宣钢35kV炼钢技术方案.docx
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宣钢35kV炼钢技术方案
宣钢35kV精炼炉
TCR+FC动态无功补偿装置SVC
初步技术方案
湖北三环发展股份有限公司
一、前言
依据客户所提供的系统资料和技术参数分析,该项目为对精炼炉配电加装动态无功补偿装置SVC项目。
针对精炼炉工作过程中存在的无功功率急剧变化、功率因素低、引起端电压闪变和波动超出标准要求的问题，加装静止型动态无功补偿装置SVC是目前最有效且性价比最高的措施。
装设SVC系统后，一方面可以有效解决精炼炉无功功率冲击导致的电压波动、谐波电流及功率因数的补偿问题，满足相关标准要求。
同时，SVC可分相调节的功能也可以抑制精炼炉负荷不对称产生的负序电流，提高冶炼效率。
本技术方案将暂依据客户提供的系统资料和技术参数，按照我国电力系统对高压动态无功补偿装置的相关基要求，以及本公司研究、开发、设计、制造SVC产品和实施SVC工程的经验，重点说明我司SVC系统的技术实现方案，及相关保证能力。
由于该项目用户未提供精炼炉的短路容量和环境参数，最终设计时，我司将依据更详尽的现场供电参数和环境参数进行设计验证和调整。
二、项目目标
2.1系统参数
额定电压：
35kV
额定频率：
50Hz
最高工作电压：
40kV
最低功率因数要求：
0.91
系统最小短路容量：
用户未提供
2.2负载参数
宣钢炼钢厂35kV母线有两台精炼炉，各由一台电炉变压器供电。
电炉供电主变容量63MVA，电压110/35kV。
1#LF炉：
炉变额定容量16MVA，电炉容量90t，正常冶炼时，冶炼容量为110t；
2#LF炉：
炉变额定容量28MVA，电容容量130t，正常冶炼时，冶炼容量为150t。
ØLF炉对供电质量及用电设备存在以下影响：
ØLF炉在冶炼过程中产生的电压波动，将影响LF炉的输入功率、使冶炼时间和成本增加。
ØLF炉电极电弧的非线性，导致2—7次高次谐波的产生，影响供电系统的电能质量。
ØLF炉的自然功率因数低，在整个冶炼过程中LF炉的自然功率因数在0.8左右，使电网电能质量不能满足电力部门的相关规定。
Ø由于LF炉三相负荷存在不平衡，将产生一定的负序电流，使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动装置产生误动作。
LF炉产生的谐波电流、负序及无功冲击导致的电压波动及闪变。
严重影响用户本身及电网用电设备的安全运行，降低了供电电网的电能质量，必须按电能质量有关标准的规定，采取综合治理措施。
35kV母线现有无功补偿装置2套，均为3次滤波器，参数如下：
滤波器
电容器型号
电容器台数
电抗器参数
备注
1#H3
AFF14.2-200-1W
30台
LKGK-35-71-142.63
用于90tLF炉
2#H3
AFM6.45-254-1W
48台
LKGK-35-156-60.33
用于130tLF炉
由于目前2套补偿装置都是FC固定补偿方式，不能根据负荷变化实现动态补偿。
并且当2台精炼炉同时工作时存在功率因数偏低，补偿容量不足，谐波含量偏高等缺点。
因此客户希望在充分利用原有的设备基础上对FC进行技术改造，增加FC补偿容量和TCR装置。
实现SVC动态补偿功能。
2.3谐波含量
谐波叠加计算原则
根据国家标准《电能质量公共电网谐波》GB/T14549－93，先计算每台电炉发生的谐波量，然后对多个谐波源的同次谐波电流进行迭加计算。
同次谐波电流相位角确定时采用下式进行计算：
式中：
为第一个谐波源的n次谐波电流
为第二个谐波源的n次谐波电流
两个谐波源谐波电流之间的相位角
相位角
不能确定时：
表2-1系数
取值
N
3
5
7
11
13
>13
9
偶次
1.62
1.28
0.72
0.18
0.08
0
负载产生的谐波电流
1#LF炉注入电网的谐波如下表所示：
表2-290tLF炉注入公共连接点35kV母线谐波电流数值
谐波次数
2
3
4
5
6
7
8
9
谐波电流值（A）
14.27
15.85
6.34
9.50
2.86
3.80
1.58
1.58
2#LF炉注入电网的谐波如下表所示：
表2-3130tLF炉注入公共连接点35kV母线谐波电流数值
谐波次数
2
3
4
5
6
7
8
9
