淺談動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在煤礦的推廣與應(yīng)用

戴文琦

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西大同037200）

淺談動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在煤礦的推廣與應(yīng)用

戴文琦

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西大同037200）

介紹了鐵峰煤業(yè)有限公司為消除無功造成的危害，在110 kV變電站安裝了一套有源動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波抑制裝置（SVC），分析了無功補(bǔ)償原理、該裝置的基本性能及應(yīng)用情況。實踐證明，該裝置穩(wěn)定可靠，能夠連續(xù)、平滑、動態(tài)、快速的進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，同時動態(tài)抑制諧波，節(jié)能降耗效果顯著，保證了供電的連續(xù)性、可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)合理性，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益可觀，可在煤礦大規(guī)模推廣應(yīng)用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

煤礦變電站；有源動態(tài)無功補(bǔ)償；諧波抑制；SVC

大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司是一座現(xiàn)代化特大型礦井，建設(shè)產(chǎn)能規(guī)模為1 000萬t。由于鐵峰煤礦選用了大量的變頻控制及直流拖動系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流對電源質(zhì)量造成污染。為消除諸多大功率變頻、直流設(shè)備產(chǎn)生的諧波及無功沖擊，減少無功能耗，鐵峰煤礦在110 kV變電站安裝了一套有源動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理裝置（SVC），在10 kV高壓側(cè)集中進(jìn)行無功補(bǔ)償。與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置相比，SVC具有調(diào)節(jié)速度快和無級可調(diào)的特點，其還具有運(yùn)行范圍寬、占地面積小、運(yùn)行成本低、使用壽命長及可靠性高、免維護(hù)等特點，是動態(tài)無功補(bǔ)償及諧波治理裝置的發(fā)展方向。鐵峰煤業(yè)經(jīng)過兩年的運(yùn)行，證明了該裝置穩(wěn)定可靠，可在煤礦大規(guī)模推廣應(yīng)用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 無功帶來的危害

近年來，隨著鐵峰煤業(yè)有限公司電動機(jī)軟啟動及變頻器在電氣傳動控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用和容量的不斷增加，極大地影響了電網(wǎng)的運(yùn)行和效率，同時也影響到該公用電網(wǎng)中運(yùn)行的其他電氣設(shè)備。電氣傳動自動化裝置是由電力電子器件構(gòu)成的，而電力電子器件具有非線性和波形非正弦的特點，因而在電源側(cè)（網(wǎng)側(cè)）的電流既含有基波，又包含有其它的諧波，在啟動過程中，無功沖擊較大，會使電網(wǎng)電壓發(fā)生較大的波動，給電網(wǎng)和其他用電設(shè)備帶來的危害越來越大。所以，在設(shè)計或安裝大型電氣智能化控制系統(tǒng)時，必須考慮諧波治理和功率因數(shù)及無功功率補(bǔ)償問題。

綜上所述，電氣智能化控制系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：大功率電氣設(shè)備啟動時，無功沖擊非常大，電網(wǎng)中平均功率因數(shù)偏低，電網(wǎng)中有諧波電流存在。

1）無功沖擊會造成以下幾方面的影響。

a）無功沖擊使變電站供電母線的電壓產(chǎn)生波動，從而影響電氣設(shè)備的運(yùn)行效率。

b）電網(wǎng)中存在大量無功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)較低，大量能源被無端消耗。一般變流設(shè)備的自然功率因數(shù)只有0.7左右，直接影響供配電系統(tǒng)利用率，導(dǎo)致用電單位電費(fèi)支出增加，增大生產(chǎn)成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。

2）電網(wǎng)中存在的諧波電流對煤礦電氣設(shè)備的危害。

a）供電變壓器存在諧波電流的危害。

供電變壓器在運(yùn)行過程中存在諧波電流，主要會產(chǎn)生附加損耗，溫度升高，出力下降，絕緣降低，縮短使用壽命。

b）旋轉(zhuǎn)電機(jī)存在諧波電流的危害。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)中存在諧波電流，主要會產(chǎn)生附加損耗，機(jī)械振動增大，噪聲增強(qiáng)，同時也會產(chǎn)生諧波過電壓。

c）電纜及并聯(lián)電容器存在諧波的危害。

電力電纜以及并聯(lián)電容器中諧波增大時，會因產(chǎn)生的過電流和過電壓使電容器損壞，甚至危及整個供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

通過以上分析，變流設(shè)備產(chǎn)生的大量諧波電流和無功沖擊會對用電單位、公共電網(wǎng)等造成較嚴(yán)重的電壓波動和諧波污染。這不僅降低用電單位效率，同時嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，還會對公共電網(wǎng)的其它用電設(shè)備造成危害，因此，在煤礦變電站安裝無功動態(tài)補(bǔ)償裝置有著十分重要的意義。

