煤礦供電系統動態無功補償裝置（SVC）的應用研究

張承汗

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司， 山西 大同 037007）

引言

虎龍溝煤業公司35 kV 變電所有2 臺變壓器，1 臺運行，1 臺備用，2 臺主變壓器容量均為12 500 kVA，型號SZ9-12500/35、35/6.3 kV，兩臺主變分列運行，擔負著全礦供電的任務。主變原采用大容量無功補償裝置FC，從實踐情況來看，該礦供電系統采煤設備電負荷功率嚴重偏低，在生產過程消耗大量的無功功率，不僅造成額外的電能損耗、降低配電設備的利用率，還產生了大量的諧波，對電網造成嚴重污染，威脅電力設備的安全運行。選擇合理的無功功率補償裝置，成為了該礦供電系統必須確定的一個課題。本文通過采用動態無功補償裝置（SVC）應用于虎龍溝煤業公司35 kV 供電系統中，實現了無功功率的自動補償，效果理想[1-2]。

1 35 kV 供電系統原補償應用情況分析

該煤礦35 kV 變電所主變原采用大容量無功補償裝置FC，在運行中暴露出其不足，出現向上級電網無功倒送、在輕負荷時抬高系統電壓等問題，且FC 頻繁投切電容器組，縮短了電容器使用壽命，故障率升髙，維護成本也越來越高，已很難保證井下煤礦供電系統電能質量。以下對在FC 工況下35 kV系統采集分析及無功補償容量QTCR 的計算。

對35 kV 系統工況進行現場測試，測試采用三相四線制，PT、CT 信號取自進線柜。測試時煤礦各采煤設備正常運行，原FC 補償裝置H2、H3 投入運行，H4 通道損壞，H5 自動投切。從35 kV 母線的功率因數、三相有功、三相無功和各主要諧波次數的波形曲線數據可知，35 kV 母線三相有功功率變化范圍在5.09 kW～7 070 MW 之間波動；三相無功功率變化范圍在-30.19～57.81 MVar 之間波動。從無功功率曲線數據可以看出該系統無功缺口很大，且在輕負荷時無功倒送嚴重；三相功率因數變化范圍在-0.44～0.42 之間根據。計算35 kV 母線諧波電流的允許限值，通過在線監測電力系統中諧波能量，取得35 kV 母線2～8 次諧波電流實測95%概率大值。根據計算數據可知，2 次、3 次、5 次諧波電流遠大于電網對注入公共連接點的諧波電流允許值，其中2 次諧波電流為允許值的1.34 倍，3 次諧波電流為允許值的1.85 倍，5 次諧波電流為允許值的1.09 倍[3]。

觀察測試數據分析結果可以看出，該礦35 kV系統存在以下問題：由于負荷性質決定的無功沖擊較大，無功缺口嚴重（最大達40 MVar 左右），經常出現無功倒送的情況，功率因數很低，且2、3、5 次諧波超標嚴重，嚴重危及系統安全[4-5]。

2 SVC 動態無功補償裝置及其冷卻系統性能對比

通過技術調研可知，有源濾波采用IGBT 可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的，通過改變設置實現諧波濾除和無功功率補償。但由于該項技術投入使用時間不長，目前主要應用于低壓系統中，高壓系統中的應用實例較少，其安全可靠性有待考證，且其目前的投資費用也較高。綜合考慮上述因素，最終確定采用已經過多年實踐應用的TCR+FC 型動態無功補償裝置SVC。補償容量確定后的另一個關鍵問題就是閥組冷卻方式的選擇，由于TCR 大量使用了晶閘管，其在通過大電流時將產生大量熱量，必須采取有效措施進行冷卻，目前較為普遍的是采用是熱管冷卻與純水冷卻方式。該兩種冷卻方式各有特點，熱管冷卻方式具有結構緊湊、維護方便、本身可靠性高等優點，但需要配專用工業空調，當設備容量大到一定程度，運行成本將大大提高；純水冷卻系統則具有散熱效率高，運行成本低等優點，但其由于管線接頭較多，有滲水的風險，對運行維護水平要求較高。經過充分討論對比，由于本裝置容量較大，發熱量較高，綜合考慮確定純水系統更符合我們的需要，只是需加強后期的運行維護工作。

3 SVC 動態無功補償裝置組成及原理

3.1 控制系統組成結構

SVC 動態無功補償裝置控制系統組成結構示意圖如圖1 所示，主要是由控制柜、脈沖柜、功率單元組成。控制柜采集現場的電壓、電流信號，經過計算處理后發出觸發脈沖，同時監測品閘管運行狀況；脈沖柜將觸發脈沖轉換為符合要求的脈沖信號，實現觸發；功率單元由品閘管、阻容吸收、熱管散熱器、脈沖變壓器、BUD 板以及擊穿檢測板等組成，串入電抗器回路，在脈沖信號控制下操縱品閘管通斷，使電抗器流過預期的補償電流。同時在設備側工控機和監控室側PC 機上安裝有SVC 監控軟件，可以實時掌握設備運行參數和各部分性能狀況。

圖1 SVC 裝置控制系統組成示意圖

3.2 工作原理

SVC 裝置是通過控制品閘管的導通角來連續調節其自身無功功率，不斷調節負荷功率因數，使之穩定和平衡系統電壓，消除流向系統的高次諧波電流以及平衡三相負荷等作用，達到補償用戶母線上的無功功率，補償原理如圖2 所示。圖中平衡過程為：

圖2 無功補償原理示意圖

4 實踐應用效果

將SVC 動態無功補償裝置在虎龍溝煤業公司35 kV 主變投入運行，其變電所主接線如圖3 所示。

圖3 虎龍溝煤業公司變電所SVC 主接線圖

SVC 裝置投入運行后，對35 kV 母線經補償后的功率因數、諧波電壓總畸變率、諧波電流允許值、電壓波動、三相電壓不平衡度均進行了現場測量。SVC 投運后進行了現場測試，期間煤礦生產設備均正常生產運行，具體測試數據如下：35 kV 母線平均功率因數為0.95；從A 相諧波電壓總畸變率數據可知，其95%的概率大值為1.98%；補償后2、3、5 次諧波電流實測95%概率大值與補償前實測值、折算后的允許限值對比均滿足要求；從A 相基波電壓變化數據可知，最高電壓20.55 kV，最低電壓為19.67 kV，滿足電壓波動≤2%要求；從電壓三相不平衡度變化數據可知，最大值為1.25%，最小值為0.05%，95%的概率大值為0.36%，低于2.0%的國標限值。以上測試數據表明，SVC 投運后35 kV 母線各項電能指標均符合國際標準。