煤礦主井提升機(jī)諧波治理及無(wú)功補(bǔ)償

1、煤礦主井提升機(jī)諧波治理及無(wú)功補(bǔ)償侯繼才 姜筱瀛 胡騰蛟(煤炭工業(yè)部合肥設(shè)計(jì)研究院摘要 本項(xiàng)目涉及諧波治理、TSC控制技術(shù)、同步機(jī)可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償利用等領(lǐng)域。本裝置可廣泛應(yīng)用于610kV系統(tǒng)濾除大功率晶閘管變頻裝置所產(chǎn)生的各次諧波,同時(shí)補(bǔ)償巨大沖擊無(wú)功。裝置投入后能極大的消除電網(wǎng)諧波污染,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,提高供電質(zhì)量。關(guān)鍵詞:諧波治理;無(wú)功補(bǔ)償;TSC;功率因數(shù);畸變率Harmonic treatment and Var compensation for lifterof main well at Zhangji Mining companyHou Jicai Jiang Xiaoying Hu

2、Tengjiao(Hefei design & research instituteAbstract The program is involved with harmonic treatment, TSC control technology, synchronous motors adjustable compensation application and so on. The device can be widely applied to treat harmonic caused by 610kV system filtering big-capacity thyristor

3、 frequency conversion devices and compensates huge impact Var. After the use of the device, it can eliminate harmonic pollution, realize dynamic Var compensation and improve supply quality.Keywords: harmonic treatment;Var compensation;TSC;power factor;distortion rate1 引言在供電系統(tǒng)母線上的大功率晶閘管整流裝置,當(dāng)給沖擊負(fù)荷供電時(shí)

4、,會(huì)產(chǎn)生巨大的無(wú)功沖擊和諧波電流,功率因數(shù)極低,給電網(wǎng)造成電壓波動(dòng)和諧波污染,嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。功率因數(shù)過(guò)低會(huì)導(dǎo)致降低輸變電設(shè)備的供電能力,系統(tǒng)損耗增加。大量的高次諧波會(huì)產(chǎn)生諧波損耗,降低用電設(shè)備效率,加速電力電纜絕緣老化,使機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲,降低壽命,干擾繼保、通信等弱電回路。因此礦井供電系統(tǒng)中的無(wú)功沖擊和諧波污染必須根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-93、電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變GB12326-90、礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范GB50070-94、煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范GB50215-94 等國(guó)標(biāo)進(jìn)行治理。2項(xiàng)目概述淮南張集礦井是一座設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為4.0Mt/a 的特大型現(xiàn)代化礦井

5、,其主井提升機(jī)采用2×3000kW 的雙電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),由12脈動(dòng)交交變頻裝置供電,運(yùn)行于110kV中央變電所6kV-II段母線上,本段母線還帶有同步通風(fēng)機(jī)及其他少量負(fù)荷?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)本段母線測(cè)試發(fā)現(xiàn),在提升機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中給變電所6kV母線造成以下影響:(1主井啟動(dòng)時(shí)有功最大可達(dá)8.4MW,勻速運(yùn)行時(shí)6.0MW;啟動(dòng)時(shí)無(wú)功沖擊可達(dá)12Mvar,勻速運(yùn)行時(shí)4.9Mvar,制動(dòng)時(shí)7.2Mvar。并且一個(gè)提升周期內(nèi)變化巨大,電網(wǎng)功率因數(shù)過(guò)低,在0.30.89范圍內(nèi)波動(dòng),平均在0.56 左右,電壓波動(dòng)為12%左右。(211、13、23、25次特征諧波電流較大,其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值,其中11

