35kv高压动态无功补偿成套装置zrsvc

第一章 项目概述

1.1前言

乐清市中容电力补偿设备有限公司研制生产的动态无功补偿谐波滤除装置是专用于电网3次、5次、7次、11次、13次及以上的谐波无源滤波装置。适用于中频冶炼、电弧炉、轧钢、整流设备等的环境。该装置采用了电感和电容器组成串联谐振吸收回路，有效的将负载产生的谐波加以吸收，从而避免将谐波电流返送到电力变压器，大大降低电网的谐波量，同时有利于用户电力变压器的运行，降低功耗，提高设备和其它电器组件的可靠性。此外该设备还提供一定容量的无功功率补偿，提高用户负载的运行效率。该装置分综合控制保护屏，磁控电抗器，励磁控制箱，真空断路器，滤波电抗器滤波电容器三柱差压放电线圈及电容器安装框架，视用户要求不同，配置的滤除谐波次数也不同。系统的操作可分自动运行和手动操作。

1.2谐波的基本定义及基础知识

1.2.1领域内关键词语的基本概念

★ 谐波：（harmonic） 对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。我国供电系统频率为50hz，所以3次谐波的频率150hz。5次谐波的频率为250 hz。7次谐波的频率为350 hz。11次谐波的频率为550 hz，13次谐波的频率为650 hz。

★ 公共连接点：（pcc）用户接入电网的连接处。

★ 总谐波畸变率：（thd）周期性交流量的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以thdu表示，电流总谐波畸变率以thdi表示。

★ 谐波源（harmonic source）：向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

★ 感性无功：电动机，变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。

★ 容性无功电容器在交流电网中接通时在一个周期内，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。

★ 功率因数：有功功率与视在功率的比值称为功率数。

★ 功率因数调整电费：实行两部分电价制度的用电企业，供电部门根据用户平均功率因数而加收或减免的电费，称为功率因数调整电费

1.2.2谐波的产生和危害

● 谐波的产生

谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸的变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50hz的基波分量和频率为基波分量整数倍的谐波分量。

● 谐波的危害

    ★ 影响供电系统的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。

★ 影响电网的质量：高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。

    ★ 影响供电系统的无功补偿设备：供电系统变电站均有无功补偿设备，当谐波注入电网时容易造成高压电容过电流和过负荷，使电容异常发热：另外谐波的存在还会加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的使用寿命。

★ 影响电力变压器的使用：谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。

  ★ 影响用电设备：谐波的存在会造成异步电机电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。

1.2.3治理谐波及补偿无功功率的重要性

采用专门的滤波装置能够有效的滤除高次谐波，同时向电网提供容性无功功率，其重要性主要表现在以下方面：

    ★ 滤除高次谐波能够定化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用电设备和输配电设备中的发热，直接节省有功功率；消除由于谐波产生的震动，延长电器的使用寿命；有效的消除对敏感元件的影响。

★ 由于滤波回路是由电抗器和电容器串联形成的，所以在滤波的过程中能向电网注入容性无功，提高了功率因数，这样就能避免供电部门高额的功率因数调整电费，由于无功电流的抵消，也相当于提高了配电设备的容量，减少了线损。无功功率补偿还能提升末端的电网电压，对优化用电环境有很重要的意义。

    在设计滤波器时，首先应满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求，然后在次前提下，使滤波器在经济上Zui为合理。除以上经济分析外，设计滤波器还应注意以下两点：

1）单调滤波器的谐振频率会因电容，电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。设计时应保证在正常是谐的情况下滤波装置仍能满足各项要求。

2）电网阻抗变化对滤波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有较大影响，而更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时应充分予以考虑。

