TCR型SVC电弧炉补偿设计.docx
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TCR型SVC电弧炉补偿设计.docx
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TCR型SVC电弧炉补偿设计
×××钢铁有限公司
35kV动态无功补偿(SVC)成套装置
技术方案书
×××有限公司
1.整体方案说明
本工程所需补偿负荷为8M的电弧炉一台及4M精炼炉一台,负荷电压等级为35kV。
EAF炉和LF炉为特殊的冲击性负荷,在冶炼过程中快速的无功波动及冲击将会在电网中产生电压波动和闪变,另外由于EAF炉和LF炉为非线性负荷,在运行过程中将产生各种高次谐波,污染电网,对电网中其它机电设备造成危害。
为此需在该工程的35kV母线上设置一套静止型动态无功补偿(SVC)成套装置。
TCR部分安装容量为8.5Mvar。
FC部分设置2、3、4次三个滤波通道,基波补偿容量8.5Mvar,安装容量12.6Mvar。
滤波装置(FC)配置
滤波支路
2HP
3HP
4HP
系统额定电压(kV)
35
35
35
三相电容器装机容量(kvar)
3600
4200
4800
额定调谐频率(HZ)
100
150
200
接线方式
单星
单星
单星
单台电容器额定容量(kvar)
300
350
400
单台电容器额定电压(kV)
8
6.75
5.75
每相电容器串并联数
1并4串
1并4串
1并4串
滤波电抗器额定电流(A)
37.5
51.8
69.5
滤波电抗器额定电感(mH)
679.06
184.17
65.78
2.TCR型SVC
2.1控制原理说明及框图
2.1.1一般电力系统用户负荷吸收有功功率
和无功功率
。
简单的负荷连接
电源提供有功功率PS和无功功率QS(可能为感性无功,也可能是容性无功),忽略变压器和线路损耗,则有
,
。
没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题:
1)电网从远端传送无功;
2)负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量。
因此,电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功补偿,以提高电力系统的带载能力,净化电网,改善电网电能质量。
3.1.2可调电抗器补偿无功
带有可调相控电抗器无功补偿装置的系统
假设负荷消耗感性无功(一般工业用户都是如此)QL,负荷的最大感性无功为Qlmax,则若取QC=Qlmax,即系统先将负荷的最大感性无功用电容补偿。
当负荷变化时,电容与负载共同产生一个容性无功冲击,QP=QC-QL,这时,用一个可调电抗(电感)来产生相对应的感性无功QB,抵消容性无功冲击,这样在负荷波动过程中,就可以保证:
QS=QC-QB-QL=0
3.1.3相控电抗器(TCR)产生连续变化感性无功的基本原理
TCR原理及TCR电压电流波形图
如上图所示,U为交流电压,Th1、Th2为两个反并联晶闸管,控制这两个晶闸管在一定范围内导通,则可控制电抗器流过的电流i,i和u的基本波形如上图所示。
为Th1和Th2的触发角,则有
i的基波有效值为:
V:
相电压有效值
ωL:
电抗器的基波电抗
因此,可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角
来控制电抗器吸收的无功功率的值。
2.2SVC系统的组成及控制原理
2.2.1SVC系统组成(示例)
SVC组成示意图
2.2.2SVC控制系统的基本组成
SVC控制系统的基本组成示意图
2.2.3无功控制,保证功率因数及抑制电压波动
SVC连接到系统中,电容器提供固定的容性无功功率QC,通过相控电抗器的电流决定了从相控电抗器输出的感性无功值QTCR,感性无功与容性无功相抵消,只要QN(系统)=QV(负载)-QC+QTCR=恒定值(或0),功率因数就能保持恒定,电压几乎不波动。
最重要的是精确控制晶闸管触发,获得所需的电抗器电流。
采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率,计算机发出触发脉冲,光纤传输至脉冲放大单元,经放大后触发晶闸管,得到所补偿的无功功率。
3.1电弧炉供配电系统和设备参数
1)电网参数
公共连接点(PCC点)系统35kV母线
系统额定电压
kV
35
系统额定频率
Hz
50
最高系统电压
kV
38.5
短路容量
MVA
230.7
2)电弧炉(1台)、精炼炉(1台)、变压器、短网参数配置:
A.20T电弧炉变压器容量为8MVA
电弧炉变压器参数
额定容量
MVA
8
一次电压
kV
35
二次电压
V
260~200~139
6级有载调压
二次额定电流
A
19000
阻抗电压
%
7.42
连接组别
Y/d11
B.精炼炉变压器容量为4MVA
精炼炉变压器参数
额定容量
MVA
4
一次电压
kV
35
二次电压
V
215~188~155
5级有载调压
二次额定电流
