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煤矿主井提升机谐波治理及无功补偿 侯继才 姜筱瀛 胡腾蛟 煤炭工业部合肥设计研究院 摘要 本项目涉及谐波治理、TSC控制技术、同步机可调无功补偿利用等领域。本装置可广泛应用于610kV系统滤除大功率晶闸管变频装置所产生的各次谐波,同时补偿巨大冲击无功。 装置投入后能极大的消除电网谐波污染,实现动态无功补偿,提高供电质量。 关键词谐波治理;无功补偿;TSC;功率因数;畸变率 Harmonic treatment and Var compensation for lifter of main well at Zhangji Mining company Hou Jicai Jiang Xiaoying Hu Tengjiao Hefei design Var compensation;TSC;power factor;distortion rate 1 引言 在供电系统母线上的大功率晶闸管整流装置,当给冲击负荷供电时,会产生巨大的无功冲击和谐波电流,功率因数极低,给电网造成电压波动和谐波污染,严重影响供电质量。功率因数过低会导致降低输变电设备的供电能力,系统损耗增加。大量的高次谐波会产生谐波损耗,降低用电设备效率,加速电力电缆绝缘老化,使机电设备产生震动和噪声,降低寿命,干扰继保、通信等弱电回路。因此矿井供电系统中的无功冲击和谐波污染必须根据电能质量公用电网谐波GB/T14549-93、电能质量电压允许波动和闪变GB12326-90、矿山电力设计规范GB50070-94、煤炭工业矿井设计规范GB50215-94 等国标进行治理。 2项目概述 淮南张集矿井是一座设计年生产能力为4.0Mt/a 的特大型现代化矿井,其主井提升机采用23000kW 的双电动机拖动,由12脉动交交变频装置供电,运行于110kV中央变电所6kV-II段母线上,本段母线还带有同步通风机及其他少量负荷。现场通过对本段母线测试发现,在提升机起动和运行过程中给变电所6kV母线造成以下影响 1主井启动时有功最大可达8.4MW,匀速运行时6.0MW;启动时无功冲击可达12Mvar,匀速运行时4.9Mvar,制动时7.2Mvar。并且一个提升周期内变化巨大,电网功率因数过低,在0.30.89范围内波动,平均在0.56 左右,电压波动为12左右。 211、13、23、25次特征谐波电流较大,其含量远远超过国标规定值,其中11次谐波电流高达97.4A,由谐波产生的电气设备噪声及振动较大。 3由于整流装置触发角的误差而产生的2、 4、6、8、10等偶次谐波电流也超过国标规定值, 6kV母线电压总谐波畸变率最大THDu16.34,远远大于国标规定的4。 设计前通过对谐波电流值计算以及现场实测值,根据国标电能质量公用电网谐波GB/T14549-93,得矿井6kV 母线谐波电流如表1,测出6kV 母线无滤波器时的功率因数变化曲线如图1。 表1 滤波器投入前注入6kV 母线侧电网的谐波电流﹑电压畸变率 谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 10 11 13 23 25 计算值A 32.3 15.8 36.0 18.340.915.814.733.597.476.1 31.6 26.5测试值A 30.6 15.7 28.3 18.128.230.817.029.289.865.1 25.7 22.2允许值A 57.2 45.2 27.9 45.218.631.914.611.321.317.3 9.8 9.0 比较结果 超标 超标 超标 超标 超标 超标 超标 超标 注6kV 母线电压总谐波畸变率THDu 16.344,超过国标规定 图1 滤波器投入前6kV 侧电网功率因数变化曲线 无功冲击补偿和偶次谐波滤除是本工程的难 点。 