煤矿供电系统各种无功补偿方式比较教学文稿

煤矿供电系统各种无功补偿方式比较二、各种无功补偿方式的比较

1、电能质量治理设备的主要种类

表1

上世纪约20年代上世纪约50年代上世纪约70年代上世纪约80年代上世纪约90年代无功补偿（无功功率是引起电压波动、电压偏差、负序电流、闪变等问题的根本原因）并联电容器组补偿同步调相机接触器投切电容器（MCC）晶闸管投切电容器（TSC）晶闸管控制电抗器（TCR）静止型无功发生器（SVG）接触器投切电抗器（MCR）晶闸管投切电抗器（TSR）自饱和电抗器（SR）自换相型补偿器（LCC）谐波治理无源滤波器（FC）有源滤波器（APF）表1列出了几种主要的电能治理设备，其中还可衍生出更多种设备。根据国际大电网会议的分类，将接触器投切电容器（MCC）、接触器投切电抗器（MCR）、自饱和电抗器（SR）、晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）、晶闸管控制电抗器（TCR）七种都列为静止型无功补偿器（SVC）设备。目前，在国内国外煤矿中，主要采用的类型是TCR+FC型的SVC设备，即晶闸管控制电抗器+滤波兼无功补偿设备。2、TCR型静止型动态无功补偿装置(SVC)

2.1TCR+FC型SVC设备的原理设备由TCR和FC两部分组成，FC向系统提供固定的容性无功并滤除高压母线上的各次谐波；TCR为晶闸管串联电抗器装置，由控制系统实时跟踪负荷变化来改变晶闸管触发角从而向系统提供实时可变的感性无功。容性无功和感性无功的相位相反，二者相加将改变无功变化量，从而达到抑制电压波动、提高功率因数等作用。FC是直挂于高压母线下多组固定不变的滤波器，其滤波阻抗曲线固定不变，能将负荷变化过程产生的变化的谐波有效滤除，达到国标要求；TCR快速跟踪负荷变化（响应时间小于10ms）。图1TCR+FC型SVC组成示意图

2.2响应速度由图2可以看出，TCR+FC型SVC设备动态部分为采用的是晶闸管相控电抗器，荣信生产的SVC设备采用专用算法及DSP控制芯片等专有技术，可以保证SVC动态部分的响应时间小于10ms，且为平滑调节，足以满足负荷动态无功补偿快速、精确的要求。2.3谐波的治理TCR+FC型SVC设备，通过FC部分设置与电网特征谐波相同的滤波器对谐波进行滤除。荣信有多套类似设备的谐波治理经验，可以有效的治理负载产生的谐波。2.4三相不平衡的治理将不对称的电流进行分解，可以得到正序和负序电流，其中负序电流将使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动装置产生误动作。由于负序及正序的相序相反，注入旋转电机后产生附加电动力，引起振动及附加损耗。荣信公司的SVC设备，采用STEINMETZ理论，可以有效地治理三相不平衡问题，减小不平衡度。STEINMETZ理论不仅能够提高功率因数，而且具有良好的分相调节能力，抑制负序电流达70%以上，尤其适合大功率交流电弧炉和大功率交流精炼炉。上述理论成功应用于国华神朔电铁、江苏沙钢集团100吨交流电弧炉；宝钢集团上钢五厂100吨交流电弧炉SVC装置等，为用户电能质量综合治理取得了良好的效果。2.5设备损耗SVC设备直接安装在高压侧，工作电流小，经统计，TCR型SVC设备的平均损耗为设备补偿容量的0.2%～0.3%。2.6调节特性 TCR+FC型SVC通过调节晶闸管的触发角来改变TCR的无功输出，而荣信公司的TCR触发精度可以小于0.1电角度，所以可以得到线性平滑的无功输出。2.7应用TCR+FC型SVC设备广泛应用在电力系统、冶金、煤矿、电气化铁路等行业，技术先进，应用广泛，荣信有300余套SVC设备在以上行业中运行。3、MCR型动态无功补偿装置

3.1设备原理上世纪60年代由英国GEC公司制成第一台自饱和电抗器型SVC，后期演变为可控饱和电抗器（CSR）型，也可称为MCR型动态无功补偿装置。其原理是三相饱和电抗器的工作绕组并联在电网上，通过改变饱和电抗器的直流控制绕组的励磁电流，借以改变铁心的饱和特性，从而改变工作绕组的感抗，达到改变其所吸收的无功功率的目的。3.2响应速度控制回路时间常数大（达0.2S），动态的响应速度慢。3.3损耗可控电抗器在额定负载时，铁芯工作在磁饱和区域，在这种结构下，磁饱和时的边缘效应显著，由于磁阀交替饱和，在磁阀附近铁芯区域存在较大的横向磁场分量，因此增加了电抗器铁芯和绕组的附加损耗，约为4%～7%。以武钢热轧三段为例，其容量为60000KVA，单线圈电阻为0.056欧姆，全载电流为3470A，则直流电阻损耗为：3×I×I×R=3×3470×3470×0.056=2022.9kW为补偿容量的3.37%。铁损和励磁损耗与之相当，则全载总损耗为6.7%～7%，武钢就此设备损耗的统计值为4%～7%。3.5运行噪音大、振动大武钢热轧三段MCR噪音实测达140分贝。3.6无功控制范围小饱和电抗器属于非线性元件，使得工作绕组的电流不能有效跟随控制绕组（励磁绕组）电流的变化而变化，也即补偿的无功功率有过补和欠补现象发生。为了抑制过补偿现象，设计时把控制电流限制为铁心完全饱和时电流的0.85以下，也就是说MCR的无功控制范围在0～85%之间，而不是0～100%之间。3.7应用MCR型SVC设备技术落后，损耗大，应用很少。客观上讲，自饱和电抗器或者可控饱和电抗器的出现是受限于当时的控制技术、光学技术，特别是电力电子技术的发展水平。所以在上世纪70年代中期就被用户和新技术的出现淘汰了。4、高压TSC型SVC

