安顺铝厂功补方案.doc

贵州安顺黄果树铝业有限公司220KV变电整流所无功补偿及滤波电容补偿成套装置技术方案本技术方案依据黄果树铝业有限公司所提技术要求而设计。1. 整流机组电容补偿与滤波装置技术要求正常使用环境条件海拔高度:1300m环境温度:极端最高气温:43.5最热月平均温度:33.1最冷月平均温度:1.1/1极端最低气温:-10最大风速：21.9 m /s覆冰厚度:10mm污秽等级级地震烈度9度运行条件额定颇率:系统标称电压:220kV系统最高电压(Um):226kV系统正常电压水平:220-5-22010kV系统中性点接地方式:有效接地方式系统短路容量(220 kV母线) 最大短路容量Sk.min=7620MVA 最小短路容量Sk.min=6632MVA220 kV母线上连接的供电电源设备容量510.4MVA铝厂在220kV母线上连接的用电设备容量 用电设备总负荷:一期257MW；二期491MW 动力变压器总容量:50MVA铝厂整流所(220 kV)运行方式 状态1 4套整流机组同时运行 状态2 3套整流机组同时运行,另一套整流机组停运电能质量考核标准 谐波考核标准GB/T14549-93 功率因数考核标准0.9Cos1铝厂整流所用电负荷直流电解所用电负荷 平均有功功率215MW 平均功率因数0.860.88(一期) 最大有功功率257MW调压整流变压器主要参数调压变压器:额定电压:一次:220-5-22010kV额定通过容量:96000 kVA调压变器联结组标号:Ynd11 延边三角开口调压,并设d11UV兼补偿绕组额定电压（高压绕组一次电压/补偿绕组额定电压）：220/15.2 kV最高电压(Um):252/18kV调压变压器调压范围:5105补偿绕组基波载功补偿容量:25000Kvar(供电容补偿与滤波装置用)整流变压器:额定通过容量:约248000KVA 整流变压器接线方式:/一次曲折联接,二次星形、角形联接移相绕组:整流变压器一次绕组实现各机组间的移相整流电路型式及组数:三相桥式(同相逆并联)2组整流电路等效脉波数:26=12脉波整流机组直流侧额定输出:241KA=82KA,910VDC11.25,11.254台整流变压器组移相角配置11.25,11.253.75,3.75正常4台变压器组同时运行构成等效48脉波系统整流变压器阀侧饱和电抗器:型式:自饱和式有效线性调压范围:直流侧60V调压整流变压器阻抗调变一次对整流变二次绕组(阀侧)有载分接开关档位 5挡时Uz=18.92(额定容量) 48挡时Uz=27.85(45额定容量) 79挡时Uz=18.3(5额定容量)调压变压器一次对三次绕组(补偿绕组)有载分接开关档位 5挡时Uz=17.26(额定容量) 48挡时Uz=8.15(45额定容量) 79挡时Uz=0.91(5额定容量)电解工艺概况 一期安装208台电解槽204台 每槽平均电压:4.3V 额定系列电流240KA ,系列电压910V电容补偿及谐波滤装置总体技术要求 4台或3台整流机组同时运行时,注入电网的谐波及电网电压畸变率必需满足电力部门要求,并按GB/T 14549-国际考核.4台整流机组同时运行时,整流装置功率因数大于等于0.95,小于1。在任何状态运行时,滤波器和系统无不能产生电流谐振或电压谐振,不能发生设备过热,过电压等现象。2. 执行标准投标产品并联电容补偿装置完全满足下列标准及其相关标准要求。- GB11022-89高压开关设备通用技术条件- GB1984-89交流高压断路器- GB1985-89交流高压隔离开关和接地开关- GB1207-97电压互感器- GB1208-97电流互感器- GB11032-2000交流无间隔金属氧化锌避雷器- GB763-89交流高压电器在长期工作时的发热- GB2706-89交流高压电器动、热稳定实验方法- GB3309-89高压开关设备在常温下的机械实验- GB7354-89局部放电测量- GB/13540-92高压开关设备抗地震性能试验- JB/T6461-92交流高压接地开关开合感应