煤礦供電系統(tǒng)各種無(wú)功補(bǔ)償方式比較教學(xué)文稿

煤礦供電系統(tǒng)各種無(wú)功補(bǔ)償方式比較二、各種無(wú)功補(bǔ)償方式的比較

1、電能質(zhì)量治理設(shè)備的主要種類(lèi)

表1

上世紀(jì)約20年代上世紀(jì)約50年代上世紀(jì)約70年代上世紀(jì)約80年代上世紀(jì)約90年代無(wú)功補(bǔ)償（無(wú)功功率是引起電壓波動(dòng)、電壓偏差、負(fù)序電流、閃變等問(wèn)題的根本原因）并聯(lián)電容器組補(bǔ)償同步調(diào)相機(jī)接觸器投切電容器（MCC）晶閘管投切電容器（TSC）晶閘管控制電抗器（TCR）靜止型無(wú)功發(fā)生器（SVG）接觸器投切電抗器（MCR）晶閘管投切電抗器（TSR）自飽和電抗器（SR）自換相型補(bǔ)償器（LCC）諧波治理無(wú)源濾波器（FC）有源濾波器（APF）表1列出了幾種主要的電能治理設(shè)備，其中還可衍生出更多種設(shè)備。根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的分類(lèi)，將接觸器投切電容器（MCC）、接觸器投切電抗器（MCR）、自飽和電抗器（SR）、晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管投切電抗器（TSR）、晶閘管控制電抗器（TCR）七種都列為靜止型無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）設(shè)備。目前，在國(guó)內(nèi)國(guó)外煤礦中，主要采用的類(lèi)型是TCR+FC型的SVC設(shè)備，即晶閘管控制電抗器+濾波兼無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。2、TCR型靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)

2.1TCR+FC型SVC設(shè)備的原理設(shè)備由TCR和FC兩部分組成，F(xiàn)C向系統(tǒng)提供固定的容性無(wú)功并濾除高壓母線上的各次諧波；TCR為晶閘管串聯(lián)電抗器裝置，由控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化來(lái)改變晶閘管觸發(fā)角從而向系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)可變的感性無(wú)功。容性無(wú)功和感性無(wú)功的相位相反，二者相加將改變無(wú)功變化量，從而達(dá)到抑制電壓波動(dòng)、提高功率因數(shù)等作用。FC是直掛于高壓母線下多組固定不變的濾波器，其濾波阻抗曲線固定不變，能將負(fù)荷變化過(guò)程產(chǎn)生的變化的諧波有效濾除，達(dá)到國(guó)標(biāo)要求；TCR快速跟蹤負(fù)荷變化（響應(yīng)時(shí)間小于10ms）。圖1TCR+FC型SVC組成示意圖

2.2響應(yīng)速度由圖2可以看出，TCR+FC型SVC設(shè)備動(dòng)態(tài)部分為采用的是晶閘管相控電抗器，榮信生產(chǎn)的SVC設(shè)備采用專(zhuān)用算法及DSP控制芯片等專(zhuān)有技術(shù)，可以保證SVC動(dòng)態(tài)部分的響應(yīng)時(shí)間小于10ms，且為平滑調(diào)節(jié)，足以滿足負(fù)荷動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償快速、精確的要求。2.3諧波的治理TCR+FC型SVC設(shè)備，通過(guò)FC部分設(shè)置與電網(wǎng)特征諧波相同的濾波器對(duì)諧波進(jìn)行濾除。榮信有多套類(lèi)似設(shè)備的諧波治理經(jīng)驗(yàn)，可以有效的治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波。2.4三相不平衡的治理將不對(duì)稱的電流進(jìn)行分解，可以得到正序和負(fù)序電流，其中負(fù)序電流將使電力系統(tǒng)中以負(fù)序電流為起動(dòng)元件的許多保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作。由于負(fù)序及正序的相序相反，注入旋轉(zhuǎn)電機(jī)后產(chǎn)生附加電動(dòng)力，引起振動(dòng)及附加損耗。榮信公司的SVC設(shè)備，采用STEINMETZ理論，可以有效地治理三相不平衡問(wèn)題，減小不平衡度。STEINMETZ理論不僅能夠提高功率因數(shù)，而且具有良好的分相調(diào)節(jié)能力，抑制負(fù)序電流達(dá)70%以上，尤其適合大功率交流電弧爐和大功率交流精煉爐。上述理論成功應(yīng)用于國(guó)華神朔電鐵、江蘇沙鋼集團(tuán)100噸交流電弧爐；寶鋼集團(tuán)上鋼五廠100噸交流電弧爐SVC裝置等，為用戶電能質(zhì)量綜合治理取得了良好的效果。2.5設(shè)備損耗SVC設(shè)備直接安裝在高壓側(cè)，工作電流小，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，TCR型SVC設(shè)備的平均損耗為設(shè)備補(bǔ)償容量的0.2%～0.3%。2.6調(diào)節(jié)特性 TCR+FC型SVC通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來(lái)改變TCR的無(wú)功輸出，而榮信公司的TCR觸發(fā)精度可以小于0.1電角度，所以可以得到線性平滑的無(wú)功輸出。2.7應(yīng)用TCR+FC型SVC設(shè)備廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)、冶金、煤礦、電氣化鐵路等行業(yè)，技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用廣泛，榮信有300余套SVC設(shè)備在以上行業(yè)中運(yùn)行。3、MCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

