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

 

    一、概述

 

    煤礦工業(yè)的電氣負(fù)荷的特點(diǎn)是：

 

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

 

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

 

    1.1 無功沖擊產(chǎn)生的不良影響

 

    1) 使供電母線的電壓產(chǎn)生波動，降低機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行效率。供電母線電壓產(chǎn)生波動時，將使用戶的異步電機(jī)類負(fù)荷轉(zhuǎn)矩隨之變化，輸入負(fù)荷的有功功率下降，影響生產(chǎn)和設(shè)備的出力。

 

    2) 特別是變蘋設(shè)備的率與電壓平方成正比，當(dāng)電壓降低時，大大降低了設(shè)備的效率，生產(chǎn)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(yán)重時影響自動化裝置的正常工作，閃變將造成設(shè)備的二次啟動，產(chǎn)生比正常運(yùn)行大十幾倍的電流，危及人身及設(shè)備安全。

 

    1.2 低功率因數(shù)將導(dǎo)致如下不良影響

 

    1)根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》的規(guī)定，高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶，功率因數(shù)應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。

 

    2)低功率因數(shù)負(fù)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(yùn)行的電網(wǎng)，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(jīng)濟(jì)效益。

 

    1.3 諧波電流對電氣設(shè)備的危害，

 

    1) 諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要影響是產(chǎn)生附加損耗，其 次產(chǎn)生機(jī)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(chǎn)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(shè)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(shè)備。

 

    4) 諧波對電纜及并聯(lián)電容器的影響，當(dāng)產(chǎn)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(yán)重時將危及整個供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

 

    5) 諧波對通信產(chǎn)生干擾，使電度計量產(chǎn)生誤差。

 

    6) 諧波對繼電保護(hù)自動裝置和計算機(jī)等也將產(chǎn)生不良影響。 諧波及無功沖擊導(dǎo)致的電壓波動。嚴(yán)重影響用戶本身及電網(wǎng)用電設(shè)備的安全運(yùn)行，降低了供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量。特別是電壓波動超標(biāo)，引起供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的變化將會對其他動力負(fù)荷產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至造成其不能正常工作。必須按電能質(zhì)量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)采取綜合治理措施。

 

    二、電容補(bǔ)償原則及補(bǔ)償方式 電容補(bǔ)償原則

 

    1、減少無功功率的流動、返送，就地補(bǔ)償。

 

    2、分級補(bǔ)償，就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償。

 

    3、防止低負(fù)荷時的過補(bǔ)償，(不允許)對電網(wǎng)倒送無功功率。

 

    補(bǔ)償方式

 

    1、靜止無功電容補(bǔ)償

 

    2、同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償

 

    3、并聯(lián)電容器補(bǔ)償

 

    4、并聯(lián)電抗器補(bǔ)償

 

    5、無功自動調(diào)節(jié)—分組分段可控自動調(diào)節(jié)方案及固定投入電容器容量，自動調(diào)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(bǔ)償

 

    三 方案比較分析及選擇

 

    過去的年代，應(yīng)用于煤礦的是并聯(lián)電容器方式，不論是就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償，固定電容器容量方式或是靜態(tài)自動、手動調(diào)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(yùn)用可控硅技術(shù)，自動調(diào)節(jié)改變電容器投入的數(shù)量、容量)，或調(diào)節(jié)變壓器的電壓分接開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)無功電流量及電壓調(diào)節(jié)的，其問題在于：負(fù)載調(diào)節(jié)特性較差，不能連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，不能隨負(fù)載變化而調(diào)節(jié)電容器的無功電流(出力)，特別是在煤礦，平均負(fù)荷/最大負(fù)荷為0.3～0.75，最大負(fù)荷/最低負(fù)荷為3～8倍的運(yùn)行狀況下，欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償現(xiàn)象都同時存在，特別是在低負(fù)荷時，過補(bǔ)償現(xiàn)象非常嚴(yán)重，由于過補(bǔ)償而造成過電壓及對電網(wǎng)倒送無功功率。投切電容器的操作過程會產(chǎn)生嚴(yán)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(yùn)行端電壓，同時又需要增加電容器容量來直接補(bǔ)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的無功電容補(bǔ)償方式已顯得落伍了。代之的是無功自動調(diào)節(jié)及動態(tài)無功電容補(bǔ)償。按設(shè)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(shù)方案—無功自動調(diào)節(jié)，動態(tài)無功電容補(bǔ)償。

