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玉柴铸变SVG+FC方案

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2

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玉柴铸造变10kV SVG动态无功补偿装置设计方案
第一章 引用标准
所有设备的设计、制造、检查、试验及特性除满足规定的特别标准外，都遵照适用的最新版IEC标准和中国国家标准（GB)及电力行业（DL)标准,以及国际单位制（SI）.
DL/T672-1999 《变电所电压无功调节控制装置订货技术条件》
DL/T597-1996 《低压无功补偿控制器订货技术条件》
GB/T 11920—2008 《电站电气部分集中控制设备及系统通用技术条件》
GB 1207-2006 《电磁式电压互感器》
SD 325-89 《电力系统电压和无功电力技术导则》
DL/T 840-2003 《高压并联电容器使用技术条件》
GB 50227—2008 《并联电容器装置设计规范》
GB 311.1—1997 《高压输变电设备的绝缘配合》
GB 311。2—2002 《绝缘配合 第2部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则》
GB 311.3-2007 《绝缘配合 第3部分：高压直流换流站绝缘配合程序》
GB/T 311.6-2005 《高电压测量标准空气间隙》
GB/T 11024.2-2001《标称电压1kV以上交流电力系统用并联电容器 第2部分：耐久性试验》
JB/T 8170—1995 《并联电容器用内部熔丝和内部过压力隔离器》
GB 50227-2008 《并联电容器装置设计规范》
GB/T 11024。1-2001 《标称电压1kV以上交流 电力系统用并联电容漆 第1部分：总则 性能、试验和定额 安全要求 安装和运行导则》
JB/T 5346—1998 《串联电抗器》
GB 1985—2004 《高压交流隔离开关和接地开关》
DL/T620 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》
GB/T 11032—2000 《交流无间隙金属氧化物避雷器》
GB/T 11024。1—2001 《放电器》
GB2900 《电工名词术语》
GB/T 311。2-2002 《绝缘配合 第2部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则》
GB 5582 《高压电力设备外绝缘污秽等级》
GB/T 11022—1999 《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》
GB1985 《交流高压隔离开关和接地开关》
GB 2536 《变压器油》
GB 5273—1985 《变压器、高压电器和套管的接线端子》
GB/T 775.1-2006 《绝缘子试验方法 第1部分：一般试验方法》
GB/T 775。2-2003 《绝缘子试验方法 第2部分：电气试验方法》
GB/T 775.3-2006 《绝缘子试验方法 第3部分:机械试验方法》
GB/T 4109-2008 《交流电压高于1000V的绝缘套管》
GB 1094。1-1996 《电力变压器 第一部分 总则》
GB 1094.2-1996 《电力变压器 第二部分 温升》
GB 1094。3—2003《电力变压器 第3部分: 绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》
GB 1094.5-2008 《电力变压器 第5部分：承受短路的能力》
GB/T 6451-2008 《油浸式电力变压器技术参数和要求》
JB/T 10088-2004 《6kV～500kV级电力变压器声级》
DL/T 574-2010 《变压器分接开关运行维修导则》
GB/T 13499-2002 《电力变压器应用导则》
GB/T 12325-2008 《电能质量 供电电压偏差》
GB 12326—2008 《电能质量 电压波动和闪变》
GB/T 14549—1993 《电能质量 公用电网谐波》
GB/T 15543—2008 《电能质量 三相电压不平衡》
GB/T 14285-2006 《继电保护和安全自动装置技术规程》
GB 50217—2007 《电力工程电缆设计规范》
GB/T 14598.3-1993《电气继电器 第五部分：电气继电器的绝缘试验》
第二章 设计方案
2。1。总述
针对动态无功补偿项目要求，供方提出在＃3低压侧10kV母线上动态无功补偿与谐波治理成套装置，成套装置包括一套SVG和FC，可实现无功从0~100％范围内连续快速调节.每套装置包括链式无功发生器（SVG）、连接电抗器、滤波电容器组、滤波电抗器等组成,能同时解决系统无功补偿问题和谐波问题，能够有效的对系统的无功量进行跟踪补偿，做到无级调节,并能有效的滤除谐波,稳定电压。
泰坦对无功补偿项目的方案进行设计，并提供此技术方案。泰坦承诺可提供无功补偿项目的全部设计、制造、工厂试验、包装、运输、保管、指导现场安装调试和试验、技术培训、试运行的指导工作，以及质量保证期间及其后的服务等。
2.2。工程概况
2。2。1.情况概述
＃3主变容量63MVA，目前带一期的三台额定功率为8000kW的德国ABP中频炉，目前这三台中频炉各配置一套APF+FC混合滤波器.#3主变终期负荷为六台额定容量8000kW的中频炉。
2.2.2.环境条件
n 1。1环境温度: 气温3～40℃，年平均气温28。4℃，绝对最高温度38℃。
n 1.2湿度：相对湿度90%,其中平均每年有4个月为潮湿天气.
n 1。3风速:夏季平均1.7m/s，冬季平均：2。0m/s。
n 1。4海拔高度：75m
n 1.5历年平均降雨：1588mm。
n 1.6全年平均雷电日数:120天。
n 1.7地震烈度：七级。
n 1。8 大气条件： 室内安装
2。2。3.方案整体规划
在#3主变低压10kV母线上装设一套SVG+FC动态无功补偿与谐波治理成套装置，能同时解决系统无功补偿问题和谐波问题，能够有效的对系统的无功量进行跟踪补偿，做到无级调节，并能有效的滤除谐波，稳定电压。动态无功补偿与谐波治理成套装置除SVG部分外,配置有23次单调谐滤波支路和25次单调谐滤波支路。
2.2.4。补偿容量确定
综合中频炉生产厂家提供的参数及玉柴的运行经验,对中频炉负荷特性可以定义为：单台中频炉功率在0～8100kW之间变化，功率因数相应在0。3～0。93之间,功率越高，功率因数就越高，相应地功率在8000kW时,功率因数在0。93左右。炉子功率变化非常快，最大的负荷变化是从0瞬时升到8000kW，或者从8000kW瞬时降到0.以250Hz为基准的情况下，2～3个周波即可从0升到8000kW。
动态补偿装置的设计除了考虑背景谐波因素外，更重要的环节是无功补偿容量的确定,如果设计容量偏大，造成无功过剩,造成用户不必要的经济损失；而如果设计容量不足，也会影响用户的经济效益.补偿容量的确定一般按以下公式计算：
-—-———-（3）
式中:---月平均负荷率；
-—— 最大有功负荷；
--—为原始功率因数;
-—-补偿后要求达到的功率因数。
由于供电局考核玉柴铸造变功率因数在110kV侧，所以还要加上变压器的无功损耗：
—-—-----—(4）
式中：-—--变压器额定容量;
——-变压器空载电流；
---变压器短路阻抗；
P—-—-变压器有功功率;
Q-——-变压器无功功率.
图12至图15为测量中采集到三台中频炉同时达到最大负荷(3×8000=24000KW）点的有功、无功、视在功率、功率因数的变化趋势图。