6、次諧波電流高達(dá)97.4A,由諧波產(chǎn)生的電氣設(shè)備噪聲及振動(dòng)較大。(3由于整流裝置觸發(fā)角的誤差而產(chǎn)生的2、4、6、8、10等偶次諧波電流也超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值, 6kV母線電壓總諧波畸變率最大THDu=16.34%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的4%。設(shè)計(jì)前通過(guò)對(duì)諧波電流值計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值,根據(jù)國(guó)標(biāo)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-93,得礦井6kV 母線諧波電流如表1,測(cè)出6kV 母線無(wú)濾波器時(shí)的功率因數(shù)變化曲線如圖1。表1濾波器投入前注入6kV 母線側(cè)電網(wǎng)的諧波電流電壓畸變率超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)超標(biāo)注:6kV 母線電壓總諧波畸變率THDu =16.34%>4%,超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定 圖1 濾波器投

7、入前6kV 側(cè)電網(wǎng)功率因數(shù)變化曲線無(wú)功沖擊補(bǔ)償和偶次諧波濾除是本工程的難點(diǎn)。2002年張集礦正處于試投產(chǎn)期,資金比較缺乏,所以我們按既能大量節(jié)約投資,又能解決巨大沖擊負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償、濾除諧波電流的指導(dǎo)思想作為方案設(shè)計(jì)依據(jù)。3 方案設(shè)計(jì)的確定根據(jù)張集礦主井提升機(jī)提升過(guò)程產(chǎn)生無(wú)功沖擊和諧波電流特點(diǎn),即啟動(dòng)時(shí)無(wú)功沖擊大,造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)大,同時(shí)產(chǎn)生大量的特征諧波和偶次諧波;停止時(shí)所需無(wú)功卻很小,所以考慮設(shè)置LC 濾波兼補(bǔ)償?shù)拇?lián)諧振濾波補(bǔ)償器,并采用TSC 自動(dòng)投切濾波補(bǔ)償器組,同時(shí)利用本段母線上的一臺(tái)3200kW 同步通風(fēng)機(jī),無(wú)功功率能在±1979kVar 內(nèi)自動(dòng)連續(xù)可調(diào)功能,組成一套動(dòng)

8、態(tài)補(bǔ)償濾波系統(tǒng)。 3.1 濾波器組數(shù)的設(shè)置及容量考慮特征諧波、偶次諧波的量值,提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊無(wú)功較大、停止運(yùn)行時(shí)無(wú)功較少的特點(diǎn),同時(shí)考慮本段母線上的同步通風(fēng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償作用,我們利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算確定各種方案的濾波器參數(shù),畫(huà)出相應(yīng)阻抗特性曲線,避開(kāi)與系統(tǒng)有可能發(fā)生諧振的諧振點(diǎn),為避免濾波補(bǔ)償裝置的投入對(duì)低次諧波電流的放大作用,本方案設(shè)置3次、4次、5次單調(diào)諧濾波器,6次、11次高通濾波器,并調(diào)整濾波器參數(shù),通過(guò)模擬計(jì)算使濾波補(bǔ)償裝置投入后流入電網(wǎng)的各次諧波電流不超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值。經(jīng)過(guò)對(duì)多種方案運(yùn)行計(jì)算結(jié)果的比較、優(yōu)化,選出最佳方案如下:3次 單調(diào)諧濾波電路F 3 Qc3=300kVAR 1組4次

9、 單調(diào)諧濾波電路F 4 Qc4=900kVAR 1組5次 單調(diào)諧濾波電路F 5 Qc5=600kVAR 1組6次+HP 高通濾波電路F 6+HP Qc6=2400kVAR 1組11次+HP 高通濾波電路F 11+HP Qc11=3300kVAR 1組 濾波裝置總?cè)萘? Qc =7500kVAR3、4、5次單調(diào)諧濾波器補(bǔ)償容量1094kvar ; 6、11次兩組高通濾波器無(wú)功補(bǔ)償容量3788 kvar ,總補(bǔ)償量4882 kvar 。系統(tǒng)接線如圖2。整套濾波補(bǔ)償裝置投入后,能有效濾除偶次諧波、特征諧波并達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定值,主井運(yùn)行時(shí)流入系統(tǒng)所有的諧波電流都小于國(guó)標(biāo)規(guī)定值,電壓畸變率THDu =3.7