 

    無功自動調(diào)節(jié)為固定投入電容器容量，按設(shè)計容量固定接入系統(tǒng)中。其中無功自動調(diào)節(jié)，采用自動調(diào)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(bǔ)償：動態(tài)無功電容補(bǔ)償為固定投入電容器容量，按設(shè)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(bǔ)償裝置(SVC)方式由TCR(并聯(lián)可調(diào)電抗器)+FC(補(bǔ)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(hù)模塊等組成，通過晶閘管調(diào)整電抗器的電流，從而使TCR回路產(chǎn)生可變感性負(fù)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(bǔ)償

 

    ①固定無功補(bǔ)償方案是補(bǔ)償無功功率的常規(guī)方法。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，其補(bǔ)償無功的容量是設(shè)計根據(jù)計算的平均負(fù)荷大小而確定的，是一個不可調(diào)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(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)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(jī)械開關(guān)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(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量不能隨負(fù)荷而變化，“欠補(bǔ)”和“過補(bǔ)”交替發(fā)生，計費(fèi)方式又為“反轉(zhuǎn)正計”，使得變電所平均功率因數(shù)達(dá)不到0.9的要求，造成力率罰款，并使供電設(shè)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(shè)置固定電容并聯(lián)補(bǔ)償。該方案主要問題是在無負(fù)荷和輕負(fù)荷的區(qū)段，過補(bǔ)償十分突出，投入固定并聯(lián)補(bǔ)償電容后，功率因數(shù)比不投時還低，無法達(dá)到經(jīng)濟(jì)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(bǔ)償還會導(dǎo)致空載時電壓抬升，反而惡化電壓質(zhì)量。

 

    ②從以上分析結(jié)論可知，變電所采用固定補(bǔ)償方案解決不了功率因數(shù)問題，不能隨負(fù)荷的無功波動隨機(jī)的調(diào)節(jié)補(bǔ)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(bǔ)償方案，尋求新的補(bǔ)償方案。

 

    2)靜態(tài)無功補(bǔ)償(FC)

 

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

 

    ②由于FC的補(bǔ)償容量固定，當(dāng)系統(tǒng)無功變化時，不能跟隨調(diào)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(shè)置的，當(dāng)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(yīng)的諧波電流不能很好的濾除，達(dá)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(chǎn)生過電流、過電壓，影響電容器及串聯(lián)電抗器的可靠運(yùn)行;切除濾波支路時，觸頭上恢復(fù)電壓較高，有開關(guān)重燃的可能，多次重復(fù)擊穿時，電容器上產(chǎn)生很高的過電壓，致使設(shè)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(guān)壽命的限制，不能頻繁投切，從而影響動態(tài)補(bǔ)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(guān)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(diào)補(bǔ)償是根據(jù)負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行無功量，按照一定的投切策略跟蹤負(fù)荷變化進(jìn)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(shí)現(xiàn)快速無觸點(diǎn)的投切。顯然這種型式的補(bǔ)償裝置只能實(shí)現(xiàn)容性無功功率的階躍調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的精度取決于電容器的分組數(shù)。為了提高運(yùn)行的可靠性，防止電容器和晶閘管損傷，TSC均實(shí)現(xiàn)無過渡過程的操作。 TSC技術(shù)關(guān)鍵 無過渡過程投切電容器，理論上電容器在峰值時導(dǎo)通，在峰值時關(guān)斷。晶閘管關(guān)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(wǎng)電壓。在電網(wǎng)電壓與電容器兩端電壓相等瞬時，發(fā)出觸發(fā)脈沖;當(dāng)電容器接成星形時，這時必須有二個晶閘管導(dǎo)通才能構(gòu)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(jīng)常產(chǎn)生過渡過程過電壓。嚴(yán)重的過度過程產(chǎn)生的振蕩過電壓，將達(dá)到電源峰值電壓的兩倍以上，如在低壓側(cè)整流變副邊進(jìn)行補(bǔ)償，過渡過程過電壓必然影響調(diào)速系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