A
14728
阻抗电压
%
6.86
连接组别
Y/d11
3.2电能质量技术指标
电能质量考核点(PCC点)为35kV母线侧,项目实施后35kV母线将达到的技术指标为(按国标):
1)35kV母线处谐波电压限值如下:
总的谐波电压畸变率:
2.4%
奇次谐波电压畸变率:
1.6%
偶次谐波电压畸变率:
1.0%
2)35kV母线谐波电流限值按国标GB/T14549-93的规定
3)35kV母线电压波动允许值:
变动频度>10次/h时允许电压波动≤2%
4)电压闪变(按GB/T12326-2000的规定):
Pst<0.8%
5)月平均功率因数:
35kV侧达到0.95以上
4.SVC系统设计
4.1SVC容量计算
4.1.1阻抗计算
供电系统阻抗系统图1如下:
图1.供电系统等效阻抗图
取基准短路容量Sj=100MVA,根据招标文件提供系统参数,可以算出各阻抗参数的标么值。
35kV-PCC点系统阻抗:
电弧炉阻抗参数:
炉变阻抗:
短网阻抗:
注:
电弧炉短网阻抗选取26%。
精炼炉阻抗参数:
炉变阻抗:
短网阻抗:
注:
精炼炉短网阻抗选取2.8mΩ。
4.1.2无功冲击计算
①电弧炉正常工作时,最大无功冲击量:
电弧炉最大无功波动量:
②精炼炉正常工作时,最大无功冲击量:
精炼炉最大无功波动量:
③两台炉子同时工作时最大无功冲击(利用四次方原理):
两台炉子同时工作时最大无功波动量:
4.2SVC容量确定
4.2.1电压波动定容法
35kV母线允许的无功变动量QYX:
母线短路容量SD=230.7MVA,允许的电压波动d=2%
QYX=d×SD=4.6Mvar
抑制电压波动的无功补偿量Qb1:
Qb1=(ΔQ’max-QYX)=18.68-4.6=14.08Mvar
4.2.2电压闪变定容法
PCC点电压波动、闪变和不平衡度的计算:
电压波动:
短时电压闪变:
长时电压闪变:
对35KV,来说改善电压闪变所需基波无功补偿最大动态调节量:
闪变改善系数:
(注:
补偿率和改善率:
TCR型动态无功补偿装置抑制闪变的性能主要决定于补偿装置的容量即无功功率补偿率和响应时间(见《电压电流频率和电能质量国家标准应用手册》P127);
l=SSVC/ΔQmax×100%
式中ΔQmax——波动性负荷最大无功功率变动量Mvar;
SSVC——SVC可控部分的无功功率的额定值,也称TCR额定容量;
补偿器比10ms更长的响应时间几乎不能有效地抑制电弧炉的电压闪变。
响应时间为10ms时,最大的改善率为50%,响应时间为5ms时,改善率可达70%以上,此时补偿率为80%。
)
补偿系数α=0.7
最大动态调节量Qb=
取上述两种方法的大值:
Qb=15.55Mvar
提高系统平均运行功率因数所需最大静态基波无功补偿量(按提高到0.95计算):
电弧炉提高功率因数的无功补偿量QC:
QbEAF=1.2ST-EAF×cosφ1(tgφ1-tgφ3)
=1.2×8×0.916×(0.438-0.33)
=0.95Mvar
式中:
cosφ1=0.916,补偿前的功率因数,tgφ1=0.438
Cosφ3=0.95,补偿后的功率因数,tgφ3=0.33
精炼炉提高功率因数的无功补偿量QC:
QbLF=1.2×ST-LF×cosφ2(tgφ2-tgφ3)
=1.2×4×0.928×(0.401-0.33)
=0.32Mvar
式中:
cosφ2=0.928,补偿前的功率因数,tgφ2=0.401
cosφ3=0.95,补偿后的功率因数,tgφ3=0.33
综上分析,电炉正常运行时,TCR电抗器在整个运行期间,可认为吸收的无功功率平均为其额定容量的50%—60%,所以平衡电抗器所需的电容器容量为电抗器额定容量的50%—60%。
补偿容量为:
QC=0.5*Qb+QbEAF+QbLF
=0.5*15.55+0.95+0.32
=9.05Mvar
考虑各类损耗、变压器过载、其他负荷影响等因素,总容量取一定的裕量:
QC=9.5Mvar
综上分析,最终确定FC部分补偿容量为9.5Mvar,TCR容量为:
9.5Mvar。
基于上述运算,在未对负荷进行实测的情况下,可以设置补偿容量为9.5Mvar,其中因考虑余量的关系,补偿容量会略大于实际所需的补偿容量。
4.3负荷实测数据分析对比
于4月底对贵公司的电弧炉负荷进行实测,实测数据见下表:
实际所需的无功补偿容量为8.278Mvar,与计算值基本一致。
考虑到实测数据更接近负荷情况,此方案设置补偿容量为8.5Mvar。
此外35kV侧系统谐波电流(2-11次谐波)实测情况如下表所示:
4.4滤波器FC设计
4.4.1滤波器设计原则
1)滤波器发出的无功满足补偿功率因数、吸收谐波电流、抑制电压波动及闪变的要求;
2)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;
考虑以下因素:
a)母线电压水平;
b)串联电抗器后电容器两端电压升高
;
c)谐波电流通过电容器引起的谐波电压
;
d)电网电压波动引起电压升高;
3)滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求;