图12 变压器10kV侧有功功率变化趋势图（光标点为最大负荷）

图13变压器10kV侧无功功率变化趋势图

图14 变压器10kV侧有功功率变化趋势图

图15 变压器10kV侧功率因数变化趋势图
通过上述列图分析可以得出三台中频炉同时达到最大负荷时,有功 =24。19MW，功率因数0。927，无功Q=9.79Mvar，视在功率S=26.09。功率因数与玉柴提供的基本一致,在此工况下，要使变压器10kV侧功率因数达到0。95以上，还需要补偿的无功容量可以根据（3）式求得(设月平均负荷率为0.8):

由于中频炉负荷比较特殊，波动性大、随机性高；有功负荷最大时，功率因数也达到最大，这时负荷的无功功率并非最大,所以上式的结果不一定能满足所有工况下的无功需求。
要通过公式（3）来确定无功补偿容量，首先确定出现无功负荷最大时的有功功率及功率因数，必须对负荷进行连续测量，并对记录进行分析。图16至图18单台中频炉（T3、T4）无功负荷最大时的有功、无功、功率因数的变化趋势图

图16 T3、T4中频炉有功功率变化趋势图

图17 T3、T4中频炉无功功率变化趋势图

图18 T3、T4中频炉功率因数变化趋势图

从图中看出,在时间15：07：20测点采样到了单台中频炉无功接近最大点，=4。9Mvar、功率因数0.79、有功P=6.2 MW、视在功率S=8。0MVA。在时段15：08～15:30的二十多分钟内,单台中频炉的有功功率保持在6KW左右,而功率因数维持在0.79～9。5之间，无功功率则在4.9Mvar～2Mvar内波动变化。从查阅历史运行记录也得知，单台中频炉的无功最大值为5Mvar，与实测结果基本吻合.基于这些已知参数，可以求出三台中频炉无功负荷同时达到最大时，要使变压器10kV侧功率因数达到0.95以上，需要补偿的无功容量为：
=8。5Mvar
终期按六台中频炉算，需要补偿的无功容量为：2×8。5=17Mvar。
由于供电局对玉柴的功率因数考核点在变压器110kV侧,所以无功补偿容量还要加上变压器的无功损耗：
=4 Mvar
则要使变压器110kV侧功率因数达到0.95以上的无功补偿容量为：
17Mvar+4 Mvar=21 Mvar
通过上述的计算分析，要确保#3主变110kV侧的功率因数达到0。95以上，10kV侧6台中频炉同时运行时所需的基波无功补偿容量至少达到：21 Mvar,考虑到留有一定的裕度，确定本次动态无功补偿设计的实际基波无功出力必须达到:22 Mvar。
2。2。5.确定设计方案
玉柴铸造中心目前运行三台中频炉,每台炉配有1套无源+有源的滤波装置。玉柴计划7月底前增加投入2台德国容克的中频炉(单台容量8000kW），但新增的2台中频炉暂不计划配置滤波装置，终期计划再投入1台中频炉,届时＃3主变的负荷为中频炉6×8000kW。根据玉柴铸造中心目前以及未来发展的具体情况，无功动态补偿设计基于以下两种情况进行：
A方案——基于一期三台ABP中频炉配置的三套滤波装置全部投入情况下进行设计；
B方案——基于一期三台ABP中频炉配置的三套滤波装置全部退出情况下进行设计
方案
基波无功功率(Mvar）
SVG+FC
SVG
FC
方案A
±12
+9
方案B
±12
+10
注：“+”为容性，“－"为感性。
方案A滤波电容器组（FC)容量比方案B的少1Mvar,是因为方案A原配的三套滤波器具有约1Mvar的基波无功出力。
FC参数配置：
滤波支路
H23
H25
方案
方案A
方案B
方案A
方案B
安装容量(kvar）
6150
6822
6150
69
单台电容器额定容量（kvar）
410
455
410
455
每相电容器串、并联数(台）
5
5
5
5
三相电容器总安装台数
15
15
15
15
基波补偿容量(kvar）
4500
5000
4500
5000
电抗器电抗率
4。5％
4。5%
电抗器额定电压(Kv）
10
10
电抗器端电压(kV)
0。286
0.286
电抗器电感值
0.14mH
0。12mH
电抗器安装台数
3
3

第三章 技术参数及性能指标
3.1.SVG装置技术参数及性能指标
3。1.1.装置技术参数
在3＃主变低压侧10kV母线上装设一套动态无功补偿与谐波治理成套装置,成套装置包括一套SVG和FC,可实现无功从0～100％范围内连续快速调节。每套装置包括链式无功发生器（SVG）、连接电抗器、电容器组等组成， 成套装置应满足无功功率、电压调节及功率因数等的技术要求，并要求达到以下技术指标：
1)功率因数补偿
应保证补偿容量足够， 110kV母线的功率因数值不低于0。95。
2）谐波、电压波动等要求
在补偿容量足够前提下，电压波动、闪变、不平衡度及其它指标,包括功率因数、电压畸变、注入电网的各项谐波电流允许值等均应满足要求。注入系统公共连接点的谐波电流和110kV、10kV母线压总谐波畸变率低于国家标准《电能质量、公用电网谐波》GB/T14549—93。合理调整谐波阻抗频率特性，任何情况下都不发生谐波并联谐振和谐波电流放大现象。
本次设计固定补偿（兼滤波)FC按现在使用的6套中频炉进行配置, FC必须进行谐波阻抗频率特性预验算。
3）输出容量
成套装置以110kV侧母线无功功率、10kV母线电压作为控制目标，3#主变低压侧成套装置额定补偿容量为0～100％容性无功连续可调.
4）响应时间
成套装置可动态跟踪电网电压变化及负载变化，并根据变化情况动态调节无功输出,实现高功率因数运行.动态响应时间不大于10ms。
5)过载能力
成套装置应具有短时过载能力，2s过载无功补偿容量过载无功补偿容量为成套装置总容量的15％.
6)冷却方式
成套装置采用强制风冷,技术先进、运行安全可靠，适应现场环境.
7）运行效率
装置运行过程中,平均有功损耗不大于成套装置输出容量的0。8%。

