夏 凱

SVC型高壓無功動態(tài)補償裝置在礦井中的應用

夏 凱①

(淮南礦業(yè)集團望峰崗礦井)

望峰崗礦井采用SVC型高壓無功動態(tài)濾波補償裝置,實現(xiàn)無沖擊動態(tài)無功補償,提高功率因數(shù)、科學治理諧波。介紹了該礦通過在10 k V母線側并聯(lián)相控電抗器的無功補償電容組濾除了高次諧波,功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95。

礦井供電;功率因數(shù);濾波;無功補償

現(xiàn)代化礦井使用大量的電機,無功功率很大,特別是立井提升機采用晶閘管電控系統(tǒng)(SCR-D),在啟動時,無功沖擊更大,引起電網(wǎng)電壓發(fā)生波動,同時晶閘管整流器等產(chǎn)生大量的高次諧波。

為了有效的補償無功功率(特別是沖擊性無功)和濾除高次諧波,使電壓和電流回歸正弦波,礦井采用在10 kV側安裝無功動態(tài)濾波補償裝置,它可以向系統(tǒng)提供容性無功,提高功率因數(shù),同時又能有效濾除高次諧波,平衡三相電網(wǎng)。

1 功率因數(shù)問題

礦井提升機的晶閘管電控系統(tǒng)具有調(diào)速平穩(wěn)準確、效率高、容易維護、可引入計算機監(jiān)控等優(yōu)點。相當于一個感性負載,隨著控制角的改變,其功率因數(shù)也會發(fā)生變化。即使晶閘管裝置副邊接的是純電阻,也具有感性特征。晶閘管電路的功率因數(shù)通常較低。同時,礦井井下大量感性電動機的使用,也使礦井的無功功率變低。因此,需要進行無功補償。

2 沖擊電壓降問題

大型負載起動時,需較多的無功功率,如電網(wǎng)容量較小,則會發(fā)生電壓降落。周期性重復起動,會造成電壓波動,甚至出現(xiàn)“閃變”。電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性是衡量電網(wǎng)電壓質(zhì)量的一個重要條件,而電壓波動的允許值是與其出現(xiàn)的頻度有關,我國于2000年頒布了《電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變》(GB12326-2000)國家標準。對于礦井提升機這類負載,電壓波動一般不大于5%

3 對諧波的抑制

由于大量使用以晶閘管為主要開關器件的整流及變頻設備,這些設備都是大量產(chǎn)生諧波的發(fā)源地。電容器直接補償容易引起諧波放大,造成電器元件損害受到諧波的危害,必須要濾除高次諧波,使電壓和電流回歸正弦波?；茨系V業(yè)集團望峰崗礦通過在10 kV母線側并聯(lián)相控電抗器的無功補償電容組來濾除高次諧波。

4 補償裝置容量的確定

望峰崗礦井2臺主變?nèi)萘繛?0 000 k VA。當?shù)V井有功功率即礦井計算負荷無法統(tǒng)計出來,有一種粗略計算方法：

式中：

S—單臺變壓器滿負載容量;

cos Q1—補償前自然功率因數(shù),取0.82;

cos Q—補償后功率因數(shù),取0.95。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗,一般按變電所主變總容量(40 000 kVA)的10%～30%來確定無功補償裝置的容量?？紤]到變電所2臺變壓器同時運行,另一臺變壓器運行容量為60%,則總容量(S)為64 000 k VA。故并聯(lián)電容器的容量為6 400～19 000 k Var。綜合以上原因,電容器容量取14 000 kVar。

5 補償裝置安裝后的增容量

在選定電容器容量后,可以對比看出安裝動態(tài)無功功率補償前后的差別。

安裝動態(tài)無功補償前的視在電流：

安裝動態(tài)無功補償前的有功電流：

安裝動態(tài)無功補償后視在電流降低：

6 SVC型高壓無功動態(tài)補償裝置的工作原理

SVC稱為“靜止型動態(tài)無功補償器”,主要用于補償用戶母線上的無功功率,這是通過無功功率來實現(xiàn)的。用Qs表示系統(tǒng)總無功功率,Qv為用戶負荷的無功功率,Qtcr為晶閘管控制電控的無功功率,Qc為電容器無功功率,上述平衡過程可以用公式來表達:Qs=Qv+Qtcr-Qc=常數(shù)=0。無功補償原理示意圖,見圖1。

安裝動態(tài)無功補償后的增容量：

圖1 無功補償原理示意圖

如圖1所示,A為系統(tǒng)工作點。負荷工作時產(chǎn)生感性無功Qv,補償裝置中的電容器組提供固定的容性無功Qc,一般情況下后者大于前者,多余的容性無功由TCR平衡。當用戶負荷Qv變化時,SVC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié) TCR電流改變Qtcr值,實時抵消負荷無功,動態(tài)維持系統(tǒng)的無功平衡。