4)滤波器设计时应进行充分的计算机仿真计算及数据库选优,经多个方案比较,选择最佳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;
5)对滤波器的安全运行应进行仔细校验。
4.4.2谐波电流
根据技术规范书中提供谐波电流发生量及对电弧炉、精炼炉产生谐波长期测试经验,本项目35kV各次谐波电流值如下:
8.5MvarTCR产生的谐波电流计算值
谐波次数
2
3
4
5
6
7
8
TCR谐波电流值
1
7.96
1
12.59
1
5.65
1
谐波合成计算过程(电炉谐波详见4.2节):
谐波国标中规定在假定基准短路容量下注入系统公共连接点的各次谐波电流允许值满足国家标准要求。
当进行谐波电流合成时,根据国标要求所采用的叠加系数见下表:
相位叠加系数的取值
H
3
5
7
11
13
9,>13,偶次
1.1
1.2
1.4
1.8
1.9
2.0
谐波合成后,各次谐波电流值如下:
谐波次数
2
3
4
5
6
7
9
合成谐波电流
11.03
18.90
6.35
16.61
3.72
7.13
1.46
4.4.3滤波器设置
谐波电流注入35kV侧的情况,滤波支路设置方案:
加装2次、3次、4次三组滤波器。
所有滤波器同TCR均直挂在35kV母线。
根据所需的无功补偿量及以上所计算的各次谐波电流大小,利用计算机仿真软件得到的滤波装置(FC)方案如下:
我们充分考虑贵方原有电容器型号,进行容量扩充,使原有电容器均可以用在本次方案中。
滤波装置(FC)配置
滤波支路
2HP
3HP
4HP
系统额定电压(kV)
35
35
35
三相电容器装机容量(kvar)
3600
4200
4800
额定调谐频率(Hz)
100
150
200
接线方式
单星
单星
单星
单台电容器额定容量(kvar)
300
350
400
单台电容器额定电压(kV)
8
6.75
5.75
每相电容器串并联数
1并4串
1并4串
1并4串
滤波电抗器额定电流(A)
37.5
51.8
69.5
滤波电抗器额定电感(mH)
679.06
184.17
65.78
4.3.4滤波器安全校核
滤波电容器安全值校核公式:
≤1.3ICN
式中:
IC1——流过电容器的基波电流
ICn——流过电容器的第n次谐波电流
ICN——电容器的额定电流
滤波电容器安全值校核公式:
Uc1+ΣUcn≤1.1UCN
式中:
UC1—电容器组承受的基波电压
UCn—流过电容器的n次谐波电流在电容器两端产生谐波电压
UCN—电容器的额定电压
结论:
注入电容器组的总电流引起的过载倍数小于1.3,具有较大的裕度。
在最高运行电压下,总合成电压小于电容器的额定电压的1.1倍,即使谐波电压对电容器介质有加速老化作用,此裕度亦可完全保证使电容器安全运行。
通过仿真分析后,可知该系统参数选择合理,可满足功率因数补偿的要求,并且可稳定电网电压波动,滤除谐波的效果理想,系统具有良好的稳定性,且SVC装置投运后与系统不发生并联谐振问题。
5.1SVC保护配置
我公司的SVC装置按照有关规程规范配备了所需的全部保护,主要包括TCR支路及FC支路保护。
其中,TCR支路设置了双重微机保护,电流信号采取角内和角外电流互感器。
除设置微机保护外,SVC监控系统中还有对控制系统的保护。
这些都为TCR相控电抗器及TCR阀组提供了完善的保护设施。
以上保护可实现:
✧母线过电压保护
✧母线欠电压保护
✧TCR过流保护
✧TCR速断保护
✧TCR反时限电流保护
✧BOD动作保护
✧同步信号保护
✧丢脉冲保护
✧误触发保护
✧冷却系统故障保护
FC支路采用微机保护,电流信号采取各滤波支路的电流互感器。
电容器保护配备了中性点不平衡电流保护,信号取自中性点电流互感器。
电压信号采取母线电压互感器。
装备故障跳闸信号指向馈线开关柜,保护功能如下:
✧母线过电压保护
✧母线欠电压保护
✧滤波支路过流保护
✧滤波支路速断保护
✧中性点不平衡电流保护
6SVC招标范围及供货清单
主设备主要元件清单
序号
名称
规格型号
数量
TCR部分
1
35kV晶闸管阀组
1套
2
35kV相控电抗器
BKGKL-35-81A-2*464mH
1组
3
全数字控制系统
控制、保护装置
1套
FC部分
1
2次滤波支路
滤波电抗器
LKGKL-35-679.06mH-37.5A
1组
2
滤波电容器
AAMr8-300-1W
12台
3
3次滤波支路
滤波电抗器
LKGKL-35-184.17mH-51.8A
1组
4
滤波电容器
AAMr6.75-350-1W
12台
5
4次滤波支路
滤波电抗器
LKGKL-35-65.78mH-69.5A
1组
6
滤波电容器
AAMr5.75-400-1W
12台
其他
1
必要电气元件
隔离开关
GW4-40.5D(W)/630A
4组
避雷器
HY5WR-51/134
12只
六氟化硫断路器
LW8-35
1台
电流互感器
LCWD-35
12只
2
辅材
一二次导体、框架等安装辅材
1套
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