110 kV整流直降方式的應(yīng)用

田時靜，李衛(wèi)東

（重慶市映天輝氯堿化工有限公司，重慶401221）

110 kV整流直降方式的應(yīng)用

田時靜，李衛(wèi)東

（重慶市映天輝氯堿化工有限公司，重慶401221）

從重慶市映天輝氯堿化工有限公司10萬t/a離子膜燒堿工程的整流設(shè)計、選型、實施、諧波論證幾個方面，對采用110 kV整流直降方式下諧波對電能質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析，并論證了采用合理的整流器設(shè)計方案的可行性。

整流；直降；諧波

1 項目背景

重慶市映天輝氯堿化工有限公司首期10萬t/a離子膜燒堿工程采用110 kV直降式整流變壓器，單臺24脈波、一拖二整流機(jī)組的整流方式。在項目初期，重慶市電力公司供電區(qū)域內(nèi)還沒有這種供電結(jié)構(gòu)，出于對采用該種供電方式諧波可能對電網(wǎng)電能質(zhì)量污染的顧慮，對該種供電方式提出了質(zhì)疑。通過重慶市電力科學(xué)研究院對該項目進(jìn)行諧波評估、論證后，最終采納了該種供電方式。

2 整流系統(tǒng)設(shè)備選擇的原則與思路

2.1 高壓供電方案的選擇

針對整流變壓器進(jìn)線方式的選擇，從技術(shù)條件和運(yùn)行成本做了仔細(xì)分析。根據(jù)該公司的實際情況，15萬t/a燒堿裝置分批建設(shè)，如果考慮35 kV進(jìn)線方式設(shè)置主變壓器，不但增加了故障環(huán)節(jié)，而且還要加大運(yùn)行成本，主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

（1）增加主變壓器正常維護(hù)成本約30萬元/a。

（2）增加變壓器運(yùn)行損耗約為330 kW，按年運(yùn)行8 000 h，電價0.5元/（kW·h）計算，每年增加電費(fèi)132萬元。

（3）變壓器容量增加。按照10萬t/a離子膜燒堿裝置考慮，主變壓器需配置容量為63 000 kVA的變壓器。按目前基本容量費(fèi)26元/kVA計算，每月基本容量費(fèi)需163.8萬元；而采用110 kV直降方式，變壓器基本容量可降低到37 000 kVA，每月基本容量費(fèi)為96.2萬元。

（4）供電方式靈活性也大大降低。采用主變壓器的接線方式，不管生產(chǎn)負(fù)荷多少，只要主變壓器通電運(yùn)行，每月必須支付63 000 kVA變壓器的基本容量費(fèi)163.8萬元。而按照初期單臺整變的運(yùn)行情況，每月只需支付26×21 000=54.6（萬元）的基本容量費(fèi)。

結(jié)合目前離子膜電槽的負(fù)荷水平和整流與電槽的配置方式，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，當(dāng)燒堿規(guī)模為10萬t/a以上時，宜選用66 kV直降式整流；為15萬t/a以上時，宜選用110 kV直降式整流。

2.2 直降式整流設(shè)備配置方案

第一種是“一拖二”方案。該方案的優(yōu)點是可減少整流變壓器和高壓饋電開關(guān)的使用數(shù)量，節(jié)約投資和運(yùn)行費(fèi)用，還便于實現(xiàn)單機(jī)組12相整流；缺點是單臺整流機(jī)組故障停電，會影響2臺電槽的停運(yùn)，對設(shè)備和工藝的可靠性要求較高。

第二種是“一拖一”方案。該方案的優(yōu)點是單臺整流機(jī)組的故障停電只影響到1臺電槽的停運(yùn)，生產(chǎn)損失較??；缺點是高壓饋電裝置的數(shù)量增多。尤其是當(dāng)選用六氟化硫GIS組合電器時，饋電間隔增多，一次性投資也增加。同時整流裝置的數(shù)量增多，導(dǎo)致占地面積增大，增加配套土建的投資費(fèi)用。

2.3 整流變壓器接線方式的選擇

整流變通常采用曲折接線移相方式，該方式接線復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。采用共軛方式接線相對簡單，并能節(jié)約一次性投資，但常規(guī)的共軛式整流變壓器一般在一次側(cè)繞組互移30°，二次側(cè)繞組相同，中軛比較大（為上下軛的60%左右），鐵心高度高，當(dāng)變壓器容量增大時，會造成運(yùn)輸困難；如果一次繞組不移相，二次繞組采用星形、三角形移相30°同時取消中軛，則可降低高度，但2組二次電壓將相差1%，從而造成并聯(lián)運(yùn)行時輸出不平衡；如果將以上2種方式綜合，即一次繞組不移相，二次繞組采用星形、三角形移相30°，通過調(diào)整上下一次繞組的匝數(shù)來使2組二次電壓相等，同時增加1個很小的中軛（為上下軛的5%左右）來平衡上下2組的不平衡磁勢（約1%），就能達(dá)到既降低運(yùn)輸高度又輸出平衡的目的，還可以降低空載損耗（約占總空載損耗的6.0%~7.0%）。

