煤礦供配電系統中諧波的分布及治理對策研究

范紅娟 王利民

（神華寧夏煤業集團 紅柳煤礦，寧夏 靈武 750408）

0 引言

供電質量由系統電壓、頻率、可靠性決定。其中影響系統電壓的因素主要有電壓偏差、電壓波動和閃邊、高次諧波、三相不對稱[1]。而諧波問題一直是主要的電能質量問題。高次諧波的產生，是非線性電氣設備接到電網中投入運行，使電網電壓、電流波形發生不同程度畸變，偏離了正弦波。高次諧波除電力系統自身背景諧波外，主要是用戶方面的大功率變流設備、電弧爐等非線性用電設備所引起。高次諧波的存在將導致供電系統能耗增大、電氣設備絕緣老化加快，并且干擾自動化裝置和通信設施的正常工作。隨著煤礦自動化程度的提高以及節能需要，非線性電力電子裝置得到廣泛地使用，這對煤礦供配電系統造成了嚴重的“諧波污染”，引發供電系統的繼電保護、自動控制裝置誤動作，監控系統運行異常，以及諧波引起的諧振過電壓造成電器設備損壞等。治理好諧波,不僅能降低電能損耗，而且能延長設備使用壽命，改善電磁環境，提高產品的品質。因此，治理好諧波產生的污染，對煤礦企業來說迫在眉睫。

1 諧波分布

1.1 變頻器

變頻原理常用于水泵、風機等設備中，變頻一般分為兩類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V、50Hz工頻電源經三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開關元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉換成相數一致但頻率可調的交流電。兩者均采用相位控制技術，所以在變換后會產生含復雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網造成嚴重的諧波污染[2]。

1.2 整流和逆變設備

晶閘管整流技術在電力機車、充電裝置、開關電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網吸收的是半周正弦波，而留給電網剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產生大量的諧波。有統計表明，整流設備所產生的諧波占整個諧波的近40%，是最大的諧波源[3]。

其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（50Hz基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應該說電動機采用變頻器進行調速，可以高水平完成調速外，也可以節省大量電能，但如前面分析，變頻調速過程中要產生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區的電視、音響系統不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產生過熱[4]。

整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。大功率整流器廣泛應用于冶金、化工等領域，大功率整流器——逆變器廣泛應用于交流變頻調速及交－直流電動機的調速等領域。

這些高次諧波是通過三個途徑竄入產生干擾的。其一，是通過電容耦合；其二，是通過高次諧波電流產生的電磁感應；其三，是直接由接地回路或電源線竄入的。

1.3 換流設備

高壓直流輸電系統中，換流變壓器是最重要的設備之一，它處于交流電和直流電互相交換的核心位置。可以提供相位差為30度和12脈波交流電壓，降低交流側諧波電流；作為交流系統和直流系統的電氣隔離，提供閥的換相電抗；通過換流變壓器可以在較大范圍內調節交流電壓，使直流系統運行在最優狀態。

高壓直流輸電的另一主要設備換流器是非線性元件，對交流側來說是主要的諧波電流源，產生大量的諧波對換流變壓器保護，特別是依靠諧波原理閉鎖的保護產生影響。

2 諧波的危害

當諧波電流流經變壓器時會導致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會使鐵損增加。還可導致變壓器的基波負載容量下降，效率降低以及變壓器鐵芯振動，噪聲增加壽命縮短；諧波電流和電壓會造成電動機鐵損和銅損的增加引起額外溫升，導致電動機效率降低，同時還產生附加轉矩增加噪聲，造成電動機振動而降低使用壽命；諧波會造成電容器過電流，使電容器與供配電系統產生并聯諧振或串聯諧振，這將造成電容器迅速發生故障。同時，電容器會放大諧波，增大諧波對礦井供配電系統的影響；在導體中非正弦波電流與具有相同方均根值的純正弦波電流相比，會引起額外溫升，減小額定載流量，引發導體絕緣破壞或燒毀；此外，諧波會對通訊和信息系統產生干擾，降低信號的傳輸質量，不僅影響聲、像的清晰度和信息傳輸的準確性，嚴重時還會造成設備損壞，危及人身安全；另外，礦井供配電系統中的諧波電壓和電流，會導致供配電系統中各類保護及自動裝置產生誤動或拒動，破壞微機保護、綜合自動化裝置，還會使儀表和電能計量出現較大誤差，諧波如果不經過治理直接進入上級電網，將會給電網帶來嚴重的諧波污染。

3 諧波的治理對策

鑒于諧波存在多方面的危害,對礦井安全生產和人民生活存在很大隱患，根據國家對諧波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或補償已產生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統中，應積極采取消除或抑制諧波危害的防范措施。

3.1 電力電纜的選擇

在礦井供配電系統電力電纜截面的選擇中，應考慮諧波引起電纜發熱的危害。對于連接諧波主要擾動源設備的配線，確定電纜載流量時應留有足夠裕量，必要時可適當放大一級選擇電纜截面。

3.2 合理選擇變壓器

正確合理地選擇變壓器的接線方式，能阻止不平衡電流和3N次諧波電流從原邊傳到電源配電系統中。在三角形/星形變壓器里，不平衡電流和3N次諧波電流在原邊繞組內循環流動而不會傳入電源配電系統中。礦井供配電系統中各級變壓器應多采用三角形/星形變壓器。在根據負載確定電力變壓器額定容量時，應考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設計中一般應保證變壓器負荷率在70%～80%，該裕量可防范諧波引起的變壓器發熱危害。

3.3 靜止無功補償裝置進行補償

快速變化的諧波源，如：大功率提升機、通風機、帶式輸送機的變頻設備等，在運行過程中除引起較嚴重的高次諧波污染外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯裝設靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數。

3.4 諧波補償裝置

諧波補償裝置是在諧波源處吸收諧波電流。傳統的諧波補償裝置是采用LC調諧濾波器，它既可補償諧波，又可補償無功功率。但其補償特性受礦井供配電系統阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒壞。另外，它只能補償固定頻率的諧波，效果不甚理想，但該裝置結構簡單，目前仍被廣泛應用。隨著電力電子器件的普及，使得有源濾波器進行諧波補償成為主要方法，有源濾波器的工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后產生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網電流只含有基波分量。無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功、有一機多能的特點；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。

［1］喬小敏，王增平.高壓直流輸電中諧波對換流變壓器差動保護的影響[J].電力系統保護與控制，2009（10）.

［2］潘慶.基于煤炭企業內部電力調度的配電網降損措施[J].煤炭技術，2012（06）.

［3］劉燕燕.電網諧波危害分析及在煤礦生產中的應用[J].現代電子技術，2005（18）.

［4］沈伯澤，鹿守明.煤礦6kV供電系統諧波治理研究與應用[J].煤炭科學技術，2011（03）.