电流试验- JB/T6461-92交流高压开关开合母线转换电流试验- GB3906-91335kV交流金属封闭开关设备- GB50062-92电力装置的继电保护和自动装置设计规范- DL/T402-1999交流高压断路器订货技术条件- DL403-911035kV户内高压断路器订货技术条件- DL404-97户内交流高压开关柜订货技术条件- ZBK48004-90高电压交流滤波电容器- GB50227-95并联电容器装置设计规范- JB7111-93高压并联电容器- GB10229-88电抗器- JB5346-98串联电抗器- IEC289-88电抗器- DL/T604-96高压并联电容器装置订货技术条件- DL/T653高压并联电容器用放电线圈订货技术条件3. 确定滤波装置的基本电路形式每套设置5、7次两组单调谐滤波器，一组高通滤波器（11、13次附近），且满足基波功率因数要求。补偿容量计算（以一期为参考）4台整流机组同时运行整流装置的有功功率：补偿前整流装置的功率因数取，感性无功功率为：根据技术要求，四机组运行时补偿后系统功率因数不低于0.95，则补偿装置的补偿总容量为：每套补偿装置的补偿容量为：系统谐波分析变压器Y/-Y接线整流线路谐波电流（12脉波谐波电流）分析整流电路如下图所示。变压器的两组二次绕组-Y接线，全波整流，整流输出通过平衡平衡电抗器L1、L2，输出总直流电流Id。原次边绕组电压相位右图所示。整流总电流Id下的各支路电流和电压波形如下图所示。图中a，b，c为变压器原边绕组相电压和线电压。次边Y接绕组的相位与原边绕组相同，次边接绕组的相位迟后原边绕组30O。设变压器原次边电压边比1：1，整流器三相全波整流，忽略整流电路略换流叠角的影响，则各支路电流如图中cp）。图中I1=（Ia2-Ib2）/3I2=（Ib2-Ic2）/3 （1） I3=（Ic2-Ia2）/3归算原边绕组电流 （2） （3） （4）表1谐波次数n6脉波谐波电流(变压器Y/ Y接线)6脉波谐波电流(变压器Y/接线)12脉波谐波电流In（Id）（O）In（Id）（O）In（Id）（O）In /I110.78000.78000.773294.750.1561800.15600.0211652.670.1111800.11100.0151951.8110.07100.07100.071-28.7130.06000.06000.05927.2170.0461800.04600.0061650.74190.0411800.04100.0061950.74230.03410.03400.034-23.8250.03110.03100.03123.8290.0271800.02700.0041650.49310.0251800.02500.0031950.37350.02200.02300.022-22.7370.02100.02100.02122.6390.00020.00000.0021390.2512脉波整流器的谐波电流的5、7次比6脉波整流器的谐波电流大为降低，11、13次谐波电流二者差不多。从表1可见，Y/接线的各次谐波起始相位角都经过领点，而Y/ Y接线的的各次谐波起始相位角各不相同，其中5、7，17、19，29、31都迟后180O。每机组流入补偿绕组谐波含量如下： 本系统谐波分析主电路图设备参数1）220kV母线短路容量SXK。min=6632MVA，SXK。max=7620MVA；2）每台降压整流变设置一组补偿电路，补偿电路由5、7次谐振电路及11/13次滤波器组成。基波等值阻抗电路图将所有阻抗归于补偿绕组电压11kV。1）系统阻抗； XX=0.00663872) 传输线阻抗：XL=xL= xL=0.022376 xL 由于供电线路较短（3.3kM）该阻抗非常小，可忽略不计3) 降压变阻抗： XT=0.049524)补偿绕组阻抗： Xb=0.15345) 动力变压器及动力负载阻抗动力变阻抗：XD1= XD2=0.564动力负载取为变压器容量的60%，负载功率因数cosF=0.86，则负载阻抗等于：RFI= RFI=6.39XFI= XFI=3.9634滤波补偿装置各参数的初步选取对于5、7次单调谐滤波器，按如下假定设定： 谐波源电流In不放大； 滤波器处于全谐振状态，即呈电阻性； 电容器中仅通过基波电流和本次谐波电流。