節(jié)能，這是國家的重大決策。隨著煤礦的發(fā)展，煤礦技術裝備越來越大，運行狀況越來越復雜化，而功率因數(shù)一般都僅在0.8以下，達不到大于0.9以上的要求。沿革和套用傳統(tǒng)的電容補償方式、遇到了挑戰(zhàn)。本文對目前國內電容補償?shù)闹T多技術方案進行比較分析。提出了應用于煤礦的電容補償?shù)年P鍵問題是：電容器的無功出力必須與負荷變化相匹配的觀點。

 

    一、概述

 

    煤礦工業(yè)的電氣負荷的特點是：

 

    1、隨著采煤技術的發(fā)展，采掘設備配置的單機容量越來越大大，例如：大功率的采掘設備、提升運輸設備、排水設備、抽放設備、壓風設備，這類設備的啟動電流很大，啟動頻繁，啟動時間長，沖擊負荷大，沖擊次數(shù)頻繁。特別是煤礦的通風等抽放設備，主、副井的鉸車采用交-交變頻調速設備或直流調速設備。上述設備均屬重負載、高轉矩的直接啟動，無功沖擊較大，電壓閃變嚴重，并伴隨大量整數(shù)倍和非整數(shù)倍的諧波電流產生，功率因數(shù)低。

 

    2、單機小負荷機組群。例如：選煤廠，綜采、機采工作面。其特點是：非生產班次的負荷幾乎為零，生產班次的負荷，在1～3分鐘內就要求達到最大負荷，特別是選煤廠類。 因此煤礦的電氣負荷變化很大，平均負荷/最大負荷僅為0.3～0.7，最大負荷/最低負荷為3～8倍。短路(容量)電流大，是工作負荷(容量)電流的7.8～18倍左右。運行環(huán)境惡劣，停電時間受到《煤礦安全規(guī)程》的嚴格限制。給電網的供用電造成如下問題：

 

    1.1 無功沖擊產生的不良影響

 

    1) 使供電母線的電壓產生波動，降低機電設備的運行效率。供電母線電壓產生波動時，將使用戶的異步電機類負荷轉矩隨之變化，輸入負荷的有功功率下降，影響生產和設備的出力。

 

    2) 特別是變蘋設備的率與電壓平方成正比，當電壓降低時，大大降低了設備的效率，生產效率下降，同時增加成本。

 

    3) 快速無功沖擊引起母線電壓劇烈波動，嚴重時影響自動化裝置的正常工作，閃變將造成設備的二次啟動，產生比正常運行大十幾倍的電流，危及人身及設備安全。

 

    1.2 低功率因數(shù)將導致如下不良影響

 

    1)根據《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則》的規(guī)定，高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負荷調整電壓裝置的電力用戶，功率因數(shù)應大于0.9以上，否則，用戶將遭受低功率因數(shù)罰款，直接影響企業(yè)的經濟效益。

 

    2)低功率因數(shù)負載從系統(tǒng)吸收大量無功功率，增加了線損和變壓器的損耗。

 

    3)由于供電變壓器同時通過有功功率和大量的無功功率，降低了變壓器的供電能力。 低功率因數(shù)運行的電網，增加了系統(tǒng)的有功功率、無功功率，增加了供用電成本。直接影響企業(yè)的經濟效益。

 

    1.3 諧波電流對電氣設備的危害，

 

    1) 諧波對旋轉電機的影響諧波對旋轉電機的主要影響是產生附加損耗，其 次產生機械振動，噪聲和諧波過電壓。

 

    2) 諧波對供電變壓器的影響諧波對供電變壓器的影響主要是產生附加損耗，溫升增加，出力下降影響絕緣壽命。

 

    3) 諧波對變流裝置的影響交流電壓畸變可能引起不可逆變流設備控制角的時間間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使變流器工作不穩(wěn)定，而對逆變器則可能發(fā)生換流失敗而無法工作，甚至損壞變流設備。

 

    4) 諧波對電纜及并聯(lián)電容器的影響，當產生諧波放大時，并聯(lián)電容器， 將因過電流及過電壓而損壞，嚴重時將危及整個供電系統(tǒng)的安全運行。

 

    5) 諧波對通信產生干擾，使電度計量產生誤差。

 