谐波电流值（A）
24.93
27.7
11.08
16.62
4.99
6.65
2.77
2.77
两台LF炉叠加后的谐波电流如下表所示：
表2-4LF炉注入公共连接点35kV母线谐波电流数值
谐波次数
2
3
4
5
6
7
8
9
谐波电流值（A）
28.7
41.6
12.8
23.8
5.8
8.8
3.2
3.2
国标限值
谐波电压及谐波电流限值参照国标《GB/T14549-93电能质量公共电网谐波》，如以下各表所示。
表2-5公用电网谐波电压限值（相电压）
电网标称电压（kV）
电压总谐波畸变率%
奇次谐波电压含有率%
偶次谐波电压含有率%
35
3.0
2.4
1.2
表2-6注入公共连接点35kV谐波电流允许值
标准电压（kV）
短路容量（MVA）
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
35
300
18
14.4
9.2
14.4
6.1
10.6
4.5
4.9
3.7
6.7
3.1
5.6
对比35kV母线的总谐波电流和国标限值可以发现，2、3、4、5次谐波电流均已超过国标要求，必须进行治理。
因用户未提供35kV母线最小短路容量，因此谐波电流允许值暂时按基准短路容量300MVA计算。
待用户提供相关详细参数后，再对方案重新校核。
2.4项目目标
SVC装置投运后，考核点的电能质量指标应满足如下要求：
Ø谐波电压
电压总谐波畸变率：
<3.0%；
奇次谐波电压含有率：
<2.4%；
偶次谐波电压含有率：
<1.2%
优于国标《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）。
Ø谐波电流
注入系统公共连接点（PCC点）35kV母线的各次谐波电流低于中华人民共和国《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549－93）的允许值和招标文件规定的限值。
Ø电压波动和闪变
参照标准中国国标GB12326－2000《电能质量－电压波动和闪变》，额定供电电压35KV时，允许电压波动2％。
Ø功率因数
SVC装置投运后，35kV母线平均功率因数应大于0.91，并不产生无功倒送。
三、系统设计
3.1执行标准
国标GB1985《交流高压隔离开关和接地开关》
国标GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》
国标GB2706《交流高压电器动热稳定试验方法》
国标GB763《交流高压电器在长期工作时的发热》
国标GB5582《高压电力设备外绝缘污秽等级》
国标GB273《变压器、高压电器和套管的接线端子》
国标GB11604《高压电器设备无线电干扰测试方法》
国标GB11022《高压开关设备通用技术条件》
国标GB8287.1《高压支柱瓷柱绝缘子技术条件》
国标GB8287.2《高压支柱瓷绝缘子尺寸和特性》
国标JB/T13601《高压开关严重冰冻条件下的操作》
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GB7595《运行中变压器油质量指标》
国标JB/T5356《电流互感器试验导则》
IEC185《电流互感器》
国标GB11032-98《交流无间隙金属氧化物避雷器》
国标GB10229《电抗器》
国标GB12326－2000《电能质量、电压波动和闪变》
国标GB/T14549－93《电能质量、公用电网谐波》
国标GB/T15543-1995《电能质量、三相电压允许不平衡度》
EC61000《电磁兼容性》
IEC60255Electricalrelays
IEC60747SemiconductorDevices
IEC61000-4-2,3,4,5ControlsystemEMC（immunity）
IEC22/67/CDV，26103PowerElectronics
IEC61000-3-2Electromagneticcompatibility（EMC）--Part3-2:
Limits-Limitsforharmoniccurrentemissions（equipmentinputcurrentuptoandincluding16Aperphase）