10、%<4%,功率因數(shù)在0.40.99范圍內(nèi)波動(dòng),平均在0.92左右,使礦井供電質(zhì)量得到極大的改善。3.2 利用TSC 投切技術(shù)實(shí)現(xiàn)有級(jí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償TSC 技術(shù)是采用晶閘管串接入濾波器電路中,實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器電路電流的通斷控制,晶閘管的動(dòng)作時(shí)間在20ms 內(nèi),從而能實(shí)現(xiàn)快速投切濾波器,達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能。同時(shí)TSC 裝置本身不產(chǎn)生諧波,損耗小,價(jià)格低投資少。上述濾波補(bǔ)償裝置直接投入使用時(shí)不能根據(jù)主井運(yùn)行變化情況相應(yīng)改變補(bǔ)償容量,在主井一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)將使電網(wǎng)發(fā)生周期性嚴(yán)重過(guò)補(bǔ)。因此本方案考慮采用TSC 裝置投切濾波器組,在主井停止運(yùn)行時(shí)切除濾波器組,防止過(guò)補(bǔ)償。濾波器設(shè)計(jì)時(shí)就考慮主井啟動(dòng)、運(yùn)行、停止時(shí)無(wú)

11、功沖擊特點(diǎn),3次、4次、5次單調(diào)諧濾波器合用一個(gè)高壓柜,長(zhǎng)期投入,主井停止時(shí)不過(guò)補(bǔ);6、11次兩組高通濾波器共用一個(gè)開(kāi)關(guān)柜,主井運(yùn)行時(shí)投入,主井停止運(yùn)行時(shí)切除,防止過(guò)補(bǔ)。在電壓過(guò)零時(shí)自動(dòng)投切6、11次高通濾波器。經(jīng)計(jì)算研究決定采用有一套TSC 控制開(kāi)關(guān)自動(dòng)投切6、11次兩組濾波器,實(shí)現(xiàn)有級(jí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。3.3 與礦井同步通風(fēng)機(jī)結(jié)合成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng):變電所6kV -II 段母線上只帶有主井、通風(fēng)機(jī)及其他少量三級(jí)負(fù)荷,由濾波器參數(shù)可知,3、4、5次單調(diào)諧濾波器補(bǔ)償容量為1094kvar ,6、11次兩組高通濾波器無(wú)功補(bǔ)償容量為3788 kvar ,在主井停止運(yùn)行,切除6、11次兩組高通時(shí)還有1094kv

12、ar 的補(bǔ)償容量,仍然過(guò)補(bǔ)償。同時(shí)主井運(yùn)行過(guò)程中無(wú)功波動(dòng)范圍較大。礦井在供電方案設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在與主井提升機(jī)接于同段母線上設(shè)一臺(tái)3200kW 同步礦井通風(fēng)機(jī),一用一備,其無(wú)功功率最大可在±1979kVar 內(nèi)連續(xù)可調(diào),相應(yīng)功率因數(shù)在±0.7范圍內(nèi)變化。本段母線上礦井同步通風(fēng)機(jī)功率因數(shù)可在±0.7范圍內(nèi)連續(xù)自動(dòng)可調(diào)、相應(yīng)輸出無(wú)功為±1979kvar ,其勵(lì)磁系統(tǒng)能在20ms 內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功。這樣由TSC 控制能自動(dòng)投切的濾波裝置和同步通風(fēng)機(jī)組成的補(bǔ)償系統(tǒng)總的無(wú)功補(bǔ)償范圍為:-6861kvar 0。TSC 自動(dòng)投切的濾波裝置在一個(gè)提升周期內(nèi)用于補(bǔ)償較大的無(wú)功沖

