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兖州矿区电力系统低压无功补偿研究实践
2017-11-24 15:51:08  作者:李剑峰  来源:中国设计师网  
  •   文章介绍了兖州矿区的煤矿在矿井电力系统成功采用各种低压无功补偿装置的经验,对于类似企业有一定的参考价值。

  兖矿集团设计研究院 李剑峰

  1 引言

  随着现代工业的飞速发展,对电能的质量要求越来越高,电网的经济运行日益受到重视。然而在电力系统中60%以上是电动机等感性负载,它们在系统运行中会消耗大量的无功功率。采用无功功率动态补偿装置,能根据系统无功功率变化及时调节无功补偿容量,稳定系统电压,保证电压质量,提高用电设备的功率因数,达到节能降耗,保证设备稳定安全可靠运行。在有功功率保持一定的前提下,线路功率因数越小.在线路上流过的电流就越大.导致在线路上的压降以及损耗就越大。在严重情况下会导致用户端电压达不到规定值。在电动机附近以及线路的适当位置并联安装适当容量的电容器,可以减少无功功率的输送,从而达到降低线损、提高负载端电压的目的。当然,并联电容的容量是有限制的,并联电容器容量过大,导致线路功率因数负值时,就会出现补偿点向电源端传送无功,这是不允许的。因此,应用在低压配电网中能根据负载中无功功率的变化自动投切补偿电容器、准确实现无功功率补偿的装置具有十分迫切的需求。实现无功功率补偿\提高功率因数对电力系统运行有重要的意义。近几年来,兖州矿区的的煤矿针对矿井电力系统低压无功补偿装置在运行实践中发现的问题进行了认真分析和归纳,总结运行经验教训,成功地采用各种低压无功补偿装置,同时还取得一批研究成果,有效地保障了矿井电力系统的安全、优质运行。

  2 低压供电系统动态无功补偿技术研究

  兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿对低压供电系统动态无功补偿控制的原理和低压无功补偿发展与现状进行了研究分析。

  (1)无功补偿控制原理

  根据单一物理量进行控制总不能满足实际运行的需要。如单独按功率因数补偿,负荷在低谷时,有功功率和无功功率都较小,功率因数也低,常有投切振荡现象发生,影响设备的安全使用寿命。随着计算机测控技术的发展,多变量控制也得到实现。合理的无功补偿应做到以下几点:最大限度利用补偿设备提高电网的功率因数;不发生过补偿;无投切振荡;无冲击投切;反应灵敏、迅速。按电容器安装的位置不同,低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式通常采用低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式。

  ①按无功功率控制。根据测得的电压、电流和功率因数等参数计算出应该投入的电容容量,然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式,电容投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量.则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时才执行相应的投切。

  ②按无功电流控制。用负荷无功电流作为控制量,是考虑到当前电压变化时得到更准确的补偿效果。根据无功电流分量的大小投入电容器组,使电容器提供的容性电流补偿电网中的感性无功电流。这是一种比较理想的控制方式,但无功电流的准确、快速检测有一定难度。

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  ④按电压控制。电压控制方式利用无功负荷增大时母线电压下降的特点,以保持安装点电压在一定范围内为目的,多用于集中负荷点的电压调整。当电网电压超过给定值的上限时,控制电容器组使其从系统断开。但是.电容器只能发出容性无功功率,提高电压;而不能吸收感性无功功率.降低电压.因此,只在重负荷时投入,轻负荷时部分甚至全部切除。

  ⑤按电流控制。在功率因数保持一定的前提下,尽管负荷有大小的变化,但负荷的无功功率基本上可认为和负荷电流成正比,则可以通过检测负荷电流来对电容器组进行投切。这种方式比较简单,但负荷功率因数往往不能满足一定不变的条件,一般少用。

  ⑥按时间控制。时间控制就是利用时钟按昼夜时间划分对电容器组进行投切的控制。以时间作为控制信号,根据系统中用电设备全天24h所需无功功率的变化,绘制出全天无功负荷的变化曲线,利用时间进行控制,按时投入或切除一定容量的补偿电容器组。这种方法只适合于稳定负荷、变化规律一定、功率因数变化不大的场合。