3.1設(shè)備原理上世紀(jì)60年代由英國(guó)GEC公司制成第一臺(tái)自飽和電抗器型SVC，后期演變?yōu)榭煽仫柡碗娍蛊鳎–SR）型，也可稱為MCR型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。其原理是三相飽和電抗器的工作繞組并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)改變飽和電抗器的直流控制繞組的勵(lì)磁電流，借以改變鐵心的飽和特性，從而改變工作繞組的感抗，達(dá)到改變其所吸收的無(wú)功功率的目的。3.2響應(yīng)速度控制回路時(shí)間常數(shù)大（達(dá)0.2S），動(dòng)態(tài)的響應(yīng)速度慢。3.3損耗可控電抗器在額定負(fù)載時(shí)，鐵芯工作在磁飽和區(qū)域，在這種結(jié)構(gòu)下，磁飽和時(shí)的邊緣效應(yīng)顯著，由于磁閥交替飽和，在磁閥附近鐵芯區(qū)域存在較大的橫向磁場(chǎng)分量，因此增加了電抗器鐵芯和繞組的附加損耗，約為4%～7%。以武鋼熱軋三段為例，其容量為60000KVA，單線圈電阻為0.056歐姆，全載電流為3470A，則直流電阻損耗為：3×I×I×R=3×3470×3470×0.056=2022.9kW為補(bǔ)償容量的3.37%。鐵損和勵(lì)磁損耗與之相當(dāng)，則全載總損耗為6.7%～7%，武鋼就此設(shè)備損耗的統(tǒng)計(jì)值為4%～7%。3.5運(yùn)行噪音大、振動(dòng)大武鋼熱軋三段MCR噪音實(shí)測(cè)達(dá)140分貝。3.6無(wú)功控制范圍小飽和電抗器屬于非線性元件，使得工作繞組的電流不能有效跟隨控制繞組（勵(lì)磁繞組）電流的變化而變化，也即補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率有過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)現(xiàn)象發(fā)生。為了抑制過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)把控制電流限制為鐵心完全飽和時(shí)電流的0.85以下，也就是說(shuō)MCR的無(wú)功控制范圍在0～85%之間，而不是0～100%之間。3.7應(yīng)用MCR型SVC設(shè)備技術(shù)落后，損耗大，應(yīng)用很少?？陀^上講，自飽和電抗器或者可控飽和電抗器的出現(xiàn)是受限于當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展水平。所以在上世紀(jì)70年代中期就被用戶和新技術(shù)的出現(xiàn)淘汰了。4、高壓TSC型SVC

4.1TSC設(shè)備的原理設(shè)備由主回路和控制系統(tǒng)組成，主回路是一般由鐵芯電抗器與電容器組和反并聯(lián)低壓晶閘管串聯(lián)組成可投切的電容器組，反并聯(lián)低壓晶閘管作為投切開(kāi)關(guān)；控制系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)功率因數(shù)高低向晶閘管投切開(kāi)關(guān)發(fā)出投切指令，從而起到提高功率因數(shù)的作用，其理論上響應(yīng)時(shí)間為30ms（超過(guò)一個(gè)周波）。圖3TSC型SVC組成示意圖