    6) 諧波對繼電保護自動裝置和計算機等也將產生不良影響。 諧波及無功沖擊導致的電壓波動。嚴重影響用戶本身及電網用電設備的安全運行，降低了供電電網的電能質量。特別是電壓波動超標，引起供電系統(tǒng)電能質量的變化將會對其他動力負荷產生嚴重影響，甚至造成其不能正常工作。必須按電能質量有關標準的規(guī)定，應采取綜合治理措施。

 

    二、電容補償原則及補償方式 電容補償原則

 

    1、減少無功功率的流動、返送，就地補償。

 

    2、分級補償，就地補償與集中補償。

 

    3、防止低負荷時的過補償，(不允許)對電網倒送無功功率。

 

    補償方式

 

    1、靜止無功電容補償

 

    2、同步調相機補償

 

    3、并聯(lián)電容器補償

 

    4、并聯(lián)電抗器補償

 

    5、無功自動調節(jié)—分組分段可控自動調節(jié)方案及固定投入電容器容量，自動調節(jié)電容器兩端的電壓以改變無功電容電流方案

 

    6、動態(tài)無功電容補償

 

    三 方案比較分析及選擇

 

    過去的年代，應用于煤礦的是并聯(lián)電容器方式，不論是就地補償與集中補償，固定電容器容量方式或是靜態(tài)自動、手動調節(jié)電容器容量方式，都是通過改變電容器容量(將電容器分組分段分相安裝布置，運用可控硅技術，自動調節(jié)改變電容器投入的數(shù)量、容量)，或調節(jié)變壓器的電壓分接開關，來實現(xiàn)無功電流量及電壓調節(jié)的，其問題在于：負載調節(jié)特性較差，不能連續(xù)平滑調節(jié)，不能隨負載變化而調節(jié)電容器的無功電流(出力)，特別是在煤礦，平均負荷/最大負荷為0.3～0.75，最大負荷/最低負荷為3～8倍的運行狀況下，欠補償和過補償現(xiàn)象都同時存在，特別是在低負荷時，過補償現(xiàn)象非常嚴重，由于過補償而造成過電壓及對電網倒送無功功率。投切電容器的操作過程會產生嚴重的操作過電壓和合閘涌流，對系統(tǒng)中的高次諧波有放大現(xiàn)象，在諧波電流過大時可能引發(fā)電容器爆炸事故。采用串聯(lián)電抗器的做法又提高了電容器的運行端電壓，同時又需要增加電容器容量來直接補償串聯(lián)電抗器的無功損耗。過電壓和過電流直接影響供電安全及電容器壽命。

 

    現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的無功電容補償方式已顯得落伍了。代之的是無功自動調節(jié)及動態(tài)無功電容補償。按設計的電容器容量，固定接入系統(tǒng)中，電容器分相，但不分組、不分段的技術方案—無功自動調節(jié)，動態(tài)無功電容補償。

 

    無功自動調節(jié)為固定投入電容器容量，按設計容量固定接入系統(tǒng)中。其中無功自動調節(jié)，采用自動調節(jié)電容器兩端的電壓以改變無功電容電流方式。 動態(tài)無功電容補償：動態(tài)無功電容補償為固定投入電容器容量，按設計容量固定接入系統(tǒng)中。晶閘管相控電抗器(TCR)型靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)方式由TCR(并聯(lián)可調電抗器)+FC(補償電容)兩部分組成。其中TCR由DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)、晶閘管功率閥組、相控電抗器、BOD保護模塊等組成，通過晶閘管調整電抗器的電流，從而使TCR回路產生可變感性負載;FC回路由濾波電容器和濾波電抗器組成特定的濾波通道，向系統(tǒng)提供恒定容性無功功率，兼有濾除諧波的作用。

 

    1). 固定電容補償

 

    ①固定無功補償方案是補償無功功率的常規(guī)方法。裝置具有結構簡單、經濟方便等優(yōu)點，其補償無功的容量是設計根據計算的平均負荷大小而確定的，是一個不可調的固定量，通常由電抗器和電容器串聯(lián)組成，其功能主要是補償負荷產生的感性無功，并對三次諧波有一定的抑制作用。一般采用機械開關控制電容器的投切，投切時的沖擊電流和操作過電壓大，易發(fā)生諧振，因此不能頻繁投切。 由于固定補償裝置的補償容量不能隨負荷而變化，“欠補”和“過補”交替發(fā)生，計費方式又為“反轉正計”，使得變電所平均功率因數(shù)達不到0.9的要求，造成力率罰款，并使供電設備的能力不能充分發(fā)揮。 目前我國普遍采用的方案是在變電所設置固定電容并聯(lián)補償。該方案主要問題是在無負荷和輕負荷的區(qū)段，過補償十分突出，投入固定并聯(lián)補償電容后，功率因數(shù)比不投時還低，無法達到經濟功率因數(shù)的要求，變電所因功率因數(shù)大幅下降，而遭受巨額罰款，固定電容器補償還會導致空載時電壓抬升，反而惡化電壓質量。