3。1.2.IGBT阀体主要参数及性能指标
3。1.2。1。阀体主要技术参数
1)成套装置应采用先进的全控型器件IGBT,开关频率不低于500Hz。装置主回路元件的选用，应留有足够的电压、电流裕度,元件应有良好的dv/dt,di/dt特性；满足IGBT功率模块N-1运行方式，有效提高系统可靠性，减小维护量。
（2）换流元件IGBT应选用德国EUPEC/日本富士原装进口产品.
（3）系统主电路应采用链式串联结构，星型连接，每相12个换流模块组成；
（4）装置大功率电力电子元器件应具有完善的保护功能，包括但不限于以下类型：
l 直流过压保护；
l 电力电子元件损坏检测保护；
l 丢脉冲保护；
l 触发异常保护；
l 过压击穿保护等。
阀体主要技术参数：
额定频率： 50Hz
额定容量： ±12Mvar
额定电压： 10kV
额定电流： 693A
容量调节范围： 从额定感性容量到额定容性容量连续可调
冷却方式： 强迫风冷
平均损耗： 〈0.8％
谐波特性: <3%IN
响应速度： 不大于5ms
（1）成套装置应采用先进的全控型器件IGBT,开关频率不低于500Hz.装置主回路元件的选用,应留有足够的电压、电流裕度，元件应有良好的dv/dt,di/dt特性；满足IGBT功率模块N—1运行方式,有效提高系统可靠性，减小维护量。
（2）换流元件IGBT应选用德国EUPEC/日本富士原装进口产品。
(3）系统主电路应采用链式串联结构，星型连接,每相12个换流模块组成；
（4）装置大功率电力电子元器件应具有完善的保护功能，包括但不限于以下类型：
l 直流过压保护；
l 电力电子元件损坏检测保护；
l 丢脉冲保护；
l 触发异常保护;
l 过压击穿保护等。
3.1.3。装置控制及保护技术参数
成套装置具有供值班员使用的参数设置功能，所有设置的内容不受停电和干扰信号的影响；SVG故障自诊断系统采用一体化工作站，具有友好的人机界面，数据保存6个月以上.可提供如下功能：
－主接线
－实时曲线
－历史曲线
－历史记录
－功率因数查询
－故障记录
－IGBT单元状态监视
－提供系统参数
－显示当前时间、保护动作时间，显示保护类型、保护动作时间等信息.
1)控制屏的外形及组成
控制屏采用柜式结构，柜体应选用优质“三防”产品，具备抗强电磁干扰能力。
主控制器安装于控制屏中，应由主控机箱、PLC（可编程逻辑控制器)和触摸屏等几个主要部分组成。各部分功能如下：
触摸屏：人机界面
PLC:控制触摸屏的显示与操作。其中一个RS485串口与主控机箱连接，另一个RS485口与触摸屏连接。
主控机箱：由各功能板卡组成,完成核心的控制功能.
2）通讯功能
控制器应具有和上位机通讯的标准化接口。可采用包括RS232C、RS485、以太网和Modem等多种通讯方式.可支持的通讯协议有：
870-5-103
DN3.0
MODBUS等
3）显示功能
本系统采用液晶显示器，应具有友好的人机界面，数据保存6个月以上。要求满足如下功能：
实时电量参数显示。可分别显示电网的供电电压、SVG输出电流、功率因数、无功功率、有功功率; 显示补偿装置的总无功出力；显示相应的高压断路器的通断状态，显示各类保护动作情况及故障告警等信息。
历史事件记录:
链式装置单元状态监视
显示当前时间、保护动作时间、保护类型等信息，当各类保护动作或监视的状态发生变化时，控制器将自动记录事件发生的类型、相别及动作值，事件按顺序记录，可通过液晶进行查询，并以通讯方式远传.动作次数可永久保存，即使掉电也不丢失.事件最久可保存6个月，也可以手动删除。