  ⑦综合控制方式。该方式是以两种或者两种以上控制物理量作为判依据。本控制器采用功率因数和无功功率综合控制方式来控制电容器组的投切.充分发挥主控芯片的存储、计算、逻辑判断功能。以功率因数控制为基础,无功功率控制避免投切振荡,电压电流设定值为控制投切的约束条件,实现综合电容器组的智能综合控制。

  (2)低压无功补偿发展与现状

  ①第一代产品是常规的机械开关电器。自从有无功补偿开始就一直延续到现在,目前还有很多地方使用。这一代产品采用熔断器、接触器、热继电器控制电容器的投切。优点是价格低廉;缺点是存在浪涌电流的、接触器及熔断器容易损坏、电容器涨肚等问题。

  ②第二代产品是半导体开关电器。即固态无触点继电器(可控硅)。可控硅必须采用价格昂贵的进口产品。这一代产品的目的是解决电容器投切瞬间产生的浪涌电流。因为可控硅的导通角能在电压正弦波横轴过零点处导通,接通电路,电容器的充电电流即为零,没有冲击。但是,实现“过零投切”的同时出现发热问题。可控硅PN节有3~5V压降,大电流通过产生很大的功耗,相当于电容柜内有大功率的电炉发热,必须安装散热器,用4个风机强制风冷。因为可控硅能在毫秒内跟踪负荷变化投切电容,所以目前这一代产品在机械加工行业电焊机、行车、龙门吊车负荷占多数的情况还在应用,其它行业已被淘汰。

  ③第三代产品是复合开关电器。即接触器与可控硅的结合。接通与断开电容器回路采用可控硅,正常工作时采用接触器,既解决投切时的浪涌电流又解决可控硅的发热问题;但是,大部分厂家为了降低成本而采用国产可控硅,耐压等级1600V,致使寿命短。晶闸管截止后所受反向峰值电压为输入电源电压峰值2倍,最大值为额定电压1.4倍,U=1120V,考虑到耐受电压为额定电压2~3倍,至少要选用2500V以上的产品。目前国内外100A以下小容量晶闸管超过1600V的价格非常高,加上电网过电压、谐波等因素影响,造成现有复合开关中的晶闸管截止时处于电压危险区,很容易击穿破坏。

  ④第四代产品是电子继电器。因为电子产品的发展已经非常成熟,将计算机软硬件技术应用到电容器领域,采用微电子软硬件技术、微型传感器技术、现代控制技术对机械触点进行改造,采用单片机进行电压、电流的交流采样,捕捉正弦波的横轴零点,实现过零投切。实践证明,这一代产品在城农网、煤炭、化工、钢铁等实际工程收到良好的效果。

  3 低压功率动态无功补偿装置的应用

  兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿投产初期压风机房安装2台800kVA变压器,除了为3台220kW空压机供电外,同时为压风机房周围的其它低压动力供电。随着矿井的开拓延伸,井下用风量不断增加,空压机已增至9台(220kW空压机7台、260kW空压机1台、260kW注氮机1台),压风机房供电变压器的容量也扩容至2台1600kVA变压器。但是,压风机房用于补偿感性负载的补偿电容装置仍为矿井投产初期安装运行的固定式补偿电容器,不能根据无功功率及电压的变化进行自动跟踪补偿,补偿容量已远不能满足要求。压风机房用电负荷长期处于欠补状态,造成运行电流增大、增加损耗,系统电压降低。采用无功功率动态补偿装置后的实测比较,配电变压器功率因数增至0.95以上,提高设备利用率、增加输电线路的输电能力和降低线路损耗,同时能够有效地稳定系统的运行电压,增加设备使用寿命。

  (1)无功功率补偿目的

  ①减少发配电设备容量。无功功率的增加导致电流的增大和视在功率的增加,从而使发电机、变压器、起动及控制设备和导线等电气设备容量增加;同时,电力用户的起动、控制设备及测量仪表的尺寸和规格也要加大。因此,对配电网络进行无功功率补偿可以提高设备利用率、减少发配电设备容量。

  ②减少供电设备及线路损耗。无功功率的增加使总电流增大,因而使供电设备及线路的损耗增加,这是显而易见的.