4.2電壓波動(dòng)的治理由圖3可以看出，TSC型SVC設(shè)備，動(dòng)態(tài)部分為晶閘管投切電容器組，理論上TSC型的響應(yīng)速度可以達(dá)到30ms，根本無(wú)法達(dá)到電爐快速補(bǔ)償?shù)囊螅ㄈ绻a(bǔ)償設(shè)備響應(yīng)時(shí)間大于25ms，就起不到對(duì)電爐的補(bǔ)償作用），實(shí)際上因?yàn)榈蛪簞?dòng)補(bǔ)（TSC）是晶閘管投切，晶閘管承受電流沖擊能力較差，必須做到無(wú)過(guò)渡投切，這就要求在電網(wǎng)電壓與電容器上的殘余電壓相等時(shí)，瞬間給晶閘管發(fā)出脈沖，做到理論上的無(wú)過(guò)渡投切，但實(shí)際上電網(wǎng)電壓在不斷變化，電容器也在不斷放電，所以無(wú)過(guò)渡投切是不可能的，只能是有過(guò)渡投切，有過(guò)渡投切最終造成晶閘管和電容器壽命縮短或損壞，工程中為了避免設(shè)備損壞，一般采用放電電阻對(duì)電容器組進(jìn)行放電，待電容器組放電結(jié)束后再投入。根據(jù)國(guó)家要求即使采用外放電線圈對(duì)電容器組進(jìn)行放電，對(duì)其的要求是5s內(nèi)降低至25V。實(shí)際上TSC型的電容器組的重新投入時(shí)間約在數(shù)百毫秒，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電爐快速補(bǔ)償?shù)男枰?。另外，TSC的投切是有級(jí)投切，且投切精度主要取決于電容器組的分組數(shù)量，數(shù)量較少的分組，其投切精度是滿足不了礦井提升機(jī)補(bǔ)償精度的要求的。4.3諧波的治理TSC型補(bǔ)償設(shè)備基本不能治理諧波問(wèn)題。它一般串有6%的電抗器，其諧振點(diǎn)在4.08次，這是礦井提升機(jī)含量很少的諧波，我國(guó)原水利電力部提出“當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有諧波源（如整流負(fù)荷）影響到電容器安全運(yùn)行時(shí)，建議在電容器回路中串6%電抗器”，由此可見(jiàn)TSC設(shè)備中的電抗器是防止諧波危害自身設(shè)備，它并不治理諧波，即使串4%、12～13%的電抗器也是防止諧波損壞本身設(shè)備。實(shí)際工程中如果諧波含量較大，TSC型設(shè)備是不適合采用的。TSC的投切組合是以補(bǔ)償無(wú)功功率為首要目標(biāo)的，其多種組合同樣有可能引起并聯(lián)諧振，造成諧波放大，危害設(shè)備。例如湖南漣鋼棒線材廠曾采用過(guò)TSC型設(shè)備，2003年TSC型設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障燒毀，同時(shí)殃及設(shè)備所在10kV母線下所有設(shè)備燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失近3000萬(wàn)元，間接損失近2億元。4.4設(shè)備損耗高壓TSC型SVC與TCR+FC型SVC相比，雖然少了相控電抗器，但是晶閘管的數(shù)量至少增加了一倍。所以綜合來(lái)說(shuō)，兩者的損耗基本相同。一般來(lái)說(shuō)，SVC設(shè)備的平均損耗約為0.3%，高壓TSC型設(shè)備的損耗與之基本相同。4.5調(diào)節(jié)特性只能投入或者切除并聯(lián)電容器組，無(wú)功變化較大，無(wú)法平滑線性調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。4.6應(yīng)用范圍和成功案例高壓型的TSC產(chǎn)品在煤礦行業(yè)基本沒(méi)有成功運(yùn)行范例，低壓型TSC產(chǎn)品在農(nóng)村電網(wǎng)、中小型企業(yè)的局部就地補(bǔ)償有部分應(yīng)用，任何型式的TSC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)補(bǔ)償中尚無(wú)成功運(yùn)行的先例5、自動(dòng)投切并聯(lián)電容器組并聯(lián)電容器組是最早就出現(xiàn)的靜止型無(wú)功補(bǔ)償方式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，一般的并聯(lián)電容器組都是應(yīng)用在負(fù)荷較為平穩(wěn)的場(chǎng)合，由手工進(jìn)行投切，每天的投切次數(shù)不超過(guò)10次。自動(dòng)投切并聯(lián)電容器組則根據(jù)系統(tǒng)所需無(wú)功自動(dòng)進(jìn)行投切操作，其投切次數(shù)可達(dá)每天數(shù)十次，甚至數(shù)百次。其工作特點(diǎn)如下：5.1響應(yīng)速度剛切除后的電容器組，需待放電完全后才能再次投入，至少需要數(shù)十秒以上。5.2損耗只有并補(bǔ)電容器和串聯(lián)電抗器產(chǎn)生損耗，因此損耗非常小。約在0.1%左右。5.3諧波電流不產(chǎn)生也濾波諧波電流。5.4三相不平衡并聯(lián)補(bǔ)償電容器組是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。5.5調(diào)節(jié)特性只能投入或者切除并聯(lián)電容器組，無(wú)功變化較大，無(wú)法平滑線性調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。三、綜合以上對(duì)比，各種補(bǔ)償方式的特點(diǎn)如下表所示。四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕夹g(shù)綜述和各種無(wú)功補(bǔ)償方式的比較，選擇適用于煤礦供配電系統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方案—TCR靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，并就TCR型SVC技術(shù)進(jìn)行了理論分析和研究。并針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行了TCR型SVC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法研究，為煤礦供電系統(tǒng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償探索出一條成功之路。參考文獻(xiàn)

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