 

    ②從以上分析結論可知，變電所采用固定補償方案解決不了功率因數(shù)問題，不能隨負荷的無功波動隨機的調節(jié)補償?shù)娜菪詿o功，所以不具備抑制諧波和電壓波動。要解決功率因數(shù)問題，抑制諧波和電壓波動，必須放棄固定補償方案，尋求新的補償方案。

 

    2)靜態(tài)無功補償(FC)

 

    ①靜態(tài)無功補償(FC)的功能是提高功率因數(shù)及濾除諧波，由于FC的補償容量是固定的，一般適合負荷相對比較穩(wěn)定的場合，對于負荷波動比較大的場合，補償效果就很不理想。由于其補償?shù)臒o功容量設計是根據計算的平均負荷大小而確定的，在負荷較小時，造成過補，大量無功倒送，電業(yè)部門對無功的計量是“反轉正計”，所以過補造成功率因數(shù)降低;在負荷較重時，補償容量又不夠，功率因數(shù)同樣不能滿足要求。目前國內，由于FC的設計容量往往偏大，造成FC不能投運或只部分投運的情況不少。

 

    ②由于FC的補償容量固定，當系統(tǒng)無功變化時，不能跟隨調節(jié)，所以FC不能克服電壓波動。

 

    ③由于FC的濾波通道是按系統(tǒng)諧波電流發(fā)生量設置的，當不能全部投入時，必然切去其中某次濾波通道，對于切去的濾波通道相對應的諧波電流不能很好的濾除，達不到諧波治理的要求，而且頻繁的投切濾波器容易形成系統(tǒng)振蕩。

 

    ④投切濾波支路有一個暫態(tài)過程，會產生過電流、過電壓，影響電容器及串聯(lián)電抗器的可靠運行;切除濾波支路時，觸頭上恢復電壓較高，有開關重燃的可能，多次重復擊穿時，電容器上產生很高的過電壓，致使設備損壞。對電容器組的投切沖擊，IEC規(guī)定不超過1000次/年，加之開關壽命的限制，不能頻繁投切，從而影響動態(tài)補償效果。

 

    3) 晶閘管分級投切電容器方案(TSC) 晶閘管分級投切電容器方案這里研究兩個，一是帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案，二是帶降壓變壓器及分接開關的晶閘管投切電容器方案。

 

    1)、帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案 TSC分組可調補償是根據負荷實際運行無功量，按照一定的投切策略跟蹤負荷變化進行投切動作。該方案由若干組并聯(lián)的晶閘管閥組控制，以實現(xiàn)快速無觸點的投切。顯然這種型式的補償裝置只能實現(xiàn)容性無功功率的階躍調節(jié)，其調節(jié)的精度取決于電容器的分組數(shù)。為了提高運行的可靠性，防止電容器和晶閘管損傷，TSC均實現(xiàn)無過渡過程的操作。 TSC技術關鍵 無過渡過程投切電容器，理論上電容器在峰值時導通，在峰值時關斷。晶閘管關斷后，電容器保持峰值電壓值，由于電源電壓隨時變化，電容器電壓也在緩慢地放電，要做到安全、無過渡投切比較困難。具體控制有二種方法：

 

    其一： 在需要投入電容器時，必須檢測電容器的兩端電壓及電網電壓。在電網電壓與電容器兩端電壓相等瞬時，發(fā)出觸發(fā)脈沖;當電容器接成星形時，這時必須有二個晶閘管導通才能構成通路。這種控制方式的難度很大，且電容器兩端電壓為直流，在高壓環(huán)境下，檢測困難，經常產生過渡過程過電壓。嚴重的過度過程產生的振蕩過電壓，將達到電源峰值電壓的兩倍以上，如在低壓側整流變副邊進行補償，過渡過程過電壓必然影響調速系統(tǒng)的安全運行。

 