4.1TSC设备的原理设备由主回路和控制系统组成，主回路是一般由铁芯电抗器与电容器组和反并联低压晶闸管串联组成可投切的电容器组，反并联低压晶闸管作为投切开关；控制系统对功率因数进行检测，根据功率因数高低向晶闸管投切开关发出投切指令，从而起到提高功率因数的作用，其理论上响应时间为30ms（超过一个周波）。图3TSC型SVC组成示意图

4.2电压波动的治理由图3可以看出，TSC型SVC设备，动态部分为晶闸管投切电容器组，理论上TSC型的响应速度可以达到30ms，根本无法达到电炉快速补偿的要求（如果补偿设备响应时间大于25ms，就起不到对电炉的补偿作用），实际上因为低压动补（TSC）是晶闸管投切，晶闸管承受电流冲击能力较差，必须做到无过渡投切，这就要求在电网电压与电容器上的残余电压相等时，瞬间给晶闸管发出脉冲，做到理论上的无过渡投切，但实际上电网电压在不断变化，电容器也在不断放电，所以无过渡投切是不可能的，只能是有过渡投切，有过渡投切最终造成晶闸管和电容器寿命缩短或损坏，工程中为了避免设备损坏，一般采用放电电阻对电容器组进行放电，待电容器组放电结束后再投入。根据国家要求即使采用外放电线圈对电容器组进行放电，对其的要求是5s内降低至25V。实际上TSC型的电容器组的重新投入时间约在数百毫秒，这远远不能满足电炉快速补偿的需要。另外，TSC的投切是有级投切，且投切精度主要取决于电容器组的分组数量，数量较少的分组，其投切精度是满足不了矿井提升机补偿精度的要求的。4.3谐波的治理TSC型补偿设备基本不能治理谐波问题。它一般串有6%的电抗器，其谐振点在4.08次，这是矿井提升机含量很少的谐波，我国原水利电力部提出“当网络有谐波源（如整流负荷）影响到电容器安全运行时，建议在电容器回路中串6%电抗器”，由此可见TSC设备中的电抗器是防止谐波危害自身设备，它并不治理谐波，即使串4%、12～13%的电抗器也是防止谐波损坏本身设备。实际工程中如果谐波含量较大，TSC型设备是不适合采用的。TSC的投切组合是以补偿无功功率为首要目标的，其多种组合同样有可能引起并联谐振，造成谐波放大，危害设备。例如湖南涟钢棒线材厂曾采用过TSC型设备，2003年TSC型设备在运行过程中出现故障烧毁，同时殃及设备所在10kV母线下所有设备烧毁，直接经济损失近3000万元，间接损失近2亿元。4.4设备损耗高压TSC型SVC与TCR+FC型SVC相比，虽然少了相控电抗器，但是晶闸管的数量至少增加了一倍。所以综合来说，两者的损耗基本相同。一般来说，SVC设备的平均损耗约为0.3%，高压TSC型设备的损耗与之基本相同。4.5调节特性只能投入或者切除并联电容器组，无功变化较大，无法平滑线性调节无功输出。4.6应用范围和成功案例高压型的TSC产品在煤矿行业基本没有成功运行范例，低压型TSC产品在农村电网、中小型企业的局部就地补偿有部分应用，任何型式的TSC产品在国内外矿井提升机补偿中尚无成功运行的先例5、自动投切并联电容器组并联电容器组是最早就出现的静止型无功补偿方式，因其结构简单等特点而得到了广泛的应用，一般的并联电容器组都是应用在负荷较为平稳的场合，由手工进行投切，每天的投切次数不超过10次。自动投切并联电容器组则根据系统所需无功自动进行投切操作，其投切次数可达每天数十次，甚至数百次。其工作特点如下：5.1响应速度刚切除后的电容器组，需待放电完全后才能再次投入，至少需要数十秒以上。5.2损耗只有并补电容器和串联电抗器产生损耗，因此损耗非常小。约在0.1%左右。5.3谐波电流不产生也滤波谐波电流。5.4三相不平衡并联补偿电容器组是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。5.5调节特性只能投入或者切除并联电容器组，无功变化较大，无法平滑线性调节无功输出。三、综合以上对比，各种补偿方式的特点如下表所示。四、结束语

通过对国内外静止型动态无功补偿的主要技术综述和各种无功补偿方式的比较，选择适用于煤矿供配电系统的谐波抑制和无功补偿方案—TCR静止型动态无功补偿装置，并就TCR型SVC技术进行了理论分析和研究。并针对煤矿供电系统进行了TCR型SVC的系统设计和实现方法研究，为煤矿供电系统谐波治理和无功补偿探索出一条成功之路。参考文献

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