IEC61000-3-3Electromagneticcompatibility（EMC）-Part3:
Limits-Section3:
Limitationofvoltagefluctuationsandflickerinlow-voltagesupplysystemsforequipmentwithratedcurrent<=16A
IEC/TS61000-3-4Electromagneticcompatibility（EMC）-Part3-4:
Limits-Limitationofemissionofharmoniccurrentsinlow-voltagepowersupplysystemsforequipmentwithratedcurrentgreaterthan16A
IEC/TR361000-3-6Electromagneticcompatibility（EMC）-Part3:
Limits-Section6:
AssessmentofemissionlimitsfordistortingloadsinMVandHVpowersystems-BasicEMCpublication
IEC/TR361000-3-7Electromagneticcompatibility（EMC）-Part3:
Limits-Section7:
AssessmentofemissionlimitsforfluctuatingloadsinMVandHVpowersystems-BasicEMCpublication
IEEEStd1031-2000IEEEGuidefortheFunctionalSpecificationofTransmissionStaticVarCompensator
IEEEStd1303-1994IEEEGuideforStaticVarCompensatorFieldTests
IEEEStd1531-2003IEEEGuideforApplicationandSpecificationforHarmonicFilters
IEEEStd.519-1992IEEERecommendedPracticesandRequirementsforHarmonicControlinElectricPowerSystems
IEC61954-1999PowerElectronicsforElectricalTransmissionandDistributionSystems—TestingofThyristorValvesforStaticVarCompensators
IEC60289-1988Reactor
3.2补偿容量确定
根据用户提供的信息，结合我公司以往类似工程的经验，考虑两台LF炉存在同时工作的情况，取TCR容量为27Mvar，FC补偿容量约为27Mvar。
3.3滤波器设计
根据以上设计数据和谐波电流分析，经上机多个方案仿真计算比较择优，同时充分利用客户已有的设备，滤波器设2、3、4、5次共4组滤波通道，总安装容量47Mvar，基波补偿容量约27Mvar，每个支路容量的分配为8Mvar，15Mvar，12Mvar，12Mvar。
根据系统和客户需要确定如下滤波器参数
滤波通道次数
2
3
4
5
电容器安装容量（MVar）
8
15
12
12
电容器额定电压（kV）
8.2
6.45
8.5
8.2
单台电容器额定容量（kvar）
334
254
334
334
每相电容器串、并联数（台）
2并*4串
4并*4串
4并*3串
4并*3串
电容器安装台数（台）
24
48
36
36
单相额定电容（uf）
7.9
19.43
19.62
21
电抗器额定电压（kV）
35
35
35
35
电抗器额定电流（A）
75
156
142
135
电抗器额定电感（mH）
333.618
60.33
33.6
20
电抗器安装台数（台）
3
3
3
3
3.4滤波器安全性校验
1）电容过电压校验
校验公式如下：
UC1+∑UCn≤1.1UCN
（1）
式中UC1—滤波电容器承受的基波电压
UCn—流过电容器的第n次谐波电流在电容器两端产生的谐波电压
UCN—电容器的额定电压
UC1=（US/
）×n2/（n2-1）
US—加于电容器两相间的线路电压
2）过电流校验
校验公式如下：
≤1.3ICN
（2）
式中：
IC1—流过电容器的基波电流