2.4 設(shè)計使用多相整流方式

整流裝置是整個供電系統(tǒng)的重中之重，不僅要保證供電的可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性，更要考慮整流裝置諧波對供電網(wǎng)絡(luò)的影響程度及系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。因大量的高次諧波會引起變壓器、電機(jī)等感性設(shè)備發(fā)熱量增大、響聲異常，電容、電纜等容性設(shè)備發(fā)熱增加、絕緣老化、壽命縮短，嚴(yán)重的更會導(dǎo)致電子設(shè)備誤動作、指示失靈等，影響正常生產(chǎn)。所以，盡可能多的提高整流脈波數(shù)，可減少整流過程中產(chǎn)生的諧波分量，對供電網(wǎng)絡(luò)電源質(zhì)量的影響，減少變壓器、電纜、電機(jī)等的發(fā)熱、噪聲，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 實施

整流是氯堿工廠的核心設(shè)備，其功率大、安全穩(wěn)定性要求高，對電力系統(tǒng)影響較大（諧波污染）。整流技術(shù)已日臻成熟，整流設(shè)備選擇采用直降式整流變壓器，增加整流相數(shù)，控制上采用PLC及計算機(jī)綜合自動控制等措施，完全能夠滿足電力系統(tǒng)的基本要求。

3.1 整流變壓器

網(wǎng)側(cè)參數(shù)：額定電壓（110±5.5）kV，3相；額定頻率（50±0.5）Hz；

閥側(cè)參數(shù)：額定電壓404 V；

額定直流輸出電流：20 kA×2；

額定直流輸出電壓：478 V；

整流變壓器效率保證值：99%；

阻抗電壓：整流變壓器阻抗值約為6%；自耦有載調(diào)壓變壓器阻抗值約為4%，總阻抗為10%；

整流變壓器的移相和整流相數(shù)：2臺整流變壓器，相位不同但容量相同，分別帶2組（4臺）電解槽；每臺整流變壓器按照等效24脈波設(shè)計；在母線上組成等效48相整流。

3.2 整流器

額定直流輸出電流：DC20 kA/臺；

額定直流輸出電壓：DC478 V；

有載調(diào)壓開關(guān)范圍：（60%~105%）Udn，27檔平均分級粗調(diào)；

采用晶閘管型整流器，電流細(xì)調(diào)為改變晶閘管觸發(fā)角實現(xiàn)，調(diào)壓范圍為（0~100%）Udn；

整流器效率保證值：99%（額定負(fù)載時，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)計算）；在電網(wǎng)電壓±5%變化范圍內(nèi)及負(fù)載電壓為60%~100%條件下穩(wěn)流精度為±0.5%；

輸出電流應(yīng)具有零起動功能，并可連續(xù)平滑調(diào)節(jié)至額定電流；相控條件下電壓輸出大于60%時，整流電流輸出100%連續(xù)；

運(yùn)行中觸發(fā)脈沖角為5°~20°，同一整流變所帶2臺整流柜的任一脈沖角小于5°時，發(fā)升檔信號；均大于20°時，發(fā)降檔信號，且脈沖角可任意調(diào)整；

整流-變壓整組采用微機(jī)操作系統(tǒng)，并能與高壓斷路器、直流開關(guān)、油水冷卻器、純水冷卻器及有載開關(guān)等實行操作連鎖。

4 整流裝置諧波特性分析

由于整流元件（可控硅）的非線性，在整流設(shè)備運(yùn)行時，可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。為了檢驗裝置配置是否合理，以單臺整變12脈波和單臺整變24脈波2種方式，對正常運(yùn)行和故障運(yùn)行情況下各次諧波電流、電壓畸變率作如下分析和說明。

4.1 國家標(biāo)準(zhǔn)限值計算

映天輝氯堿化工公司的電能質(zhì)量考核點為該公司貿(mào)易結(jié)算用計量裝置處。公共連接點的短路容量越大，說明該公司與系統(tǒng)電氣聯(lián)系越緊密，承受有功功率沖擊、無功功率沖擊和諧波滲透能力越強(qiáng)。國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求規(guī)定，上述各項研究需考慮供電系統(tǒng)最小運(yùn)行方式。在最小運(yùn)行方式下，供電系統(tǒng)注入公共連接點的三相短路電流越小，即系統(tǒng)短路容量越小，系統(tǒng)等值阻抗越大，公共連接點的各項指標(biāo)越不容易達(dá)標(biāo)。