  ③降低变压器及线路的电压降。变压器及线路的电压降增大,使供电网电压产生波动。在电网中,有功功率的波动一般对电网电压的影响较小,电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。如果是冲击性无功功率负载还会使电网产生剧烈的波动,甚至发生事故。

  (2)设计方案

  ①采用先进的电子式继电器投切开关。将计算机软硬件技术应用到电容器领域,采用微电子软硬件技术、微型传感器技术、现代化控制技术对机械触点进行改造,采用单片机进行电压、电流的采样,捕捉正弦波的横轴零点,实现过零投切。

  ②采用智能型无功控制策略。采集三相电压、电流信号,跟踪系统的无功变化,以无功功率为控制物理量、以用户设定的功率因数为投切参考限量。他们依据模糊控制理论智能选择电容器组合,针对星一角结合情况智能投切。电容投切控制采用智能控制理论,自动及时地投切电容补偿,补偿无功功率容量。根据配电系统三相中每一相无功功率的大小智能选择电容器组合,依据“取平补齐”的原则投入电网,实现电容器投切的智能控制,补偿精度高。a.科学的电压限制条件。以无功功率为投切门限值,可设定过、欠压保护值,设置低谷高电压禁投、高峰低电压禁切电压值,具有缺相保护功能。b.设置投切延时。既可支持快速跟踪无功补偿也可支持稳态补偿延时时间可调,同组电容投切动作时间间隔可设置,对快速跟踪补偿可设置为零。

  ③集成电压监测功能。根据电压检测仪标准进行采样与数据统计处理,便于用户考核电压合格率,用于电压监测考核。

  ④集成综合配电监测功能。集变压器电气参数测量、记忆、通信于一体的配电运行参数测量机构,是低压配电电网中考核单元线损的理想手段,随时为管理人员提供所需要的各类数据,为电网的安全经济运行提供可靠的管理依据,是电网自动化系统的基本组成部分。

  ⑤模块化结构。将电容器、投切开关、保护集成在1个单元内,形成多种容量规格的标准化单元。其特点是结构与功能的模块化形成满足不同用户要求的系列产品,还便于各种装置在使用现场的维修与调整。

  (3)提高用电负荷功率因数产生的效益

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  4 低压无功补偿装置的选型

  做好无功补偿工作不但可以起到扩大现有输变电设备供电能力、改善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不足的作用,而且还能够取得良好的经济效益。目前,运行在0.4kV级的无功补偿装置,由于其补偿点多、分布面广、专业技术管理力度相对薄弱。除了扩大容量之外,采用合理的无功补偿不失为解决电力供应紧张问题的有效途径。兖州矿业(集团)公司鲍店煤矿合理选用低压无功补偿装置,延长供用电设备的使用寿命、实现节能降耗。

  (1)补偿电容器容量的相关因素

  ①供电变压器的空载无功补偿。一般选变压器总容量3%并联电容器作为固定补偿,以补偿变压器的空载无功损耗。

  ②确定多路补偿的容量梯度。了解用电负荷最大值、最小值、负荷的波动情况,以确定电容器的投切步长和分组路数,做到对无功变化的精确跟踪。

  ③平衡补偿、分相补偿、复合补偿的选择。确定三相负荷的不平衡程度,必要时进行现场测量,以确定采用三相平衡补偿还是复合补偿方式。三相严重不平衡时最好选用适当容量的分相补偿。

  ④确定补偿电容器的总容量。测量自然功率因数,确定目标功率因数,根据两者之差确定所需的无功补偿总容量。若已知有功功率P、自然功率因数cosΨ1、目标功率因数cosΨ2,则所需补偿的电容器总容量ΔQ=P(tanΨ1-tanΨ2)。

