煤礦電網(wǎng)諧波治理研究

徐冬冬

（山西潞安集團(tuán)王莊煤礦 山西長治 046031）

隨著煤礦生產(chǎn)水平的不斷提高，各種沖擊性和非線性設(shè)備大量增加，這些設(shè)備在提高煤礦生產(chǎn)效率和安全水平的同時，也使得大量的諧波注入煤礦電網(wǎng)，嚴(yán)重影響煤礦的電能質(zhì)量，造成電能損耗增加、降低設(shè)備壽命、干擾通訊設(shè)施等。無論是從保障煤礦電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還是從保障煤礦機(jī)電設(shè)備的角度來看，采取相應(yīng)的措施對煤礦電網(wǎng)諧波進(jìn)行治理，對提高煤礦電能質(zhì)量和保障煤礦用電設(shè)備安全是非常有必要的。

1 煤礦電網(wǎng)的主要諧波源

煤礦電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的主要原因是由于大量非線性設(shè)備所產(chǎn)生的，主要諧波源有以下幾種：

1.1 變壓器

煤礦電網(wǎng)存有大量變壓器，當(dāng)電壓器正常運(yùn)行時，由于鐵磁的非線性，容易造成電流波形發(fā)生畸變，畸變電流包含大量奇次諧波分量。特別當(dāng)變壓器受短路電流沖擊和合閘時，會產(chǎn)生很大的勵磁涌流，勵磁涌流中包含很大的非周期諧波分量。

1.2 電容器

為了節(jié)能，煤礦大量采用無功補(bǔ)償電容器，電容器在節(jié)能的同時，由其它設(shè)備引起的諧波容易造成電容器過流，使電容器與煤礦感性機(jī)電設(shè)備造成并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，嚴(yán)重放大了諧波。

1.3 電力電子設(shè)備

以電力電子元件為基礎(chǔ)的各種控制設(shè)備，比如變頻器、充電機(jī)、整流器、逆變器、調(diào)壓設(shè)備等，由于它們不是工頻工作，因此含有大量諧波分量。

2 諧波的危害

諧波的危害是非常嚴(yán)重的，具體主要有以下幾種危害：

2.1 造成電能質(zhì)量下降

諧波會導(dǎo)致諧波分量與基波分量相互迭加，使波形發(fā)生畸變，造成電壓損失，當(dāng)不是基波頻率的整數(shù)倍的間諧波接近整數(shù)倍基波頻率諧波或基波頻率時，會引發(fā)諧振造成電壓閃變，給人的視覺造成嚴(yán)重干擾。

2.2 危害電纜

諧波電流與基波電流相互疊加，會引起電纜線路中的電流有效值增大，導(dǎo)致線路的損耗增加，加速線路老化，加上由于電纜對地電容比架空線路大，而電感很小，當(dāng)存在諧波時，電纜容抗將減小，同時感抗將增大，很容易形成諧振擊穿電纜，造成火災(zāi)隱患。除此之外，在三相四線式低壓配電系統(tǒng)中，如果存在3次及其倍數(shù)次諧波電流，即使在負(fù)載完全平衡的情況下也會造成中性線帶電，引起中性線導(dǎo)線發(fā)熱甚至燒斷。

2.3 危害電容器

當(dāng)存在諧波時，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，將會導(dǎo)致電容器中電流變大，使得電容器異常發(fā)熱，造成損耗增大，加速它的老化，不但影響電容器的使用壽命，而且容易引起箱殼脹裂，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電容器發(fā)生爆炸。

2.4 危害變壓器

當(dāng)諧波電流流經(jīng)變壓器時，諧波會使變壓器的銅耗及鐵耗增大，銅耗會降低設(shè)備容量，鐵耗會使鐵心的溫度升高，限制變壓器出力的提高。當(dāng)煤礦電網(wǎng)變壓器采用Dynll接線時，當(dāng)諧波電流很大時，3次及其倍數(shù)諧波電流將在三角形連接繞組中形成環(huán)流，引起變壓器繞組過熱，甚至燒毀變壓器。除此之外，諧波還會造成變壓器鐵芯振動，造成設(shè)備損壞。

2.5 危害電動機(jī)

諧波除了會引起噪聲和振動外，還會在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，降低電機(jī)的效率，使電機(jī)的絕緣水平下降，降低使用壽命，引起機(jī)械設(shè)備故障。

2.6 干擾通信

當(dāng)煤礦電纜線路與通訊線路相距較近時，諧波會通過電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)耦合到通信系統(tǒng)中，會增加通信線路的噪聲，降低信號的傳輸質(zhì)量，使其無法正常工作，干擾嚴(yán)重時會引起信號嚴(yán)重失真，導(dǎo)致通訊系統(tǒng)不能正常工作。