电弧炉对电能质量的影响

电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。
　　在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据西北电研院实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%~6%及以上，严重时可达20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。
　　电弧炉电极间电压的典型值在60~600v范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为12v/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，Zui高和Zui低电压可相差2~5倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称；含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。
　　在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。
　　实际上电弧炉Zui重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。大型电弧炉会引起对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。此类冲击性负荷会引起电网电压波动。频率在6~12hz范围内的电压波动，即使只有1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。尤其是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动（有时还包括频率波动）和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用电。
　　电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的20%左右。Zui大负序电流都发生在两极短路时，但这时谐波电流含量不大。必须指出，电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而是要小一定数值，一台30t的电弧炉的电能扰动影响比6台5t电弧炉的影响要大得多。从闪变影响来讲，6台5t的电弧炉尚不及一台10t炉的影响大。电弧炉的谐波影响也是主要取决于Zui大一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。国内外经验表明，"超高功率"电弧炉有时成为当地Zui重要谐波源和多种扰动源。但对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。

电弧炉本身的功率因数较低，大概在0.2-0.8左右，这样就需要对供电线路进行无功补偿，以将功率因数提高到国家规定的0.9以上，已达到平衡电网，避免力调电费罚款等目的。对电弧炉来说，它是利用电弧产生高温熔化矿料。单位面积上的热效应是电炉炉况的一个重要指标，因此炉变向炉膛提供的有功功率小，达不到设计指标，造成电耗高，增加冶炼成本，此时需要对供电新路进行无功补偿。针对电弧炉冶炼而言，无功的产生主要是由电弧电流引起的，而短网的大电流特征决定了无功主要以无功电流的形式体现，从而造成供电电网的有效电压下降。如果加装无功补偿，在提高功率因数的同时，也会提高供电线路的有效输出率，降低变压器、电网的无功消耗。

1.3项目业主有关情况

根据用户勘测的供电系统运行参数资料可知，该配电系统运行容量Zui大约38900kva，35kv侧主要负载为35kv-2台电弧炉，一台精炼包钢炉，高压双母线分段运行，在工作时不同程度地产生了一定的谐波发生量，根据测试设备运行参数及我公司对其它同类型项目的谐波测试数据分析可知工作时，谐波电流畸变率将会远远超出国标《电能质量公用电网谐波》gb/t 14549-93的国家标准限值。高次谐波电流注入上端35kv电网，将导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损和用电设备的损耗，造成了多余的能耗，同时影响电网其他用电设备的正常运行，降低了电能质量，对设备的安全运行造成了安全隐患。同时由于设备运行时随着负荷的变化功率因数变压也较大，用户平均负荷在28900kw左右，平均功率因数在0.87左右,这将产生多余的无功损耗，给用户造成较大无功罚款，使用户蒙受了较大的电费损失;

为了保证设备正常运行、供电系统可靠供电和节约电能，需要对该设备采取无功补偿抑制谐波电流的技术措施，同时考虑补偿基波无功功率。根据我国有关电网电压质量的标准规定，以及目前国内外在谐波治理方面的研究成果，采用滤波兼补偿技术方案，针对该用电设备产生的特征谐波分别设置滤波回路，吸收谐波电流，同时也起到补偿基波无功功率、节约电能的作用。

乐清市中容电力补偿设备有限公司生产的谐波治理设备具有跟随负荷的变化的特性，能有效提高电网的电能质量、功率因数和节约电能，同时提高整个用电系统运行的可靠性及设备运行效率，降低运行成本和设备维护费用，延长设备的使用寿命，给用户带来明显的经济效益。

