减轻对电网冲击的高阻抗电弧炉

减轻对电网冲击的高阻抗电弧炉

1 概述

随着半导体电力电子技术的发展与进步，各种变流变频装置已广泛用于工业及民用领域，煤矿提升机也比较普遍的采用晶闸管供电的直流拖动，称为提升机晶闸管电控系统

（SCR-D）。

晶闸管电控系统具有调速平稳准确、效率高、容易维护、可引入计算机监控等优点，目前国内大功率的矿井提升机采用较多。

但是晶闸管电控系统也会对电网产生一些不良影响。由于晶闸管变流器采用相切控制方式调节电压或电流，使电网正弦电压波形受到切割，并由此产生谐波电流，导致供电电网电压波形畸变。SCR-D系统在整个运行期间功率因数偏低（一般在0.02～0.8之间），同时启动无功冲击大，引起电网电压发生波动，尤其对于矿井提升机这类短时重复工作制的负荷，电压波动问题更加突出。综上所述，SCR-D系统对电网的不利影响主要表现在：

①产生谐波电流；②平均功率因数低；③起动无功冲击大。

1.1谐波电流问题

根据国内外有关技术文献及规程，电网谐波（分量）的定义为“对周期性交流量进行傅立叶级技术分解，得到的频率为基波频率整数倍的分量”。在假定发电机输出的电压为理想正弦波形的前提下电网的波形主要由具有非线形特性或者对电流进行周期性开闭的电器设备产生，这类设备分为以下两种：

⑴装有电力电子器件的设备，例如变流器、变频器、交流控制器、电视机等。

⑵具有非线形电流电压特性的设备，例如感应炉、电弧炉、气体放电灯和变压器等。

随着晶闸管电路的广泛应用，这类设备成为主要的谐波源。

晶闸管在对电流进行相切控制时，正弦电流的一部分进入负载，转化为功率，另一部分能量返回电网，其频率为电网频率的整数倍。这部分电流称为谐波电流。因此，我们可将晶闸管变流器看作谐波电流源，整个电网作为他的负载。为了保证所有电器设备的正常工作，各工业国家都对谐波问题开展了深入的研究工作，并制定出了相应的规程标准。我国于1984年颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》，后又于1993年发布了国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了电网谐波的允许值。

我国《煤炭工业矿井设计规范》第16.1.13条规定：“电网中接有非线性用电设备的矿井，应采取措施将谐波电流危害限制在允许范围内。设计滤波电路时，宜结合无功补偿及控制因大容量谐波源所引起的电压闪变等因素确定。” 根据目前国际上的研究成果，谐波电流允许值应基于电网的电磁相容性水平，即不可能完全消除谐波，但应将其限制在一定的水平。

1.2功率因数问题

晶闸管装置基本上相当于上一个感性负载，随着控制角的改变，其功率因数也会发生变化。即使晶闸管装置副边接的是纯电阻，也具有感性特征。

晶闸管电路的功率因数通常较低，用于煤矿提升机的SCR-D系统根据工作状态，其自然功率因数在0.02～0.8之间变化，即起动阶段功率因数很低，等速段功率因数较高，根据开滦钱家营矿实测结果，提升机的平均功率因数为0.69。

1.3冲击电压降问题

大型负载起动时，须较多的无功功率，如电网容量较小，则会发生电压降落。周期性重复起动，会造成电压波动，甚至出现“闪变”。电网电压的稳定性是衡量电网电压质量的一个重要条件，而电压波动的允许值是与其出现的频度有关，国际《电能质量：电压允许波动和闪变》规定10kV电网的电压允许波动为2.5%。对于矿井提升机这类负载，考虑到技术经

济的具体情况，其引起的电压波动一般应不大于3.5%。

图1为电压波动与电压波动频率的关系。

图2为电压降落的允许值及其时间频度。

为了解决上述问题，只有采取动态无功补偿及滤波装置，可同时起到吸收谐波、提高功率因数和稳定电压三方面的作用。动态无功补偿和谐波治理是一项复杂的工作，牵涉到电工技术和电力电子技术领域的许多方面。国外于八十年代开发出新型动补滤波装置，以替代以前的调相机和自饱和电抗器，具有跟随速度快，运行稳定，功耗低等优点。