2002年张集矿正处于试投产期,资金比较缺乏,所以我们按既能大量节约投资,又能解决巨大冲击负荷的无功补偿、滤除谐波电流的指导思想作为方案设计依据。 3 方案设计的确定 根据张集矿主井提升机提升过程产生无功冲击和谐波电流特点,即启动时无功冲击大,造成电网电压波动大,同时产生大量的特征谐波和偶次谐波;停止时所需无功却很小,所以考虑设置LC 滤波兼补偿的串联谐振滤波补偿器,并采用TSC 自动投切滤波补偿器组,同时利用本段母线上的一台3200kW 同步通风机,无功功率能在1979kVar 内自动连续可调功能,组成一套动态补偿滤波系统。 3.1 滤波器组数的设置及容量 考虑特征谐波、偶次谐波的量值,提升机启动时冲击无功较大、停止运行时无功较少的特点,同时考虑本段母线上的同步通风机无功补偿作用,我 们利用计算机程序计算确定各种方案的滤波器参数,画出相应阻抗特性曲线,避开与系统有可能发生谐振的谐振点,为避免滤波补偿装置的投入对低次谐波电流的放大作用,本方案设置3次、4次、5次单调谐滤波器,6次、11次高通滤波器,并调整滤波器参数,通过模拟计算使滤波补偿装置投入后流入电网的各次谐波电流不超过国标规定值。经过对多种方案运行计算结果的比较、优化,选出最佳方案如下 3次 单调谐滤波电路F 3 Qc3300kVAR 1组 4次 单调谐滤波电路F 4 Qc4900kVAR 1组 5次 单调谐滤波电路F 5 Qc5600kVAR 1组 6次HP 高通滤波电路F 6HP Qc62400kVAR 1组 11次HP 高通滤波电路F 11HP Qc113300kVAR 1组 滤波装置总容量 ΣQc 7500kVAR 3、4、5次单调谐滤波器补偿容量1094kvar ; 6、11次两组高通滤波器无功补偿容量3788 kvar ,总补偿量4882 kvar 。 系统接线如图2。 整套滤波补偿装置投入后,能有效滤除偶次谐波、特征谐波并达到国标规定值,主井运行时流入系统所有的谐波电流都小于国标规定值,电压畸变率THDu 3.74,功率因数在0.40.99范围内波动,平均在0.92左右,使矿井供电质量得到极大的改善。 3.2 利用TSC 投切技术实现有级动态补偿 TSC 技术是采用晶闸管串接入滤波器电路中,实现对滤波器电路电流的通断控制,晶闸管的动作时间在20ms 内,从而能实现快速投切滤波器,达到动态补偿功能。同时TSC 装置本身不产生谐波,损耗小,价格低投资少。 上述滤波补偿装置直接投入使用时不能根据主井运行变化情况相应改变补偿容量,在主井一个运行周期内将使电网发生周期性严重过补。因此本方案考虑采用TSC 装置投切滤波器组,在主井停止运行时切除滤波器组,防止过补偿。滤波器设计时就考虑主井启动、运行、停止时无功冲击特点,3次、4次、5次单调谐滤波器合用一个高压柜,长期投入,主井停止时不过补;6、11次两组高通滤波器共用一个开关柜,主井运行时投入,主井停止运行时切除,防止过补。在电压过零时自动投切6、11次高通滤波器。经计算研究决定采用有一套TSC 控制开关自动投切6、11次两组滤波器,实现有级动态补偿。 3.3 与矿井同步通风机结合成动态补偿系统 变电所6kV -II 段母线上只带有主井、通风机及其他少量三级负荷,由滤波器参数可知,3、4、5次单调谐滤波器补偿容量为1094kvar ,6、11次两组高通滤波器无功补偿容量为3788 kvar ,在主井停止运行,切除6、11次两组高通时还有1094kvar 的补偿容量,仍然过补偿。同时主井运行过程中无功波动范围较大。 矿井在供电方案设计时就考虑在与主井提升机接于同段母线上设一台3200kW 同步矿井通风机,一用一备,其无功功率最大可在1979kVar 内连续可调,相应功率因数在0.7范围内变化。 本段母线上矿井同步通风机功率因数可在0.7范围内连续自动可调、相应输出无功为1979kvar ,其励磁系统能在20ms 内自动调节无功。