  ⑤确定是否采用抗谐波无功补偿电容器。电网谐波分量较大时进行现场谐波测试,必要时采用与电抗器配套设计的专用电容器,以防在较大谐波的作用下补偿装置无法正常运行或损坏电容器。

  (2)无功补偿控制器的选择

  严格按照DL/T597《低压无功补偿控制器订货技术条件》、JB/T9663《低压无功功率自动补偿控制器》等专业标准中规定的各项要求,依据具体的补偿需求和负荷特性选择专业化厂家生产的合格控制器。

  ①电网负荷波动不大且三相负荷基本平衡,仅以提高功率因数为目标时,可选用功能单一、操作简便的简易型无功补偿控制器。其控制物理量不做严格要求,可采用无功功率、无功电流或功率因数作为控制物理量,也可采用复合型控制物理量及较简单的循环投切模式,即达到较好的无功补偿效果又降低设备的制造成本,而且设备便于维护。

  ②电网负荷波动频繁且最大与最小负荷差距较大,但三相负荷基本平衡时,宜选用性能较好的控制器。以无功电流或无功功率作为控制物理量,投入和切除门限应能分别设定,以防出现投切震荡,同时还应当具有过压和欠流等保护功能;最好采用可进行程序控制的“编码+循环”投切方式,以确保控制器能够快速准确地对无功功率的变化进行动态跟踪补偿。

  ③电网负荷波动频繁且最大负荷与最小负荷差距较大,同时三相负荷严重不平衡时,控制器要求具有“分相+平衡”复合投切功能,控制物理量为复合型(无功功率+功率因数)。

  ④为了配合电网自动化的实施,在提高功率因数的同时还要求能够实时监测电网的各项运行参数。这种情况需要选择具有综合测试功能的无功补偿控制器(配电综合测控仪),除应具有前3项提到的复合型控制物理量、复合投切功能、较高的灵敏度和稳定度、较小的动作误差、过压、欠流等保护功能外,还应具有电网参数实时在线测量、数据存储、数据显示、电报校时、停电数据保护、数据采集和数据远传等功能;同时,应配套功能完善的支持性后台软件,以便对采集数据进行有效分析和直观图形显示,并能输出各类报表。若数据传输采用GPRS无线通讯方式,还可完全免掉通讯网络建设和人工抄表,节约大量的财力和人力。

  ⑤非线性负荷较多、电网谐波分量较大的情况下,必须选用具有谐波测量和谐波超限保护功能的无功补偿控制器,并选配参数合理的抗谐波电抗器,构成抗谐波无功补偿控制装置,以便在谐波较严重的工况下仍能可靠运行,达到满意的补偿效果。

  (3)电容投切装置的选择

  ①普通交流接触器。由于电容器在投入和切除时会产生很大的涌流和过压,暂态高压和投切冲击电流会导致电器绝缘击穿和接触器触头烧损,影响电容器使用寿命和对电网造成干扰。因此,普通交流接触器投切电容器的控制方式目前已基本淘汰。

  ②电容器投切专用接触器。带有抑制涌流装置的电容器投切专用接触器是在普通交流接触器的主触点上加装1套限流阻抗,在电容器投切不频繁时起到一定的作用,解决了普通接触器易烧损的问题;但其抑制电容器涌流的效果不理想,当电流较大时其限流阻抗和主触点被烧毁的现象时有发生。特别在无功负荷波动大、电容器投切频繁的情况下,其实际使用寿命一般仅1a左右。采用专用接触器进行电容器投切的无功补偿装置只适于在负荷基本平稳、且三相电压基本平衡的理想工作环境下使用。