4）保护功能
动态无功补偿装置应采用了综合保护策略，以提高装置可靠性；
保护类型如下：母线过压、母线欠压、过流、速断、直流过压、电力电子元件损坏检测保护、丢脉冲、触发异常、过压击穿、阀室超温、保护输入接口、保护输出接口控制和系统电源异常等保护功能。
3.1。4.连接电抗器
1） 系统额定电压：10kV
2） 电抗器额定电压：10kV
3) 电抗率：15％
4) 额定频率：50Hz
5) 电抗偏差：偏差不超过0%~5%。
6） 1min交流耐压：35kV;冲击耐压：1.2/50μs全波冲击耐压（峰值）：75kV.
7）空芯,户内安装
3。2.FC技术参数
3。2。1.电容器组
（1）安装地点：户内
（2）额定频率：50Hz
(3)接线方式：Y
（4）单台电容器额定相电压:kV
（5）电容器组设计成单调谐滤波器。
（6）电容偏差:电容器允许的电容偏差为装置额定电容的-5%～5％。三相电容器任意两线路端子之间测得的电容的最大值与最小值之比不超过1.06；
(7）电容器的温度系数：α绝对值≤4×10-4/K；
（8）电容器的介质损耗：tgδ≤0.0005；
（9)电容器设内熔丝保护，内置放电电阻。
（10）工频稳态过电压能力需满足相关国标。
(11)稳态过电流能力
电容器组成套装置应能在方均根值不超过1.1 ×1。30In的电流下连续运行.
（12）电介质的电气强度
电容器端子间的电介质必须能承受下列试验电压，历时10s：
工频交流电压：2.15Un.
(13）绝缘水平
电容器组绝缘水平，应能承受下列耐受电压值：
短时工频耐受电压（1min）：42kV；
雷电冲击耐受电压（1.2/50us）:75kV。
（14)耐受短路放电能力
主回路中的电气设备、连接线及机械结构应能耐受短路电流和电容器内部相间短路放电电流的作用而不产生热的和机械的损伤及明显的变形.
（15）局部放电性能：
电容器的局部放电性能，应能达到下列试验要求：
在常温下加压至局部放电后历时1s，降压至1。35倍额定电压保持10min，然后升压至1。6倍额定电压保持10min,此时，无明显局部放电。
（16)环境保护要求
电容器的浸渍剂符合国家环保部门的有关规定与要求。
（17)电容器外壳应具有良好的防腐、防锈外层.外壳材质不锈钢,耐爆裂能量：≥12kJ；
3。2。2.串联电抗器
（1）系统额定电压：10kV
（2)电抗器额定电压：10kV
（3)电抗率:4.5％
（4)额定频率：50Hz
（5)电抗偏差：偏差不超过—5%～5%。
（6)1min交流耐压：35kV;冲击耐压：1。2/50μs全波冲击耐压(峰值）：75kV。
3。2.3.放电线圈
(1)型式:户内
（2）最高工作电压：1。1倍电容器额定电压。
（3)一次绕组的放电容量:大于等于所接电容器组的每相电容器容量。
(4）放电电流:不小于电容器组的额定电流的1。35倍.
（5)放电线圈的放电时间：
在额定频率和额定电压下，当电容器断电时，放电线圈应将两端剩余电压在5S内自电压峰值降至50V以下。放电线圈应能承受在1.58倍电压峰值下电容器储能放电的作用。
(6）绝缘水平:工频电压35kV一分钟，雷电冲击电压1。2/50μs,75kV。
(7)绝缘试验及标准:按国标GB311.
3.2。4。氧化锌避雷器
（1)型式:电容器保护用;
(2)性能与结构要求
避雷器接于电容器组的端部。
氧化锌避雷器采用无间隙结构。
氧化锌避雷器的试验项目、方法、内容及要求按照相关标准.
3.2.6滤波支路安全性能校核
校核公式如下:

其中：-流过电容器的基波电流
—电容器的额定电流（A)

其中：—电容器的额定电压
-滤波电容器承受的基波电压

其中：—流过电容器的谐波电流在电容器两端产生的谐波电压
n—谐波次数
（C为每相电容器的电容值）
其中：—流过电容器的所有谐波电流的均方根值。
根据以上公式校核，结果如下：
方案A:
（1）过流校核：
滤波支路
23
25
基波电流（A）
249.4
249.4
谐波电流（A）
39。3
39。3
综合电流（A）
252.5
252。5
电容器组额定电流（A）
297.1
297。1
过流倍数
0.85
0。85
是否通过校核
TRUE
TRUE
（2）过压校核：
滤波支路
23
25
基波电压（kV)
5.8
5。8
谐波电压（kV)
0。289
0.289
综合电压(kV)
6.089
6.089
电容器组额定电压(kV）
6.9
6。9
过压倍数
0.88
0。88
是否通过校核
TRUE
TRUE

方案B：
（1)过流校核:
滤波支路
23
25
基波电流（A)
276。8
276。8
谐波电流(A）
25.2
25.2
综合电流（A)
278
278
电容器组额定电流（A）
329。3
329.3
过流倍数
0。84
0.84
是否通过校核
TRUE
TRUE
（2)过压校核：
滤波支路
23
25
基波电压（kV）
5.8
5.8
谐波电压（kV)
0.169
0.169
综合电压（kV）
5.969
5.969
电容器组额定电压（kV）
6。9
6.9
过压倍数
0。87
0。87
是否通过校核
TRUE
TRUE

经过校核，所有滤波支路能安全运行.

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