当系统运行在4机组工作状态时，折算到补偿绕组的谐波电流为：其中： Sd为电解系列视在功率，U1为补偿绕组额定电压，根据上式可初步算出整流机组流入补偿绕组的各次谐波电流分别为：=82.3A=56.98A=275.38A=227.9A计算电容器额定电压由于串有电抗器，电容器两端的基波电压要比运行母线电压U高，设母线最高运行电压为，则：n次谐波电流在电容器上产生的n次谐波电压为：则电容器的电压为：5次滤波回路电容器电压为：考虑系统背景谐波对滤波回路的影响，取电容器额定电压为11kV ，电容器额定容量为450kvar各次谐滤波器电容器装置容量根据电容器允许发热计算5次、7次滤波回路电容器容量电容器长期工作，其发热应在允许范围内，即，据此单调谐波器电容器容量可根据以下公式计算：其中：UCN为电容器额定电压，h为谐波次数U1m为补偿绕组最高电压，U1m为额定电压的1.1倍则5次滤波器电容器容量为：=2.99Mvar= 1.42Mvar根据电容器允许电流计算电容器容量长期通过电容器的电流应小于电容器的额定电流的1.3倍，即，据此单调谐滤波器电容器容量可根据下式计算： 则5次滤波器电容器容量为：=2.93Mvar7次滤波器电容器容量为： =1.77Mvar根据电容器允许电压计算电容器容量电容器长期承受的电压应小于电容器的额定电压的1.1倍，即，据此单调谐滤波器电容器容量可根据下式计算： 其中：HRUh为补偿绕组允许各次电压谐波畸变率q为滤波器支路品质因数，取 q=30则5次滤波器电容器容量为：=1.13Mvar7次滤波器电容器容量为：=0.66 Mvar单调谐波器电容容量取三种计算方法计算结果最大值， 因单台电容器容量为450kvar，且电容器采用双星型联接，单调谐波器电容器容量须为1.350Mvar的整数倍，因此：取 高通滤波器容量选择根据技术要求补偿系统总的基波无功容量 则高通滤波器基波无功容量为：= 5.39Mvar=11.08Mvar高通滤波器电容器的装置容量为： 高通滤波器电容器过电流校验：流过电容器电流： =434A =562A=490A=1.3490637A可知，高通滤波器流过电流小于电容量的额定电流1.3倍。高通滤波器电容器电压校验：电容器电压： 11X1.1=12.1根据以上计算，7.3万吨电解铝时，滤波装置中三支路电容器容量分别为 ：每套滤波补偿装置电容器总的装置容量为：4.05+2.7+16.2=22.95Mvar，每套滤波补偿装置电容器总的数量为：51台各次滤波器串联电抗器的计算5次滤波回路串联电抗器计算串联电抗器额定电流每相电容器额定电流：1) 按串联谐振频率250HZ（阻抗比约4%）计算：2) 按串联谐振频率236HZ（阻抗比约4.5%）计算：根据以上计算，可得到5次滤波回路串联电抗器参数：型式：干式空芯电抗器，自然风冷，户外额定电流：123A综合考虑电感值选为：12.84mH5%7次滤波回路：串联电抗器额定电流取电容器额定电流：7.3万吨电解铝工作时：1) 按串联谐振频率350HZ计算：2) 按串联谐振频率330HZ计算：根据以上计算，可得到7次滤波回路串联电抗器参数：型式：干式空芯电抗器、自然风冷、户外额定电流：81.8A综合考虑电感值选为： 9.84mH5%11/13次滤波器回路11/13次滤波器设计主要滤除11次以上的高频谐波，取滤波器载止频率f0=10f1，为保证11次、13次滤波效果，取滤波器阻抗值最小时对应的频率在11次、13次之间，取为12次。