ICN—电容器的额定电流
IC1=（Us/
）×ωc×10-6
ICn—流过电容器的第n次谐波电流
校核结果，所有滤波支路能安全运行。
3.5装置投入后的电能质量指标
PCC点（35KV）达到以下技术指标：
●总谐波电压畸变率THDU≤3%，各个奇次谐波电压畸变率THDU≤2.4%，各个偶次谐波电压畸变率THDU≤1.2%，
●电压波动△U≤2%
优于国标《电能质量电压波动和闪变》（GB/12326-2000）
●母线平均功率因数≥0.95，并不产生无功倒送。
3.6装置使用环境要求
●环境温度：
-30℃——45℃
●环境湿度：
最高相对湿度≤95%
●污秽度要求：
可在污秽等级为Ⅲ级的环境中可靠工作
●海拔高度：
≤1000m
●地震烈度：
8度
●最大风速：
26m/s
●在运输和存储过程中可接受的温度：
根据国际标准
●在空调控制室中的环境温度：
最高30度
最低15度
平均值为22度
3.7技术规格说明
具体技术指标如下：
项目
规格
电网电压（kv）
35
额定频率（Hz）
50
TCR额定容量（Mvar）
27
FC安装容量（Mvar）
47
PCC点谐波畸变率THDU
≤3%
PCC点电压波动△U
≤2%
PCC点母线平均功率因数
≥0.95
晶闸管阀组结构
组架开放方式
晶闸管冷却方式
水冷却/热管冷却
晶闸管型式
电触发晶闸管（ETT）
触发方式
光电触发
控制系统
DSP+FPGA全数字控制系统
控制方式
联合控制方式
无功调节范围（Mvar）
0~60
调节方式
分相调节
调节系统响应时间
<30ms
辅助电网供电电压
AC380V，DC220
使用期限
>20年
四、保护设计
1.保护设计概述
SH-SVC高压静止无功补偿装置的保护系统方案的设计以保护晶闸管、电容器、电抗器和有关的一次设备为主要准则，并且保证装置正常进行操作或者运行时不误动。
各个支路的故障保护采用专用的微机继电保护装置，采集FC支路和TCR支路的电流、电压等信号来作相应的处理。
2.电容器保护
a.内熔丝保护
单台容量大于334Kvar的单相电容器建议采用内熔丝保护，具有动作安全可靠，安装方便，占地面积小等优点。
b.内部放电电阻保护
电容器内部安装放电电阻，根据国标GB11024.1-2001《并联电容器》，放电电阻能够在10分钟之内使电容器端电压从额定电压峰值下降到75V。
3.滤波器支路保护
a.过电流保护
当该保护投入，并且三相电流中的任一相电流大于整定值并达到整定延时后，保护动作。
主控封锁脉冲，故障支路首先断开然后执行高次联跳，控制柜门上“故障”灯亮，触摸屏界面清楚显示“**支路故障”并且一直保持故障信息，上位机清楚显示“**支路过电流故障”并且一直保持故障信息。
b.速断保护
当该保护投入，并且三相电流中的任一相电流大于整定值并达到整定延时后，保护动作。
主控封锁脉冲，故障支路首先断开然后执行高次联跳，控制柜门上“故障”灯亮，触摸屏界面清楚显示“**支路故障”并且一直保持故障信息，上位机清楚显示“**支路电流速断故障”并且一直保持故障信息。
c.母线过电压保护
根据技术协议，母线电压波动范围为﹢10%~﹣10%。
所以当母线电压超过额定值1.1倍时滤波装置应该切除以免损害设备。
d.母线失压保护
当电力系统发生接地故障时母线电压降低，继电保护变压器跳闸，而如果SVC装置不切除，当电压恢复时变压器带电容合闸，可能会对电容器造成损害。
所以依据国家标准，母线电压低压保护能够使母线电压失压后可靠动作。
e.滤波支路电流不平衡保护
4.微机保护参数定值表
序号
名称
设定值
时间
保护物体
滤波器
TCR
1
短路保护
3Ie
0.2S
√
√
2
过电流及过负荷保护
1.3Ie
2S
√
√
3
母线过电压保护
1.15Ue
2S
√
√
4
母线低电压保护
0.5Ue
0.2S
√
√
5
滤波支路电流不平衡保护
0.5S
√
I0为中性点不平衡电流；K为因故障而切除的电容器台数；N为每相电容器的串联段数；M为每相各串联段的电容器并联台数，Ied为每台电容器的额定电流
5.控制系统保护
a.丢脉冲保护
当某一相脉冲没有触发时，控制系统能够自动识别并且自动封锁脉冲信号，同时发出报警信号。
b.晶闸管击穿保护
每相晶闸管阀组中任一支晶闸管击穿时，主控系统即发出就地和远方警告信号。