本項目中考核點最小短路電流約為10 kA，相應(yīng)的最小短路容量約為1 905 MVA。

4.1.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

諧波電壓和諧波電流執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》。

4.1.2 限值計算

（1）諧波電壓限值

按照國標(biāo)規(guī)定，該公司整流變110 kV母線諧波電壓（相電壓）限值如表1所示，考核點的諧波電壓應(yīng)小于表1所列的數(shù)值。

表1 110 kV公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相電壓）

（2）諧波電流限值

110 kV基準(zhǔn)短路容量750 MVA。由于考核點的最小短路容量（1 905 MVA）不同于基準(zhǔn)短路容量，應(yīng)按照國標(biāo)附錄B進(jìn)行換算，換算公式如下：

式中：Sk1—實際公共連接點的最小短路容量，MVA；

Sk2—基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp—國標(biāo)表2中的第h次諧波電流允許值，A；Ih—短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

按國標(biāo)附錄C的要求，在公共連接點處第i個用戶的第h次諧波電流允許值還需按下式進(jìn)行分配：

Ihi=Ih（Si/St）1/a

式中：Si—第i個用戶的用電協(xié)議容量，MVA；

St—公共連接點的供電設(shè)備容量，MVA；

a—相位疊加系數(shù)，按表2取值。

表2 相位疊加系數(shù)的取值

以上限值計算參數(shù)在本計算中分別取值如下：

Sk1—1 905 MVA（最小短路電流10 kA）；

Sk2—750 MVA；

Si—37MVA，該公司本期工程裝設(shè)2臺16000kVA調(diào)壓整流變壓器和1臺5 000 kVA電力變壓器。

St—360 MVA（220 kV花莊站供電主變?nèi)萘繛?×180 MVA）。

根據(jù)換算標(biāo)準(zhǔn)，換算出注入其貿(mào)易結(jié)算用計量裝置出的諧波電流允許值（略）。

4.2 諧波計算

單臺容量16 000 kVA，計算電流84 A，2臺同時運(yùn)行時為168 A。

（1）技術(shù)條件為擬上2臺整流變壓器，單臺整變12脈波，正常生產(chǎn)情況下，在電網(wǎng)上形成24脈波。計算結(jié)果見表3。

表3 諧波計算結(jié)果

上述計算結(jié)果在《GB/T 14549-93電網(wǎng)質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》允許范圍內(nèi)。實際直流輸出容量小于20 kA×478 V，網(wǎng)側(cè)電流減小，基波電流減小及各次諧波電流、電壓畸變率相應(yīng)減小，23次、25次諧波電流分量小于相應(yīng)的計算限值，即在電網(wǎng)中以24脈波運(yùn)行時，電力質(zhì)量完全可以得到保證。

在1臺電解設(shè)備故障，1臺正常運(yùn)行時，電網(wǎng)12相整流條件諧波計算結(jié)果見表4。

即當(dāng)12脈波單臺整變在額定條件下運(yùn)行時，特征諧波11、13次超標(biāo)較為明顯，諧波電流分量大于相應(yīng)的計算限值，電壓畸變率也超過2%的基本要求。

（2）技術(shù)條件為擬上2臺整流變壓器，單臺整變24脈波，正常生產(chǎn)情況下，在電網(wǎng)上形成48脈波。諧波結(jié)果計算見表5。

表4 諧波計算結(jié)果

表5 諧波計算結(jié)果

表6 諧波計算結(jié)果

4.3 結(jié)論

通過計算，24脈波運(yùn)行時，電壓、電流畸變率均能滿足電網(wǎng)要求，但在12相工作運(yùn)行時，注入電網(wǎng)諧波分量將超標(biāo)，主要表現(xiàn)為特征諧波11、13次諧波超標(biāo)，同時電壓畸變率也將超標(biāo)。

因此，為了保證系統(tǒng)電壓質(zhì)量，把單臺整流變壓器設(shè)計為24脈波，正常運(yùn)行條件下在電網(wǎng)形成48脈波，則完全能滿足系統(tǒng)要求。

5 運(yùn)行結(jié)果

自2009年9月正式投入運(yùn)行以來，通過對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算分析數(shù)據(jù)比較，諧波電流、諧波電壓都在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。運(yùn)行驗證表明，只要整流器設(shè)計方案合理，110 kV整流直降方式，諧波對電能質(zhì)量的影響既符合國家標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足效率的要求，這種供電方式是完全可行的。

Application of 110kV straight down rectifier

TIAN Shi－jing，LI Wei－dong
（Chongqing Yingtianhui Chlor－alkali Chemical Co.，Ltd.，Chongqing 401221，China）

The impact of harmonics on power quality was analyzed in 110kV straight down rectifier，includeing design，selection，implementation，harmonic argument.Actual operation date show that using 110kV straight down rectifier was entirely feasible.

rectifier；straight down；harmonics

TM461

B

1009－1785(2011)03-0007-04

2010-09-13