串联电抗器额定电流取电容器额定电流：7.3万吨电解铝工作时：1) 按串联谐振频率600HZ计算：根据以上计算，可得到高通滤波回路电抗器参数：型式：干式空芯电抗器，自然风冷，户外额定电流：490A综合考虑额定电感选为：0.642mH5%滤波补偿装置参数列表根据以上计算，滤波补偿装置中的电容器、电抗器参数如下表：参数电解铝补偿装置5次7次11/13次电容器容量4.05Mvar2.7Mvar16.2Mvar台数9636每支路并联数3212额定电压11kV11kV11kV电抗器电感值12.84mH9.8mH0.64mH额定电流123A81A491A考虑到电网谐波和负载波动的影响，为避免谐振和可能的谐波放大，使系统安全性良好，电抗器并设立抽头，分别为其额定电感的5%。滤波补偿装置参数的最后确定以上是在一些假定条件下初步选择了滤波补偿装置的参数，这些参数的最终选择应根据系统的综合频率特性计算分析，并考虑谐波电压源和电流源的共同作用结果来确定。并应对滤波补偿装置的滤波效果及安全性进行评估。根据等效电路图，采用PSPICE仿真软件，进行系统稳定性检查，具体包括是否会过补偿、各支路电流和电容器上电压电压是否在允许的范围内，特别是各支路是否会有产生谐振或严重的谐波放大。仿真电路图如下： 图1 系统稳定性检查仿真电路图图中I1I16为谐波电流源，根据测量的数据，令：I1,I5,I9,I13=1.414*A1*sin (5*314.16*t) 五次I2,I6,I10,I14=1.414*A2*sin (7*314.16*t) 七次I3,I7,I11,I15=1.414*A3*sin(11*314.16*t) 十一次I4,I8,I12,I16=1.414*A4*sin(13*314.16*t) 十三次 如图3所示，V1为谐波电压激励源，V2为基波电压源，考虑1.1倍的过压能力，仿真时可令： V1=1.414*0.007*sin(5*314.16*t)+ 1.414*0.009*sin(7*314.16*t) 谐波V2=1.1*9.6/1.732*1.414*sin(314.16*t) 基波 由于电路的对称性，实际可只对图1中所示探针位置进行校核即可。以下各给出电压和电流仿真波形和频谱图，其他类似。 图2 C13 上电压波形图图3 C13 上电压FFT图 图4 C2 上电流波形图图5 C2 上电流FFT图根据上述图形和数据，总结如表2：HZ / 测量点五次电容电压七次电容电压高通电容电压五次支路电流七次支路电流高通支路电流5011102.0 10880.4 10764.4 123.0 87.0 491.0 25088.8 76.0 38.6 10.8 4.8 7.7 30748.7 126.2 35.7 9.3 12.4 8.1 3506.3 160.8 9.0 1.6 17.8 2.1 55049.4 123.5 268.7 8.1 7.2 112.3 65020.1 45.2 135.9 10.4 9.9 68.2 总有效值11108.0 10884.4 10769.7 123.7 88.5 508.7 额定值x h11000*1.111000*1.111000*1.1123*1.3 (1.43)87*1.3(1.43)491*1.3(1.43)表2 各支路电压电流有效值总结表根据仿真结果，通过计算知，系统各支路电压电流有效值均未超过的容许的电压电流，证明参数选择合适。4. 滤波补偿装置设备滤波补偿设备选型电容器电容器选用聚丙烯全膜介电质、无毒、无污染绝缘油（不含PCB）、双瓷套、采用不锈钢外壳不漏油、S油（二芳基乙烷）低噪音的高压交流滤波电容器。型号：AFM-11-450-1W（国内）安装位置：户外损耗角正切值tg&：不大于0.00032（20）温度系数：不大于0.0002/K电容器损耗：不大于0.08W/KVar电容器值允许偏差：单台不大于3%，成组不大于2%，三相不大于1%绝缘水平：电容器端子间的电解质必须能承受2.15倍的额定电压，历时10秒的试验。长期过载能力：长期允许过载电压：1.15倍额定电压。长期允许过载电流：1.35倍额定电流。每套数量：51台其中 5次滤波支路：9台7次滤波支路：6台11/13次滤波支路：36台滤波电抗器滤波电抗器选用干式、空心串联电抗器。