当任一相晶闸管阀组中有2支以上的晶闸管击穿时，主控系统即瞬时关闭晶闸管阀组，同时联跳高压开关。
c.BOD保护
主控系统的VBE装置能够准确识别每个晶闸管的BOD保护动作，当BOD动作达到设定次数则主控系统即瞬时关闭晶闸管阀组，同时联跳高压开关。
d.TE板通信故障
每相晶闸管阀组中任一个TE板发生通信故障时，主控系统即发出就地和远方警告信号。
当任一相晶闸管阀组中有2个以上的TE板发生通信故障时，主控系统即瞬时关闭晶闸管阀组，同时联跳高压开关。
e.AD采样故障
主控系统监测到AD采样通道发生故障时，主控系统即发出就地和远方警告信号，同时联跳高压开关。
6.水冷系统保护
本机采用水—风冷却方式；运行中，冷却纯水（去离子水）吸收负载（阀模块）水道热量输送至水—风换热器将热量传递给强迫空气（风），从而维持阀模块在设定温度下运行。
水冷装置带有完善的保护功能，能够有效监测装置的各种故障。
其保护功能如下表
序号
名称
测量范围
测量范围
出厂设定值
信号内容
备注
1
流量传感器
进阀段
0-6T/h
≤3T
警报。
屏显：
纯水流量偏低。
纯水流量在正常范围时，在线参数屏幕显示。
2
在线电导仪
主回路
0~200
μs/cm
≥1μS/cm
警响。
屏显：
电导率上限
电导率在正常范围时，在线参数屏幕显示。
≥0.5μS/cm
警报。
屏显：
电导率偏高
3
温度传感器
出阀段
0-100℃
≥55℃
报警。
屏显：
纯水温度偏高
纯水温度在正常范围时，在线参数屏幕显示。
≥65℃
延时跳闸。
屏显：
纯水温度上限
4
压力传感器
进阀段
0~1Mpa
≤0.15Mpa
警响。
屏显：
纯水压偏低。
纯水压在正常范围时，在线参数屏幕显示。
≥0.4Mpa
警响。
屏显：
纯水压偏高。
≤0.1Mpa
延时跳闸。
屏显：
纯水压下限。
5
液位传感器
缓冲水箱水位
0-1500mm
≤700mm
警响。
屏显：
水位偏低。
水位在正常范围时，在线参数屏幕显示。
≤500mm
延时跳闸。
屏显：
水位下限。
6
电接点压力表
主出段
0-0.6Mpa电接点表
≥0.6MPa
警响。
屏显：
纯水管道过滤器堵塞。
硬接点
现场整定
7.监控系统层次结构
SVC的控制系统结构图如图所示，SVC支路微机保护单元、主控调节单元、和高电位电子板处于监控平台的底层，它们通过串行接口与监控平台中层连接。
监控平台中层包括PLC就地控制单元、水冷系统监控单元，它们通过硬接线互相连接并且以点对点的方式实现中层通讯。
监控平台的上层为上位机和上级自动化系统，上位机以485总线与中层的PLC就地控制单元和水冷系统监控单元连接，实现交换数据和通讯的功能；同时上位机按照103规约与SVC的支路微机保护单元通讯，按照TCP和UDP方式与上级自动化系统进行通讯。
上位机监控界面图
五、关键设备及技术特点
1.FC2支路设备及器件参数
1）SVC装置滤波电容器组的主要技术特点
－产品类型：
电容器为全膜介质、内熔丝、内置放电电阻、不锈钢外壳；
－电容器的温度系数：
α绝对值≤4×10-4/K；
－电容器的介质损耗：
tgδ＜0.0005；
－电容器的外壳的耐爆裂能量：
＞12KJ；
－偏差：
成组电容器相间误差小于2％（出厂调至此值），每相的电容器与额定值偏差小于2％；
－过载能力：
1.1倍额定电压，1.43倍额定电流
－电容器组瓷瓶：
防污型配置；
－电容器支撑框架：
热镀锌框架、三级防污绝缘子，确保框架不变形；
除上述要求外还应满足以下标准：
IEC871-1（1987）《额定电压600V以上交流电力系统用并联电容器》
GB/T11024.1-2001《标准电压1KV以上交流电力系统用并联电容器》
-试验项目
✧温度系数，电容值及误差测量；
✧温升（型式试验）；
✧耐压（极间及极对壳）；
✧允许操作过电压倍数（型式试验）；
✧介质损耗角
2）滤波电抗器主要技术条件
－每（台）相电抗器的抽头为无级连续可调式，电感的调节范围为-5%～＋5%。
采用非导磁不锈钢调节杆、螺母及垫圈。
电感值制造偏差＜5％。
－每（台）相电抗器的形式：
干式空芯结构，铝导线多股平行绕制并交叉换位，线圈外部由环氧树脂浸透的玻璃纤维包封，有防止紫外线涂层。
－额定电压：
35KV；
－运行频率：
50Hz；
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