控制补偿电容的投切。根据用户的订货需求有6、8、10、12路之分。电容的投切控制有顺序投切、先投先切、手动投切、通讯投切。“顺序投切”适应于每组补偿电容的大小不同，但用户需将每一组补偿电容按大到小的分组原则接线，即电容容量*大的接K1端，*小的接到*后的原则；“先投先切”适应于每组补偿电容的大小一样，此时可用先投先切的方法均衡每组电容的工作时间；“手动投切”主要用于调试阶段，可测试接线与补偿效果，在测量显示方式下，可用左右键来控制电容的切除与投入。“通讯投切”用于远程遥控，此时控制器放弃控制功能而由其它设备通过通讯写控制器的相关内容来进行电容的投切，但保护功能依然有效。
开关量的输入
（需另行配置）
开关量输入外部应采用无源接口，控制器内部自带电压（DC12V）偏置。开关量输入可作为主开关量输出的反馈输入信号，请按主开关量输出的接线对应接到外部中间继电器的辅助触点上。当与对应的主输出节点状态不同时（如主输出已闭合，而对应的开关量输入节点未导通），对应的投切指示灯将闪动，同时报警输出节点闭合。
温度控制接口
（需另行配置）
控制器内部自带转换电路，外部只需连接一只PT100温度探头，一般PT100有三根出线，请将其中两根同种颜色的电线并联，接线不分正反。温度控制输出可控制电容柜的风机，用以对电容进行通风降温。
温度控制在设定温度的上下10%进行，如设定温度为50℃，则控制器将在55℃时闭合温度控制输出节点，一直到温度降为45℃时断开温度节点。请设定合适的温度控制点，以延长补偿电容与通风风机的使用寿命。
在接入温度探头（PT100）前，请确定温度探头的出线与金属外壳间应绝缘良好，否则有可能造成通讯接口的损坏或短路事故。
报警输出节点
（需另行配置）
当开关量输出与反馈信号不一致、输入的检测电压信号大于保护值及在采用单相接线的情况下谐波超过过谐保护值时，报警输出节点（DO14与COM4）闭合。输出接点的外串电压不得大于250VAC（或DC30V)，电流不得大于2A。
9产品应用案例例1：某供电企业给某淀粉厂加装470 kvar低压自动补偿电容柜，设定补偿限值cosj为0.95，小于限值则自动顺序投入电容器组。如功率因数超前，向线路反送无功功率，则开始顺序切除电容器，使功率因数在一个相对稳定的区域保持动态平衡。试机时一次电流1050 A，cosj = 0.7，装置自动投入400 kvar后，功率因数达到1，一次电流变为750 A，电流是补偿前的电流的70%，即减少线路电流30%左右。
例2：某供电企业给某造纸厂加装500 kvar低压自动补偿柜，补偿前功率因数小于0.75，线路电流1300 A，自动补偿到功率因数为0.96后一次电流是1000 A，直观减少线路电流25%左右。
根据电路原理，线路的损耗与负荷电流的平方成正比，线路电流大则损耗大，线路电流减小则线损减少，例1中，补偿前电流为I，补偿后电流大约为0.7×I，根据DP = 3IR，所以补偿后的线路损耗为补偿前线路损耗值的49 %，线路损耗降低了大约51%左右。例2中线路补偿后电流大约是补偿前电流的0.77，所以补偿后的线路损耗大概是补偿前线路损耗的59%。
推算出补偿前后功率因数的变化与线路损耗变化的关系：功率因数提高，降低线损效果明显。
用户低压端无功补偿装置一般按照用户无功负荷的变化自动投切补偿电容器，达到动态控制的目的，可以做到不向高压线路反送无功电能。在配电网中，若各用户低压侧配置了足够的无功补偿装置，则可使配电线路中的无功电流*小，也使配电线路的有功功率损耗*小，这是*理想的效果。另外，线路中的无功电流小，也使线路压降减少，电压波动减少。
由此得出，配电网中的用户端实现无功就地补偿是合理的无功补偿方式，大力推广应用自动控制装置提高线路功率因数，达到动态的管[1-2]理，这是理想的节能降损办法。否则，即使在线路关口处的功率因数很高，也不能有效地降低线路的有功功率损耗。

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