13、擊,而礦井同步通風(fēng)機(jī)用于提升過(guò)程中或停止時(shí)較小變化的無(wú)功補(bǔ)償,兩者相結(jié)合構(gòu)成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng),使礦井供電質(zhì)量得到極大的改善。濾波裝置投運(yùn)后測(cè)得本段6kV 母線諧波電流如表2,功率因數(shù)變化曲線如圖3,平均功率因數(shù)為0.92,完全滿足用戶的要求。 圖2 濾波補(bǔ)償裝置一次原理圖表2 濾波器投入后注入6kV 側(cè)電網(wǎng)的諧波電流電壓畸變率諧波次數(shù) 2 3 4 5 6 7 8 10 11 13 23 25 測(cè)試值(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 允許值(A 57.2 45.2 27.9 45.2 18.6 31.9 14.6

14、11.3 21.3 17.3 9.8 9.0 比較結(jié)果諧波電流全不超標(biāo),6kV 母線電壓總諧波畸變率THDu =3.7%<4%,滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定 圖3 濾波補(bǔ)償系統(tǒng)器投入后6kV側(cè)電網(wǎng)功率因數(shù)變化曲線: 4經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較如表3。表3 本裝置與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較裝置結(jié)構(gòu)LC靜態(tài)濾波器LC+TSC動(dòng)態(tài)濾波器LC+TCR動(dòng)態(tài)濾波器有源濾波器本項(xiàng)目采用國(guó)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況國(guó)外采用國(guó)外采用國(guó)外采用國(guó)外采用濾波效果優(yōu)良優(yōu)良優(yōu)良最優(yōu)良補(bǔ)償效果補(bǔ)償容量固定易過(guò)補(bǔ)補(bǔ)償容量階梯有極可調(diào),不易欠補(bǔ)和過(guò)補(bǔ)補(bǔ)償容量無(wú)極可調(diào),不易欠補(bǔ)和

15、過(guò)補(bǔ)補(bǔ)償容量無(wú)極可調(diào),不欠補(bǔ)和過(guò)補(bǔ)自動(dòng)化程度低高高高適用場(chǎng)合無(wú)功負(fù)荷和諧波量較穩(wěn)定的電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷和諧波量周期性變化較大的電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷和諧波量變化較大的電網(wǎng)對(duì)供電網(wǎng)供電質(zhì)量要求特別高場(chǎng)合投資較省省高高本裝置采用6、11次兩組高通濾波器共用一套TSC裝置,這在煤炭行業(yè)乃至全國(guó)尚屬首次,減少一套TSC控制裝置節(jié)省投資40多萬(wàn)。同等規(guī)模的TCR型SVC動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置投資在450萬(wàn)元左右,本套系統(tǒng)投資只有160萬(wàn)元,僅此就為甲方節(jié)約投資290萬(wàn)元。由以上可知,本系統(tǒng)采用TSC自動(dòng)投切濾波補(bǔ)償裝置,投切速度快,為20ms,這是手動(dòng)或接觸器投切根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能;諧波的濾除達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定值,大大減少了機(jī)電設(shè)備的振動(dòng),延長(zhǎng)了其使用壽命,降低了對(duì)通訊、繼電保護(hù)等弱電回路的干擾;無(wú)功補(bǔ)償提高電網(wǎng)功率因數(shù)到0.92,減少了電能損耗,降低了電壓波動(dòng)范圍,提高了礦井供電質(zhì)量,有力的保障了整個(gè)礦井供電安全穩(wěn)定運(yùn)行,社會(huì)效益顯著。設(shè)計(jì)的濾波器能有效濾除偶次諧波、特征諧波并達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定值,豐富了我們的經(jīng)驗(yàn),為以后更多煤礦濾波補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了成功案例?！?00kV緊湊線路帶電作業(yè)”填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白南方電網(wǎng)超高壓輸電公司“500kV緊湊型線路帶電作業(yè)方法研究”科技項(xiàng)目近日通過(guò)了國(guó)內(nèi)有關(guān)專家組的驗(yàn)收。專家組認(rèn)為,該項(xiàng)目填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)500kV線路帶電作業(yè)領(lǐng)域的空白,為提高500kV緊湊型輸