  ③晶闸管电子开关。要提高无功补偿装置的使用寿命和投切稳定性必须彻底解决电容器投切时产生的涌流、过压和分断电弧过大等问题。利用晶闸管实现电压过零投入、电流过零切除、开关无触点、反应速度快等特性,可实现电容器的投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能,较好解决了电容器投切时产生的暂态冲击现象。目前,采用晶闸管投切电容器(TSC)的无功补偿装置已得到较多的应用;但其最明显的缺点是在导通状态下有较大的管压降,不仅存在一定的功率损耗还产生很高的温升,需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器通风散热,同时还需使用温控开关控制轴流风扇的适时启动。轴流风扇是易损器件,一旦停止运转就会影响装置的正常运行,降低TSC无功补偿装置的可靠性。由此可见,采用晶闸管作为电容器的投切装置虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压、分断电弧等问题,但0.4kV级低压无功补偿装置安装地点分散、数量多、运行维护工作量大,晶闸管电容投切装置所暴露的缺陷在无功补偿装置的选用中已不容忽视。选用可靠性更高、使用寿命更长的免维护型电容器投切装置可实现良好补偿效果、降低运行和维护费用。

  ④机电一体化复合开关。一些专业厂家研制不同形式的机电一体化复合开关作为电容器的投切装置,其中有些机电开关已能达到良好的电容器投切效果,并取得很好的运行经验。

  (4)体会

  要使低压无功补偿装置真正实现节能降耗、延长供电设备使用寿命、提高经济效益的目的,就必须真正做到合理选型,以确保低压无功补偿装置满足具体的使用要求。在关注设备成本的同时还应该充分考虑装置的性能优劣,从而获得更好的效果。

  5 电压无功综合控制装置的改进与应用

  电压无功综合控制装置(VQC)是一种无功调节和变压器分接头调节的综合自动控制装置。自从20世纪90年代问世以来,由于改变了过去靠人工调节变压器分接头的弊端而得到广泛应用。传统的VQC装置采用九区图算法在平稳负荷下能发挥良好作用,但是在负荷变换频繁的场合容易使变压器分接头动作次数过多,而变压器的分接头动作5000次就需要大修。兖州矿业(集团)公司东滩煤矿在传统电压无功综合控制装置的基础上,针对电压、无功的各种运行情况给出相应控制策略,采用一种基于比传统九区图算法更优化的十二区图模糊算法的VQC控制方法对其进行改进。这个煤矿改造工程的实施结果表明,电压合格率和功率因数得到明显改善,变压器分接头实现自动调节,补偿效果理想。

  (1)控制原理

  VQC采用改变有载调压变压器分接头档位和投切电容器组改变变电站的电压和无功。分接头上调后电压V变大,用户设备的无功消耗增大,因而无功功率Q增大;分接头下调后V变小,用户设备无功消耗减少,因而无功功率Q减少;投入电容器时就地无功得到补偿,无功功率Q减小,同时V增大;退出电容器后无功功率Q增大,同时V变小。根据变电站有载调压变压器和电容器的配置情况,可采用以下3种调节方式:根据电压约束和无功约束实现有载调压变压器分接头调节和电容器组投切的协调控制,分为电压优先和无功优先;电容器组投切的单一控制;根据电压约束和无功约束,实现有载调压变压器分接头的单一控制。

  (2)控制策略

  VQC系列电压无功综合控制装置根据母线电压的高低和无功功率的需求状况,通过对变压器有载调压变压器分接头的自动调节和并联电容器组的自动跟踪投切,实现对变电站电压和无功功率的综合控制,保证供电的电压质量和功率因数满足期望要求,达到降低电能损耗、减少电压波动和提高设备利用率的目的。采用十二区图模糊算法时,电压上下限根据电压合格范围确定,无功功率上下限根据每组电容器容量及理想功率因数计算。考虑到投切1组电容器和分接头调节1档时引起的电压和无功功率变化值而选择最优化的模糊控制,使VQC装置在变电站电压和无功调节精度最高的情况下,对电容器组的投切和变压器分接头的调节最少,具有运行方式多样、控制方式灵活、控制方案优化、控制过程防振荡和闭锁功能可靠的特点。例如,根据已经得出的十二区图边界条件,装置判断出供电系统当前运行在第8区,经过区间延时确认后,如果具备变压器测压条件,则装置执行1次第一方案“变压器降压”操作;否则,就判断是否具备电容器投切条件,执行1次第二方案“投入电容器”操作;如果变压器调压和电容器投切条件均不具备,则装置在本区域不执行任何操作。又如,装置判断出系统当前运行在第6区,经过区间延时确认后,如果具备变压器调压的条件,则装置执行1次第一方案“变压器升压”操作;否则,装置在本区域不执行任何操作。