1.42.3设计遵循的主要标准

2.3.1总设计及制造标准：

电能质量公用电网谐波gb/t14519-1993

电能质量电压波动和闪变gb12326-1000

电能质量供电电压允许偏差gb12325-1990

    电能质量  三相电压允许不平衡度   gb/t 14543-1995

《钢铁企业电力设计手册》

国标gb1027     《电压互感器》

国标gb/t5356   《电压互感器试验导则》

国标gb1028     《电流互感器》

国标gb16847    《保护用电流互感器暂态特性技术要求》

国标jb/t5356    《电流互感器试验导则》

国标 gb11032-1000  《交流无间隙金属氧化物避雷器》

gb/t 15291-94        《半导体器件 第6部分晶闸管》

2.3.2电容器

电工术语电力电容器gb/t2900.16-1996

2.3.3电抗器

电抗器     gb10229-88

电抗器 iec289-88

2.3.4施工

电气装置安装工程接地装置施工及验收规范gb50169-92

电气装置安装工程盘柜及二次回路结成施工及验收规范gb50171-92

电器外壳防护等级gb5013.1-1997

2.4方案设计、设备选型

2.4.1滤波方案设计、分析及设备选型

2.4.1.1基波补偿容量及安装容量的确定

根据测试数据显示以及部分生产设备装置功率因数,以如下公式计算出需要补偿的无功功率(总功率p取38900kw，pf=0.87)。

q＝p（－）

计及滤波电抗的滞后无功作用，取补偿后的cos=0.98　无功需求量为14400kvar,设计装置装机容量为：14400kvar基波输出容量9995kvar。

根据用户提供的现场技术要求，以及我公司谐波数据分析，结合我公司以往对其它同类型项目的设计经验，通过计算、本方案设计在高压侧加装一套动态滤波无功补偿装置，（能满足用户月平均功率因数在0.95以上），装置共分为2、3、5、三条滤波支路。由于考滤到滤波装置投入后吸收大量谐波电流注入各滤波支路，因此滤波装置在满足基本补偿容量的同时，必须得加大安装容量。

滤波无功补偿成套装置的一次接线图如下图所示：

每套装置设三个滤波支路一个mcr磁控电抗器支路，进线控制开关由真空断路器控制，zw7单独控制，控制方式：h2、h3、h5、滤波支路隔离开关与控制柜之间有连锁，控制方式如：h2次滤波回路有事故跳闸联动跳h3、h5次滤波支路，滤波器手动操作隔离开关控制，隔离开关辅助接点反馈信号去35kv滤波控制断路器 上，电气连锁保证设备正常操作顺序联动。

 滤波器电容器内部故障及成套保护

a.  过电压保护

b.  失电压保护

c.  电流速断保护

d.  氧化锌避雷器抑制过电流保护

e.  操作过电压

f.  单台滤波电容器采用喷逐式熔断器

g.  放电线圈放电保护

滤波器保护可以装在综合控制屏上。其中过电压和欠电压保护四个支路共用一套即可。

  对滤波器的监控要求

由于滤波器整体对35kv调谐，一般不允许每套滤波器的某个支路单独运行（以免对低次谐波产生放大，滤波器的监控可实现对滤波器的控制和监视，监控具备以下功能：

   a．对滤波器进行程控投切，控制滤波器支路的投切先后顺序、投切时间间隔，故障连琐跳闸；

   b.记录保护动作、电压、电流、有功功率、无功功率等参数；

   c．根据系统谐波电压或功率因数自动控制滤波器的投切套数，也能手动控制滤波器的投切；

   d.指示故障类型；

e.测电容器的放电容状况等；

滤波器成套设备

  单套滤波装置分 3个滤波支路一组mcr磁控电抗器采用1台高压断路器；

 滤波回路组合的电路结构

 每相回路由滤波电容与滤波电抗串联，三相由二串接成y型，中性点绝缘，含差压检测保护（输出给控制柜微机保护），等。电容器组并接放电线圈，各滤波回路接入避雷器，熔断器等。