    其二： 晶閘管關斷后，電容器兩端電壓從峰值電壓，緩慢放電。等電容器兩端電壓放到小于50V時投入電容器，這時是比較安全的，但根據<<高壓并聯(lián)電容器放電線圈標準JB/T8980-1999>>規(guī)定放電時間為5s，電容器投入時必須考慮其放電情況，這樣由于受電容器的放電時間的限制，在工程應用中實際的響應時間一般在3-5分鐘左右。對于無功快速變動的系統(tǒng)是不適用的。

 

    其三：TSC投切的電容器組分組越多，補償效果越好，成本相對提高。且在頻繁投切電容器時，由于阻抗曲線發(fā)生頻繁變化，很有可能產生諧振，造成災害性事故。(如去年湖南漣鋼棒線廠軋鋼系統(tǒng)中采用的TSC裝置，由于產生諧振將TSC裝置及傳動系統(tǒng)全部燒毀，直接經濟損失近3000萬元，間接損失近2億元。) 該方案的特點： 不產生諧波;理論上可以實現(xiàn)過零投切，不會產生像真空開關那樣產生嚴重的過電壓;結構簡單。 2)、帶降壓變壓器及分接開關的晶閘管投切電容器方案 該方案通過降壓調壓變壓器，采用分接開關無載調壓和晶閘管開關的有載分合直接調節(jié)無功元件(濾波器)的無功輸出。 該方案的特點與帶降壓變壓器的晶閘管投切電容器方案相似，但投資更少，只需一組晶閘管開關，但其過分依賴變壓器分接開關，分接開關每天頻繁調節(jié)，其壽命能否有保證還需進一步研究，另外目前國內尚無此類方案運行，需要研究開發(fā)。 3) 無功功率補償裝置(SVC) 晶閘管相控電抗器(TCR)型靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)是目前最先進的一種補償技術，技術含量高，過去以進口產品居多，導致設備造價昂貴，同時，由于普遍采用的復雜的水冷系統(tǒng)，造成可靠性差以及日后的維護費用增加。 近年來，隨著國內需求的高漲，在榮信公司在國家發(fā)改委、國家計委、國家科技部的大力支持下， TCR型動補已逐步實現(xiàn)了國產化，極大地降低了TCR型動補的生產成本;同時，具有自主知識產權的熱管自冷技術已經成功地應用于大功率晶閘管的散熱中，實現(xiàn)了動補的免維護運行，提高了系統(tǒng)可靠性。國內外冶金行業(yè)的電弧爐和軋機系統(tǒng)的大量成功應用也為動補的應用提供了寶貴的經驗，因此，采用TCR型動補裝置來進行無功補償已成為一種比較切實可行的方案。 晶閘管相控電抗器(TCR)型靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)方式由TCR(并聯(lián)可調電抗器)+FC(補償電容)兩部分組成。其中TCR由DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)、晶閘管功率閥組、相控電抗器、BOD保護模塊等組成，通過晶閘管調整電抗器的電流，從而使TCR回路產生可變感性負載;FC回路由濾波電容器和濾波電抗器組成特定的濾波通道，向系統(tǒng)提供恒定容性無功功率，兼有濾除諧波的作用。 根據恒無功功率理論，F(xiàn)C部分產生恒定的容性無功QC;TCR部分產生連續(xù)可變的感性無功QTCR，則進線變壓器提供的無功QN為：QN=QV-QC+QTCR。因此，調節(jié)QTCR就可達到使QN≤某一給出值(常數(shù))，甚至可使QN=0，即從理論上使功率因數(shù)達到1。補償效果好壞的關鍵是準確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過補償電抗器的電流。 裝置特點和優(yōu)點： (1) 可解決供電系統(tǒng)的功率因數(shù)補償、電壓波動和閃變抑制、諧波治理等問題。 (2) 裝置可平滑調節(jié)無功的輸出。 (3) 動態(tài)補償調節(jié)時，設備響應時間<10ms。 (4) 裝置在高壓側直接掛網，不需降壓設備，故自身損耗小。 (5) 在功率晶閘管的散熱中成功地應用熱管自冷技術，實現(xiàn)免維護運行，提高了系統(tǒng)可靠性。 (6) 設計選用的基于DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)的TCR型動態(tài)無功補償裝置是世界先進水平的、成熟、可靠、實用的產品。 (7) 晶閘管觸發(fā)裝置采用光電觸發(fā)，具有較強的抗干擾能力。 (8) 監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化工作站，人機界面友好，方便用戶使用和維護。

 

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