  (3)装置技术特点

  ①运行方式多样。装置可满足供电系统多种运行方式对主变压器和电容器组的控制要求,用户可根据供电系统实际运行状况设置相应的运行方式。

  ②控制方式灵活。装置对主变压器调压或电容器组投切有“自动”或“遥控”2种控制方式供选择,并且可以分别设置每台主变压器的调压和每段母线上电容器组的投切状态。

  ③控制方案优化。装置在全自动控制方式下可以根据供电系统当前所在区域和相关开入量,自动判别被控主变压器及电容器组的状态,选择最优的控制方案,无须人为干预。

  ④控制过程防振荡。供电系统正常运行过程中负荷随时变化,无功功率定值不容易确定。但是,供电系统对功率因数的允许范围有明确规定,因此装置以设置理想功率因数代替对无功负荷限值的整定,并最终以供电系统的电压和无功功率作为基本动作条件,有效防止无功负荷整定不准确导致的装置拒动或频繁动作等问题。

  ⑤闭锁功能可靠。装置可以接入主变压器、电容器组等控制对象的非正常运行或保护动作信号,闭锁相关操作,保证自动控制过程的安全性。

  (4)工程应用

  东滩煤矿35kV变电所有3台双分裂绕组变压器,1#、2#为SFFZ9-35/20000kVA型、3#为SFFZ9-35/16000kVA型。1#、2#变压器互为备用,平时1#、3#变压器运行。1#变压器供全矿其它负荷电源;3#变压器专供主、副井提升机,以限制可控硅电源装置的高次谐波对其它用电设备的影响。1#(2#)变压器6kV侧为双母线系统,母线为分段分列运行方式,其中4I、4II两段母线各装有1套电容补偿装置,每套补偿装置的容量均为2100kvar。随着生产规模的不断扩大,原有的电容补偿装置已无法满足要求,导致供电系统功率因数较低;而且,固定投切方式的电容补偿装置无法随着负荷变化而自动调节,经常出现轻负荷时过补偿引起供电系统电压异常升高现象,直接影响矿井的供电质量和经济效益。他们于2008年3月对1#变压器进行改造,在6kV侧4I、4II段母线各安装1套VQC型高压无功补偿装置。每套装置的补偿容量均为4500kvar,采用4组等容投切方式,每组容量均为1125kvar。投入运行后,装置可跟踪负荷的变化投切电容器组,使功率因数稳定在0.93~0.98。VQC调节实现了用户的电压和无功综合控制要求。此母线2008年4月和5月的电压合格率分别为98.2%和98.6,电压合格率比VQC装置投运前得到明显改善,补偿效果较为理想。

  (5)体会

  东滩煤矿改造工程的应用实践证明,VQC装置采用十二区模糊算法综合控制电压和无功的运行,能准确调节变压器的分接头和无功补偿投切开关,采用十二区图模糊算法明显优于九区图算法,使高压VQC装置取代传统无功补偿和手动调节电压成为可能,变电站无人值守有了强力保证。但是,受变压器分接头调节次数的限制和电容器投切开关不能频繁投切的制约,VQC装置的性能不能得到充分发挥。随着电子调压技术的发展、无触点开关的完善、变压器分接头寿命的提高、电容器晶闸管过零投切的实现,VQC装置的性能将得到充分发挥。

  参考文献

  [1]郭纪俊.压风机低压供电系统动态无功补偿技术研究[J].科技信息,2012,29(5):192-193.

  [2]宋晨星.低压无功补偿装置的器件分析和选型[J].山东煤炭科技,2010,28(2):162-164.

  [3]孙彦良.电压无功综合控制装置的改进与应用[J].工矿自动化,2009,32(5):92-95.

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