成套装置的控制原理

根据自动控制器对系统的无功功率取样，自动调节磁控电抗器的晶闸管控制角，改变铁心的磁导率，使电抗值连续可调，从而实现无功平滑补偿。

 成套装置的技术参数

    a.额定电压：35kv                b. 额定频率：50hz

    c.控制量：电压、功率因数        d.控制精度：0.5%

    e.可控硅阀结构：箱式            f. 可控硅冷却方式：自冷

    g.控制系统：全数字控制系统      h.控制方式：无功功率

    i. 过载能力：110%               j.调节方式：三相

k.系统响应时间：20-50ms     l.噪音水平：65db

4. 成套装置主要部件的技术参数

4.1 mcr控制器：

⑴ mcr控制器主要技术指标：

a. 本装置电源： dc220v

b. 交流电压取样：100v

c. 交流电流取样：0～5a

d. 功率因数整定：0.82～1可调

⑵ 晶闸管额定电压：1%-2%的系统电压 

 磁控电抗器

a. 型式：三相、户外、油浸自冷、连续运行

b. 频率：50hz

c. 温升限值：电抗器正常运行时，绕组平均温升不超过 65k，顶层油温不超过 55k

d. 电抗器正常工作时产生的谐波含量: 5次≦2.5%,7次≦1.1%

e. 设计正常使用寿命为20年以上

f. 自动控制阀柜安全、可靠稳定的，且能保证控制精度

滤波器设计原则

滤波器发出的无功应能满足补偿功率因数、抑制电压波动的要求；

选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行；应考虑以下因数：

1.      母线电压水平；

2.      串联电抗器后电容器两端两端电压升高 ；

3.      谐波电流通过电容器引起的谐波电压 ；

4.      电网电压波动引起的电压升高；

5.      电容补偿装置投入后引起的电压升高；

滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求；

滤波器设计时应进行充分的计算机仿真计算及数据库优选，经多个方案比较，选择方案；

对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振；

对滤波器的安全运行应进行仔细校验。

补偿后35kv岀线侧功率因数cos ≥0.95。

35kv母线谐波电流限值按国标gb/t14549-93的规定应满足要求。

  2.2谐波电流分析原则

当电网公共节点的短路容量不同于100mva标准容量时，按照《电能质量公用电网谐波》国家标准提供的修正谐波电流的公式

ih=ihp×sk1/sk2                      （1）

其中，sk1――公共节点Zui小短路容量

        sk2――基准短路容量

           ihp――表4中第h次谐波电流

           ih――短路容量为sk1时第h次谐波电流允许值

按以上方法换算，得出公共连接点所有用户向配电系统注入的各次总谐波电流允许值后，即可用下式算出同一公共连接点允许第i个用户注入的第h次谐波电流的允许值：

式中  ih─　按式（1）换算的第h次谐波电流允许值，a；

su─　第i个用户的用电协议容量，mva；

      st─　公共连接点的供电设备容量，mva；

α ─　相位迭加系数，按国标取值gb/t14549-93的规定取值。

2.4.1.2分析及校验

采用滤波补偿方案，分析比较了多种效果，由于系统中的实际谐波发生量较大，在相同基波的补偿容量下，采用2、3、4、组合有利于对系统的实时无功补偿及Zui大限度吸收2、3、4、次谐波电流，同时避免对其它次谐波产生放大。

滤波装置投入后系统稳定，不会与用户供电系统发生整数次的特征谐波放大。

注意：滤波电抗器调节范围是考虑到电抗器电感制造误差－1%~＋1%，滤波电容器组制造误差0%~＋1%计算出来的，但制造厂制造的滤波电抗器范围一般在－5%~＋5%，这样必须对电抗器运行波动范围、滤波电容器的制造误差加以限制，品质因数制造误差0%~＋10%;

 经济效益分析

     提高功率因数后可以达到节约电能、降低损耗的目的，同时用户也可以减少电费的支出。我国的电价结构包括基本电费、电能电费和按功率因数调整电费三部分。因此，用户通过合理的无功补偿投资，也能获得较好的经济效益。而目前许多用户对提高功率因数的重要性认识不足，造成了电能的损失和浪费。

1、力率电费的节约，下表为以功率因数为0.9为考核点时的力率电费调整情况

本产品的加工定制是是，品牌是中容，型号是ZRSVC，额定电压是0（V），额定频率是50（hz），介电强度是0（V），整机功耗是0（W），产品认证是ISO9001