7 三相不平衡負荷的調(diào)節(jié)方法

對于不對稱負荷,采用分相調(diào)節(jié)。TCR相當于一個可調(diào)電納,利用 STEINMETZ分相調(diào)節(jié)理論,SVC能夠將負荷補償為純有功的三相平衡系統(tǒng)。該礦SVC控制系統(tǒng)主要采用補償電納,公式如下：

式中：

Brab、Brbc、Brca—分別為 △形連接的補償電控器電納值;

U—系統(tǒng)電壓有效值;

uab、ubc、uca—系統(tǒng)線電壓瞬時值;

ia(l)、ib(l)、ic(l)—系統(tǒng)電流瞬時值;

T—采樣周期,為10 ms;

8 SVC控制系統(tǒng)組成

SVC控制系統(tǒng)由控制柜、脈沖柜和功率單元三部分組成。

控制柜主要是采集現(xiàn)場的電壓、電流信號,計算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖,同時監(jiān)測晶閘管運行狀況。

脈沖柜主要是將脈沖轉換為符合要求的脈沖信號,實現(xiàn)觸發(fā)。

功率單元由晶閘管、阻容吸收、熱管散熱器、脈沖變壓器、BOD板和擊穿檢測板六部分組成,串入電控器回路,在脈沖信號控制下操縱晶閘管導通,使電抗器流過預期的補償電流。

9 SVC型補償裝置的特點

SVC補償裝置特點如下：

1)在10 kV母線設置一套晶閘管相控電抗器TCR,容量為 14 MVar;同時設置 H3、H5、H7、H11、H13等5個濾波通道。其中 H3安裝容量為3 720 k Var、H5安裝容量為3 720 k Var、H7安裝容量為3 360 kVar、H11安裝容量為 3 360 kVar、H13 安裝容量為5 040 kVar。

2)SVC裝置連接在10 kV母線上,SVC中的TCR、H3 H5、H7 H11、H13通道分別采用1個開關供電,共4臺開關柜。見圖2。

3)TCR為三角型接線;H3、H5、H7、H11、H13為雙星型接線;H3 H5、H7 H11、H13通道分別為濾除 3次、5次、7次、11次、13次諧波。

4)SVC采用高可靠的可控硅閥技術,標準組架式結構,高效熱管冷卻和全密閉純水冷卻,光電觸發(fā)和光觸發(fā)。

5)采用世界最先進的光控晶閘管技術,具有觸發(fā)功率小、BOD保護效果好、EMI抗電磁干擾性強、外圍電路少、壽命長等特點 。

圖2 望峰崗礦井無功動態(tài)濾波補償裝置圖示意圖

10 補償裝置操作順序、聯(lián)鎖關系及保護配置

1)合閘順序：先合相控電抗器開關,再依次合H3 H5、H7 H11、H13開關;分閘順序：先分 H13開關;再依次分 H7 H11開關、H3 H5開關、相控電抗器開關。

2)合閘條件：相控電抗器開關柜的合閘條件為SVC控制柜給出合閘允許信號。濾波器各個通道(H3～H13)的合閘必備條件為：相控電抗器合閘后,較低次濾波通道再合閘。

3)當保護動作跳閘時跳閘順序：相控電抗器開關,再依次跳 H3 H5、H7 H11、H13開關 ,即相控電抗器開關跳閘時,全部濾波通道隨之跳閘。當某次濾波通道跳閘時,高于該次的濾波通道也隨之跳閘。

4)相控電抗器開關柜設速斷、過流;濾波器高壓開關柜設置速斷、過流、過壓、失壓保護;5組濾波通道各設1臺綜保裝置,設有速斷、過流、過壓、失壓,差流保護。

11 結 論

本文主要論述了SVC型動態(tài)無功補償裝置在礦井中的應用,給出了補償容量的確定方法,介紹了裝置的原理、優(yōu)點和設備在實際應用中的操作順序。

望峰崗礦自無功動態(tài)補償裝置投運以來,產(chǎn)品運行穩(wěn)定,其能隨負載的變化而實現(xiàn)快速精確調(diào)節(jié),穩(wěn)定母線電壓,抑制了無功沖擊以及大量的高次諧波,提高了礦井功率因數(shù)并穩(wěn)定在0.95。

[1] 王兆安,楊 君.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998：15-18.

[2] 張崇勝.孤立網(wǎng)運行的穩(wěn)定性分析[J].發(fā)電設備,2004(4)：202-204.

[3] 王一鳴.10 kV動態(tài)無功補償裝置的研究[J].中國科技信息,2005,(24)3：10-12.

[4] 孫頻東.靜止無功補償系統(tǒng)的研制[J].南京師范大學學報,2002,(2)1：18-21.

[5] 李欣然.負荷特性對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響及靜態(tài)電壓穩(wěn)定性廣義實用判據(jù)[J].中國電機工程學報,1999(4)：26-30.

[6] 孫元章.靜止無功補償器對電壓穩(wěn)定性的影響[J].中國電機工程學報,1997(6)：373-376.

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1672-0652(2010)增刊-0004-03

夏 凱 男 1981年出生 2006年畢業(yè)于安徽理工大學 助理工程師 淮南 232001

2010-05-18