圖1 簡單的負(fù)荷連接示意圖

圖2 帶有可調(diào)相控電抗器無功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)示意圖

2 無功補(bǔ)償原理分析

1）鐵峰110 kV變電站用戶負(fù)荷吸收有功功率PL和無功功率QL。簡單的負(fù)荷連接示意圖見圖1。

在煤礦電網(wǎng)中，電源提供有功功率PS和無功功率QS，如果忽略變壓器本身損耗和電網(wǎng)線路損耗，則有PS=PL，QS=QL。電網(wǎng)在沒有無功吸收的情況下存在以下幾個問題：

a）煤礦電網(wǎng)將從遠(yuǎn)端傳送無功。

b）電氣設(shè)備的無功沖擊將直接影響本地電網(wǎng)和上級電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

由此可見，煤礦對用電負(fù)荷進(jìn)行必要的無功補(bǔ)償能有效地提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，從而提高功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，對煤礦企業(yè)的合理高效供用電有著十分重要的意義。

2）鐵峰110 kV變電站運(yùn)用可調(diào)電抗器補(bǔ)償無功。帶有可調(diào)相控電抗器無功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)示意圖見圖2。

鐵峰110 kV變電站有效地運(yùn)用可調(diào)電抗器動態(tài)補(bǔ)償無功功率，系統(tǒng)先將負(fù)荷的最大感性無功用電容進(jìn)行補(bǔ)償，假設(shè)負(fù)荷消耗感性無功QL，負(fù)荷的最大感性無功為Qlmax，則若取QC=Qlmax，即系統(tǒng)先將負(fù)荷的最大感性無功用電容補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)荷變化時，電容與負(fù)載共同產(chǎn)生一個容性無功沖擊，QP=QC-QL，這時，用一個可調(diào)電抗（電感）來產(chǎn)生相對應(yīng)的感性無功QB，抵消容性無功沖擊，這樣在負(fù)荷波動過程中，就可以保證：QS=QC-QB-QL=0。

鐵峰110 kV變電站通過運(yùn)用可調(diào)電抗器補(bǔ)償無功，功率因數(shù)由原來的0.82提高到0.97，效果顯著。

3）運(yùn)用FC濾波器有效地抑制諧波。

鐵峰110 kV變電站運(yùn)用FC濾波器有效地抑制諧波。濾波器接線原理圖見圖3，圖3中電阻R為系統(tǒng)中電感等效電阻，阻值非常??；電感L的電感值也較小，所以整個系統(tǒng)中濾波器發(fā)出的無功呈容性。對于整個濾波器進(jìn)行分析，濾波器對n次諧波（ωn=nωs）的阻抗為：Zfn=Rfn+j（nωsL-1/nωsC），式中，fn表示第n次單諧調(diào)濾波器，得出的濾波器阻抗隨頻率變化的曲線見圖4，從而系統(tǒng)可達(dá)到抑制諧波的目的。

圖3 濾波器接線原理圖

3 設(shè)計方案

設(shè)計參數(shù)：鐵峰煤礦（含選煤廠）電力總負(fù)荷

總有功功率：42 860 kW，總無功功率：33 967.73 kVar，功率因數(shù)：0.95，無功補(bǔ)償總?cè)萘浚?×10 000kVar，補(bǔ)償后無功功率：13 967.7 kVar，視在功率：45 078.6 kVa，全礦年耗電量：180 012 000 kWh，噸煤電耗：18.0 kWh/3.1。

主變參數(shù)額定容量：31 500 kVA

數(shù)量：2臺

運(yùn)行方式：單母分段，一用一備

110 kV母線最大短路容量：3 058 MVA

10 kV母線最大短路容量：451 MVA

補(bǔ)償容量計算:

根據(jù)計算，10 kV母線上設(shè)計安裝1套SVC-10/ 10000、14 000 kVar、TCR+FC型SVC高壓動態(tài)無功補(bǔ)償及諧波治理成套裝置，TCR容量為10 MVar，濾波器基波有效補(bǔ)償容量14 MVar。