 

    其二： 晶閘管關(guān)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(jù)<<高壓并聯(lián)電容器放電線圈標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用中實(shí)際的響應(yīng)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(bǔ)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(chǎn)生諧振，造成災(zāi)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(chǎn)生諧振將TSC裝置及傳動系統(tǒng)全部燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失近3000萬元，間接損失近2億元。) 該方案的特點(diǎn)： 不產(chǎn)生諧波;理論上可以實(shí)現(xiàn)過零投切，不會產(chǎn)生像真空開關(guān)那樣產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓;結(jié)構(gòu)簡單。 2)、帶降壓變壓器及分接開關(guān)的晶閘管投切電容器方案 該方案通過降壓調(diào)壓變壓器，采用分接開關(guān)無載調(diào)壓和晶閘管開關(guān)的有載分合直接調(diào)節(jié)無功元件(濾波器)的無功輸出。 該方案的特點(diǎn)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(guān)，但其過分依賴變壓器分接開關(guān)，分接開關(guān)每天頻繁調(diào)節(jié)，其壽命能否有保證還需進(jìn)一步研究，另外目前國內(nèi)尚無此類方案運(yùn)行，需要研究開發(fā)。 3) 無功功率補(bǔ)償裝置(SVC) 晶閘管相控電抗器(TCR)型靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)是目前最先進(jìn)的一種補(bǔ)償技術(shù)，技術(shù)含量高，過去以進(jìn)口產(chǎn)品居多，導(dǎo)致設(shè)備造價昂貴，同時，由于普遍采用的復(fù)雜的水冷系統(tǒng)，造成可靠性差以及日后的維護(hù)費(fèi)用增加。 近年來，隨著國內(nèi)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(bǔ)已逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，極大地降低了TCR型動補(bǔ)的生產(chǎn)成本;同時，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱管自冷技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于大功率晶閘管的散熱中，實(shí)現(xiàn)了動補(bǔ)的免維護(hù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)可靠性。國內(nèi)外冶金行業(yè)的電弧爐和軋機(jī)系統(tǒng)的大量成功應(yīng)用也為動補(bǔ)的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗，因此，采用TCR型動補(bǔ)裝置來進(jìn)行無功補(bǔ)償已成為一種比較切實(shí)可行的方案。 晶閘管相控電抗器(TCR)型靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)方式由TCR(并聯(lián)可調(diào)電抗器)+FC(補(bǔ)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(hù)模塊等組成，通過晶閘管調(diào)整電抗器的電流，從而使TCR回路產(chǎn)生可變感性負(fù)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(jù)恒無功功率理論，F(xiàn)C部分產(chǎn)生恒定的容性無功QC;TCR部分產(chǎn)生連續(xù)可變的感性無功QTCR，則進(jìn)線變壓器提供的無功QN為：QN=QV-QC+QTCR。因此，調(diào)節(jié)QTCR就可達(dá)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(dá)到1。補(bǔ)償效果好壞的關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所需的流過補(bǔ)償電抗器的電流。 裝置特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)： (1) 可解決供電系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償、電壓波動和閃變抑制、諧波治理等問題。 (2) 裝置可平滑調(diào)節(jié)無功的輸出。 (3) 動態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)時，設(shè)備響應(yīng)時間<10ms。 (4) 裝置在高壓側(cè)直接掛網(wǎng)，不需降壓設(shè)備，故自身損耗小。 (5) 在功率晶閘管的散熱中成功地應(yīng)用熱管自冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)可靠性。 (6) 設(shè)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(bǔ)償裝置是世界先進(jìn)水平的、成熟、可靠、實(shí)用的產(chǎn)品。 (7) 晶閘管觸發(fā)裝置采用光電觸發(fā)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 (8) 監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化工作站，人機(jī)界面友好，方便用戶使用和維護(hù)。

 

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