这样由TSC 控制能自动投切的滤波装置和同步通风机组成的补偿系统总的无功补偿范围为-6861kvar 0。TSC 自动投切的滤波装置在一个提升周期内用于补偿较大的无功冲击,而矿井同步通风机用于提升过程中或停止时较小变化的无功补偿,两者相结合构成动态补偿系统,使矿井供电质量得到极大的改善。 滤波装置投运后测得本段6kV 母线谐波电流如表2,功率因数变化曲线如图3,平均功率因数为0.92, 完全满足用户的要求。 图2 滤波补偿装置一次原理图 表2 滤波器投入后注入6kV 侧电网的谐波电流﹑电压畸变率 谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 10 11 13 23 25 测试值A 28.8 13.1 18.4 22.2 16.6 12.7 12.8 8.6 15.8 12.9 8.6 7.9 允许值A 57.2 45.2 27.9 45.2 18.6 31.9 14.6 11.3 21.3 17.3 9.8 9.0 比较结果 谐波电流全不超标,6kV 母线电压总谐波畸变率THDu 3.74,满足国标规定 图3 滤波补偿系统器投入后6kV侧电网功率因数变化曲线 4经济技术比较 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 如表3。 表3 本装置与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 装置结构LC静态 滤波器 LCTSC动 态滤波器 LCTCR动 态滤波器 有源滤波 器 本项目采用 国内采用国内采用国内采用国内采用 国内外 应用 情况国外采用国外采用国外采用国外采用滤波 效果 优良优良优良最优良 补偿效果补偿容量 固定易过 补 补偿容量阶 梯有极可 调,不易欠 补和过补 补偿容量无 极可调,不 易欠补和过 补 补偿容量 无极可 调,不欠 补和过补 自动 化程度 低高高高 适用场合无功负荷 和谐波量 较稳定的 电网 无功负荷和 谐波量周期 性变化较大 的电网 无功负荷和 谐波量变化 较大的电网 对供电网 供电质量 要求特别 高场合 投资较省省高高 本装置采用6、11次两组高通滤波器共用一套TSC装置,这在煤炭行业乃至全国尚属首次,减少一套TSC控制装置节省投资40多万。同等规模的TCR型SVC动态滤波补偿装置投资在450万元左右,本套系统投资只有160万元,仅此就为甲方节约投资290万元。 由以上可知,本系统采用TSC自动投切滤波补偿装置,投切速度快,为20ms,这是手动或接触器投切根本无法实现的功能;谐波的滤除达到国标规定值,大大减少了机电设备的振动,延长了其使用寿命,降低了对通讯、继电保护等弱电回路的干扰;无功补偿提高电网功率因数到0.92,减少了电能损耗,降低了电压波动范围,提高了矿井供电质量,有力的保障了整个矿井供电安全稳定运行,社会效益显著。设计的滤波器能有效滤除偶次谐波、特征谐波并达到国标规定值,丰富了我们的经验,为以后更多煤矿滤波补偿系统设计提供了成功案例。 “500kV紧凑线路带电作业”填补国内空白 南方电网超高压输电公司“500kV紧凑型线路带电作业方法研究”科技项目近日通过了国内有关专家组的验收。专家组认为,该项目填补了国内500kV线路带电作业领域的空白,为提高500kV紧凑型输电线路运行的安全可靠性提供了技术保障。 500kV天广四回交流输电线路罗平百色段是南方电网的第一条紧凑型输电线路,也是国内第一条高海拔、长距离紧凑型输电线路,能够明显提高自然输送功率达到132万kW,比传统型线路提高35.34,具有输送容量大、节约送电走廊、经济效益和社会效益显著等优点。同时南方电网目前在建的500kV罗平百色二回输电线路继续应用紧凑型输电技术。采用带电作业的方式可以快速、灵活地消除缺陷,保证南方电网主网架的安全可靠运行,同时可以有效减少停电时间,经济效益和社会效益明显。 新闻与动态