2.7 影響測量儀表精度

由于測量儀表只允許很小的誤差，當(dāng)存在諧波時，會造成波形正負(fù)半波幅值發(fā)生變化，也有可能發(fā)生過零點偏移，使采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，會帶來明顯的測量誤差，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓽y量結(jié)果完全失真，會造成控制設(shè)備失控、死機(jī)等現(xiàn)象。

2.8 影響繼電保護(hù)的可靠性

諧波容易引起保護(hù)裝置失靈，如變壓器差動保護(hù)、復(fù)合電壓起動過電流保護(hù)等，由于接地保護(hù)不能區(qū)分零序電流和3次諧波電流，當(dāng)存在三次諧波時，三次諧波電流會引起接地保護(hù)誤動作,此外，還會造成漏電裝置誤動作，嚴(yán)重影響煤礦供電及生產(chǎn)安全。

3 諧波治理措施

由于大量諧波注入煤礦電網(wǎng)會嚴(yán)重影響煤礦的安全運(yùn)行，因此必須對諧波進(jìn)行治理，對諧波的治理首先要盡量減少諧波的產(chǎn)生，其次在諧波發(fā)生后，進(jìn)行綜合治理。

3.1 增加換流裝置脈沖數(shù)

對于整流及變頻設(shè)備，增加換流裝置脈沖數(shù)，使其盡量少產(chǎn)生諧波是降低諧波最基本的方法。

換流裝置產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)為：

式中，n為諧波電流次數(shù)，m表示從1開始的任意正整數(shù)，p表示變頻裝置的脈沖數(shù)。可以看出，換流裝置的脈沖數(shù)越多，諧波電流次數(shù)越高，也就是說不會產(chǎn)生低次諧波，比如p=6時，只產(chǎn)生5次以上諧波；如p=12時，只產(chǎn)生11次以上諧波。由于諧波次數(shù)越高，諧波電流值越小，增加換流裝置脈沖數(shù)，可以從原理上消除低次諧波，減少諧波電流值。

增加換流裝置脈沖數(shù)的有效方法是通過兩個或多個逆變電路并聯(lián)，通過波形移位疊加，從而抵消諧波分量。最常用的方法是利用(Y,y)接法變壓器和(Y,d)接法變壓器分別接入整流器然后并聯(lián)，由于兩臺變壓器二次側(cè)電壓相差30度角，將兩臺三相6脈沖換流器分別接入這兩臺變壓器，這樣就可以將兩組6脈沖換流器變成了12脈沖換流器，由于12脈沖換流器只產(chǎn)生11次以上諧波，因此就不需要投資安裝11次以下諧波濾波器。

3.2 合理選擇變壓器及其運(yùn)行方式

合理選擇變壓器及其允許方式，能阻止或者減少諧波的影響。比如選用有載調(diào)壓變壓器，可以及時調(diào)整變壓器母線電壓，避免變壓器過激磁，從而減少諧波產(chǎn)生，此外，減少變壓器空載，還可以避免變壓器鐵磁飽和產(chǎn)生諧波。

3.3 提高供電電壓等級或采用專線供電

如果煤礦電網(wǎng)存在大容量的諧波負(fù)荷的情況下，可采用提高供電電壓等級或者采用專線供電的方法進(jìn)行供電，這樣可以提高供電系統(tǒng)承受諧波能力，減少諧波對其它負(fù)荷的影響。

3.4 裝設(shè)濾波裝置

當(dāng)諧波產(chǎn)生后進(jìn)行治理是常用的諧波治理方法，由于無源濾波器易受系統(tǒng)參數(shù)影響，設(shè)備利用率較低，只能消除特定的諧波，且對某次諧波會產(chǎn)生放大作用。有源濾波器由于需要消耗有功以及投資大等問題的限制，大容量濾波不宜采用。為了降低補(bǔ)償裝置的投資，應(yīng)將有源電力濾波器和無源電力濾波器混合使用，這樣可以充分利用無源濾波器與有源濾波器的優(yōu)點，用大容量無源電力濾波器濾除諧波源中主要的諧波電流，用小容量有源電力濾波器補(bǔ)償所需的各次諧波電流，以達(dá)到降低成本和提高效率的目的。

4 結(jié)語

本文介紹了煤礦電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的主要原因及其危害，由于抑制諧波對煤礦電網(wǎng)的影響，可以起到節(jié)能降耗的目的，還可以為煤礦創(chuàng)造一個安全運(yùn)行的環(huán)境，因此煤礦的諧波治理應(yīng)得到足夠的重視。

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