型号：LKGKL-15.2-安装位置：户外、自然风冷规格：空心干式运行电压:15.2kV在额定电流下的平均温升：不超过摄氏60度。允许长期运行电流：1.3倍额定电流最大短时电流：25倍额定电流（2S）动稳定性能：能耐受热稳定电流的2.55倍，时间0.5S, 无任何热的、机械的损伤出线端子角度：180o安装方式：根据现场而定。电抗器值允许偏差：三相小于1% 电抗器电感调节范围：5%离电抗器一米外运行时噪音：小于65分贝。每套数量：3组其中 5次滤波支路（LKGKT-15.2-123A-12.8mh）：1组7次滤波支路（LKGKT-15.2-82A-9.8mh）：1组11/13次滤波支路（LKGKT-15.2-491A-0.642mh）：1组开关柜开关柜包括SF6断路器、电流（电压）互感器、隔离开关、带电显示、电压（电流）表、转换开关、保护装置和弹簧操作机构，直流操作电压220V。u SF6断路器根据技术要求，35kV断路器采用SF6六氟化硫断路器。通过的额定电流为滤波补偿机组中所有电容器额定电流1.3倍。电容器总容量为：SF6六氟化硫断路器的参数如下： 型号：FD-2424D安装位置：户外额定电压：24kV额定电流：1250A额定短路开断电流：25kA额定单个电容器组开断电流：800A每套数量：1台u 电流互感器 LZZBJ9-20 1200/1A 0.5/5P 每套：2台u 电压互感器 JDX-20 额定一次电压:15.2KV/3 额定二次电压：100V/3 每套：三台u 隔离开关 GW4-35 额定电流1250A 每套：1台u 微机保护装置DVP741微机电容器保护监控装置适用于6-66kV中性点不接地系统，由监控和保护两套完全独立的系统组成，作为电容器的成套保护、控制、测量和监视报警装置。配置保护：（1） 速断保护速断保护 （2）过流保护 （3）过电压保护 （4）低电压保护 （5）不平衡电流保护(适用于两组电容器为双Y型接线) （6）零序电压保护(适用于单组电容器) （7）PT断线报警 （8）控制回路监视主要特点：（1） 分散式系统 （2） 硬件标准化 （3） 绝缘性能抗电强度远远高于IEC标准 （4） 高可靠性 （5） 精度无需调节 （6） 全密封钢结构防震机箱 （7） 背插式结构 （8） 超低功耗设计 （9） 开关量输入采用强电 （10）各保护及信号单独出口 （11）遥控投切保护,遥控复归信号,保护定值远方修改 （12）方便的插接端子 （13）开放式系统设计思想 （14）遥控输出 （15）遥信量 （16）遥调量 （17）网络通讯熔断器单台电容器额定电流：熔断器熔体的额定电流取单台电容器额定电流的1.5倍:=1.5=61.5A熔断器选用高压喷通式熔断器熔断器参数如下： 型号：BRW-20/65P额定电压：20kV最高工作电压：10.4kV 额定电流：63A抗涌流倍数：大于80倍工频耐压：65kV耐爆能力：12kJ开断容性小电流：1.5倍熔丝额定电流开断额定容性电流：1000A耐爆能力验证：本补偿装置中最大并联电容个数为电解铝工作时高通滤波器支路：n=12单台电容器最大储能：Q=CU2C=11.84f当一台电容器故障短路时，其它相并联的电容器中储存的总能量将通过熔断器放电。电容器储存的总能量为：=（n-1）Q=(12-1)716=7.8kJ并联电容器中储存的总能量小于熔断器的耐爆能力。熔断器数量57支，其中： =51 备品每套6支放电线圈放电线圈额定放电容量取滤波补偿回路中电容器容量最大的支路计算：放电线圈型号主要技术参数如下：型式：干式相数：单相型号：FDGQ2-20/-3.4一次绕组额定电压：20/kV，并可以上期运行在1.1倍额定电压。二次绕组额定电压：100V额定放电容量：3.4Mvar准确度：一级绝缘电压水平：工频耐压65kV，冲击耐压125kV在额定电压下，放电线圈应能承受二次短路电流在1S时间内所产生的热和机械力的作用面而无损伤放电特性：2倍的额定电压降至50V，时间5s单组数量：9台氧化锌避雷器氧化锌避雷器选用HY5WR-27/81,其主要技术参数如下：额定电压：27kV系统标称电压：20kV8/20S雷电