我院于1993年开发出了TCR（可控硅控制电抗器）型动补滤波装置，基本采用国产元器件，技术达到国内领先水平。

2 动态补偿装置工作原理

目前国际上比较常用的动态补偿方式有晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管开闭电容器（TSC）以及这两种方式的组合（TCR+TSC）。

根据铝家坨矿新井提升机的工作特性及电网参数，设计采用TCR方式，即晶闸管控制电抗器，其主要特点有：

—可对无功功率进行无级调节，保持电网电压稳定；

—反应速度快，跟随时间约为10ms（半个交流周期）；

—采用电磁触发，抗干扰性强；

—操作简便，维护费用低。

TCR主电路见图3。

2.1工作原理

TCR型动补装置的补偿原理见图4。图4中QC为电容器功率，QL为负载感性无功功率，QLS为补偿器所提供的感性无功功率。

当负载起动时，补偿器无功功率QLS降为0，此时容性无功功率QC全部用于补偿负载无功功率QL。当负载进入等速运行阶段后，控制器提供一部分感性无功功率QLS，以补偿容性无功功率的多余部分。负载休止时，补偿器全部容量投入，用于补偿容性无功功率QC。

控制器感性无功功率QLS对负载的感性无功功率QL和电容器组的容性无功功率QC 起平衡作用，以使系统电压及功率因数保持为恒定值。

控制器感性无功电流的大小通过控制角α进行调节，不同控制角α时的电流波形见图5。调节范围α=90°～180°(相当于β=0°～90°）控制器每相有两组反并联晶闸管组成。只有

在交流周期的每半周过零点触发另外的晶闸管（α=90°），才能保持电流的连续性，图6中阀1导通正半周，阀2导通副半周。TCR型动补装置由AC控制器，主电抗器及滤波回路，开关装置等组成（见图3）。

下面介绍各单元的功能。

⑴AC控制器

用于控制主电抗器的电流，额定电流600～1500A，调节范围0～30MVA，可以直接与6kV或10kV系统相连。每相由若干晶闸管反并联，分别固定在框架内。

晶闸管采用水冷系统，空气绝缘。

每只晶闸管配一只脉冲变压器，各脉冲变压器为并联连接，电磁触发。

动态均压采用RC电路，可避免各阀端电压的不平衡。

紧急触发电路采用BOD（break-over-diodes）元件，其功能是当晶闸管的端电压超过某一指定值时，BOD立即触发晶闸管，将高压泄放到电抗器等设备上，以避免过高的行波电压对晶闸管产生破坏作用。

AC控制器具有足够的安全系数，当某一个晶闸管击穿短路后，仍能正常工作。晶闸管故障后有灯光指示，可在停机检修时予以更换。

晶闸管的冷却水系统为闭路循环，水质为去离子水，通过一台热交换器对循环水降温。

三相电抗器为Δ形连接，在对称控制时，3次谐波不会进入电网。计算时按最大可能的谐波电流。

⑵主电抗器

主电抗器与AC控制器配合，产生可变的感性无功功率。主电抗器为空心结构，自然空冷。为了避免晶闸管承受过高的短路应力，将每相电抗器分为两部分，中间接AC控制器。当某一部分电抗器发生短路后，晶闸管最大承受2倍的额定电流。

⑶滤波回路

单调谐滤波回路由电容器和电抗器组成，电容器选用全膜介质的滤波电容器，具有较高的场强和稳定性，并装有内放电电阻。电抗器为空心结构，带抽头可调。在谐振频率下，XCn=XLn,可对相关谐波形成近似短路回路，以吸收谐波电流。滤波器的滤波效果及电网阻抗曲线见图7。

高通滤波回路由电容器、电抗器和电阻器组成，在谐振频率以上呈现低阻抗，可以同时吸收特征频率及其以上的谐波。

滤波回路均为Y形连接，设中性点不平衡保护。其他保护有过压、失压、过电流、速断等保护。

3 动态无功补偿控制系统介绍

控制系统的任务是通过测量系统变量及人为给定量，计算出系统的有功功率、无功功率、电容器组的容性无功功率和主电抗器的感性无功功率，经过运算处理，产生相应的触发