圖4 濾波器阻抗隨頻率變化的曲線圖

4 SVC的組成

SVC由TCR及FC濾波器兩大部分組成。

1）TCR裝置。

TCR裝置主回路晶閘管元件的選用，應(yīng)留有足夠的電壓、電流裕度，當(dāng)每相有1只元件發(fā)生故障時裝置仍能正常運(yùn)行，元件應(yīng)有良好的dv/dt，di/dt特性，晶閘管元件選用優(yōu)質(zhì)原裝進(jìn)口產(chǎn)品，晶閘管閥組采用單元結(jié)構(gòu)，要求開通及關(guān)斷的一致性好，并同時具備以下保護(hù)：

a）阻容保護(hù)。

為了對晶閘管換向過電壓的吸收，同時能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)的均壓作用，反并聯(lián)晶閘管的每一組兩端并阻容器件，使各相的每只晶閘管上的電壓差<5%，實現(xiàn)對晶閘管的保護(hù)作用，保障晶閘管不會發(fā)生擊穿或損壞。

b）晶閘管擊穿保護(hù)。

晶閘管擊穿信號由光纖將擊穿信號傳至控制柜，同時送出本地及遠(yuǎn)程的報警信號。當(dāng)每一相擊穿的晶閘管超過1只時，應(yīng)封鎖脈沖并同時送出分?jǐn)喔邏洪_關(guān)的信號。

c）丟脈沖保護(hù)。

一相脈沖丟失時將引起相控電抗器三相電流不平衡。每相中的正向或反向脈沖丟失時，將引起相控電抗器中電流為直流，使晶閘管閥及相抗電抗器嚴(yán)重過載，所以，一旦出現(xiàn)丟脈沖時控制系統(tǒng)應(yīng)能立即封鎖脈沖，同時給出本地及遠(yuǎn)方報警信號。

d）晶閘管采用光電觸發(fā)方式。

2）電抗器采用晶閘管相控技術(shù)。

a）電抗器接成三角形接法，晶閘管串在電抗器中間實現(xiàn)對每一項進(jìn)行相控，電抗器分為兩部分接在晶閘管的上面和下面，兩部分電感值相等。

b）相控電抗器的安裝位置：戶外。

3）FC裝置。

a）FC裝置的安裝位置：戶外。

b）濾波電抗器?？招摹X導(dǎo)體電抗器，電感值制造偏差<1%，具有不小于±5%無級平滑調(diào)節(jié)范圍，方便調(diào)節(jié)，絕緣水平：B級絕緣。

c）濾波電容器。應(yīng)采用全膜介質(zhì)，電容器的溫度系數(shù)的絕對值應(yīng)不超過5×10-4/K，電容器的損耗角正切值需滿足：≤0.000 5，對電容器外殼的要求是：耐爆裂能量≥12 kJ。

電容器應(yīng)在每臺內(nèi)附放電電阻及內(nèi)熔絲保護(hù)；應(yīng)采用對環(huán)境和人體無害的產(chǎn)品。

4）SVC系統(tǒng)。

a）SVC系統(tǒng)必須具備通訊功能。

b）SVC控制系統(tǒng)必須具備事故記錄、就地和遠(yuǎn)方事故聲光報警和事故打印功能。

c）在系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下，所設(shè)計的濾波器不能與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振和諧波放大，應(yīng)由計算機(jī)仿真程序計算來證明。

d）必須采用DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)，具有自診斷和多種故障指示功能。

e）晶閘管散熱器必須采用高效自冷散熱裝置，投標(biāo)方應(yīng)承諾，在SVC裝置正常使用壽命期間內(nèi)，散熱系統(tǒng)完全免維護(hù)。

5 SUV應(yīng)用情況

鐵峰110 kV變電站動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SUV）設(shè)計滿足國家及行業(yè)規(guī)程規(guī)范的要求，設(shè)備選型先進(jìn)，整體布局合理、緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。該裝置能夠連續(xù)、平滑、動態(tài)、快速地進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，同時動態(tài)抑制諧波，并能進(jìn)行不對稱負(fù)荷平衡補(bǔ)償，節(jié)能降耗效果顯著，保證了供電的連續(xù)性、可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)合理性等，可為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益可觀，推廣應(yīng)用前景廣闊。

Popularization and Application of Dynamic Reactive Power Compensation Device in Coal Mine

Dai Wen-qi

Introduces Tiefeng coal co.，LTD installed a set of active dynamic reactive power compensation and harmonic suppression device（SVC）in 110 kV substation to eliminate the damage of reactive.Analyze the reactive power compensation principle，fundamental characteristics and application situation of the device.The practice proves that the device is stable and reliable，can continuous，smooth，dynamic，fast to compensate the reactive power and dynamic suppress harmonics.Energy saving effect is remarkable.Ensure the continuity，reliability and quality of power supply.Economic and social benefit is considerable.Large-scale popularization and application in coal mine have a broad application prospect.

Coal mine substation；Active dynamic reactive power compensation;Harmonic suppression;SVC

TD63

B

1672-0652（2014）11-0010-03

2014-10-26

戴文琦（1974—），男，山西繁峙人，1993年畢業(yè)于山西省機(jī)械工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作（E-mail）18635999056@126.com