煤礦電力系統(tǒng)諧波分析及治理

王清波 孫利文 韓小軒

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦機(jī)械化程度在不斷提高，變頻設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，如井下主運(yùn)輸皮帶、架空乘人裝置、通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、電泵等，但這類非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中的大量使用，卻造成了電網(wǎng)的諧波分量所占比重越來(lái)越大。因此，如何能夠及時(shí)消除這類電氣設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波尤為重要。本文將對(duì)煤礦電力系統(tǒng)諧波源進(jìn)行分析及治理的措施簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：煤礦電力系統(tǒng)；諧波治理；SVG；SVC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.051

1 煤礦電力系統(tǒng)中諧波的來(lái)源

以前煤礦電力系統(tǒng)中的諧波源主要來(lái)自變壓器、電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量非線性負(fù)荷得到廣泛使用，特別是各類電力電子裝置（可控硅、IGBT等）迅速發(fā)展，已成為煤礦電力系統(tǒng)中主要的諧波源。煤礦電力系統(tǒng)的諧波源主要分以下幾類：

（1）電弧加熱設(shè)備：如電焊機(jī)等。

（2）需整流的用電設(shè)備：如主副井提升機(jī)等大型直流電動(dòng)機(jī) ；各類變頻調(diào)速設(shè)備（采煤機(jī)、皮帶機(jī)）在礦井中的廣泛應(yīng)用。

（3）地面辦公設(shè)備：如電腦、彩色電視機(jī)、打印機(jī)、變頻空調(diào)等在地面得到廣泛應(yīng)用。

2 諧波在煤礦電力系統(tǒng)中的危害

（1）大量諧波電壓電流存在于電網(wǎng)中，易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，增加線路損耗，導(dǎo)致煤礦噸煤成本增加；變頻器、變壓器以及電動(dòng)機(jī)等這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動(dòng)之中，產(chǎn)生的諧波極易構(gòu)成諧振，致使諧波含量放大，產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流，燒毀電容器、電動(dòng)機(jī)等。

（2）影響供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的正常使用，特別是未采用有源動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的變電所，諧波注入電網(wǎng)時(shí)容易造成變電所高壓電容過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，在諧波場(chǎng)合下，電容柜將無(wú)法正常投切，更嚴(yán)重的情況是電容柜能夠?qū)㈦娋W(wǎng)諧波進(jìn)一步放大。

（3）諧波影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是對(duì)廣泛應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)裝置危害更大，易造成變電所繼電保護(hù)誤動(dòng)作，導(dǎo)致區(qū)域性停電事故。

（4）干擾通訊系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)輸電線路與通訊線路平行或相距較近時(shí)，電力線路上流過(guò)的較大的奇次低頻諧波易形成磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合，諧波分量則會(huì)在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾，輕則降低信號(hào) 傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳輸，重則損壞通訊設(shè)備或威脅使用通訊設(shè)備人員的人身安全。

（5）諧波的存在會(huì)使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率；負(fù)序諧波會(huì)在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，形成反向轉(zhuǎn)矩，降低傳動(dòng)效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱 ，降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

（6）諧波對(duì)人體也會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)人體細(xì)胞在受到刺激興奮時(shí)會(huì)產(chǎn)生快速電波動(dòng)，其頻率若與諧波頻率相接近，諧波產(chǎn)生的電磁輻射就會(huì)直接影響人的腦磁場(chǎng)與心磁場(chǎng)。

3 諧波治理措施

目前諧波治理的主要措施有變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理。

（1）分散治理措施：適用于供電距離較遠(yuǎn)且功率因數(shù)較低的大型用電設(shè)備，主要可采取以下幾個(gè)措施：

1）對(duì)電力電子設(shè)備本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波或減少諧波的產(chǎn)生；

2）變頻器和諧波治理設(shè)備必須配套使用，嚴(yán)禁安裝使用無(wú)諧波治理的設(shè)備；

3）加快提高同步電動(dòng)機(jī)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的使用比例，例如同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)提升機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)皮帶機(jī)在許多煤礦中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用。

（2）變電所集中治理措施：通過(guò)外加補(bǔ)償裝置等來(lái)補(bǔ)償諧波，例如在電力系統(tǒng)中加無(wú)源濾波器或在裝置的電網(wǎng)側(cè)加有源濾波器裝置及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。

1）機(jī)械式投切的無(wú)源補(bǔ)償裝置，屬于慢速無(wú)功補(bǔ)償裝置，電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前應(yīng)用已經(jīng)較少；

2）晶閘管投切的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC），該裝置產(chǎn)生無(wú)功和消除諧波是靠其電容和電抗本身的性質(zhì)產(chǎn)生的，屬無(wú)源、快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，在我國(guó)煤炭電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，但受系統(tǒng)諧波影響大，缺點(diǎn)明顯。

楊營(yíng)煤礦在35kV變電所10kV母線安裝了兩套無(wú)功補(bǔ)償濾波裝置，每套輸出基波補(bǔ)償容量為3000kvar。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①額定補(bǔ)償容量較廣且連續(xù)可調(diào)；

②響應(yīng)時(shí)間較快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于100ms；

③受系統(tǒng)諧波影響大，自身產(chǎn)生較大量諧波，例如SR、TCT等易產(chǎn)生5、7、11等高次諧波。

此裝置在該礦兩年的實(shí)踐應(yīng)用中，諧波消除效果可滿足礦井供電系統(tǒng)需求。

（3）基于電壓源逆變器的靜止同步補(bǔ)償器（SVG），該裝置產(chǎn)生無(wú)功和消除諧波是靠其內(nèi)部電力電子器件產(chǎn)生與諧波電流相反的無(wú)功電流，屬有源、快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，應(yīng)用性能較為先進(jìn)。此裝置主要應(yīng)用于大型新建礦井，例如神華神東礦區(qū)諧波治理配置的就是無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（SVG），實(shí)踐證明該補(bǔ)償裝置取得了良好效果。該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）額定補(bǔ)償容量廣且連續(xù)可調(diào)，±20 Mvar的可調(diào)范圍已經(jīng)得到應(yīng)用；

2）響應(yīng)時(shí)間快，一般不大于10ms，能夠很好的應(yīng)對(duì)各種沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償工作；

3）受系統(tǒng)諧波影響小，可抑制系統(tǒng)諧波。

4 小結(jié)

煤礦電力系統(tǒng)諧波治理對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行具有重要意義，因此在規(guī)劃電力系統(tǒng)建設(shè)、采區(qū)供電系統(tǒng)建設(shè)或設(shè)備選型時(shí)，必須考慮諧波的影響。我們可以利用先進(jìn)檢測(cè)儀器及時(shí)分析供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，找出電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的原因，采用靈活的諧波治理方式，綜合應(yīng)用多種諧波治理技術(shù)，積極落實(shí)相應(yīng)措施，保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：王清波（1987-），男，山東濱州人，本科，助理工程師，現(xiàn)任肥礦集團(tuán)梁寶寺煤礦采煤副區(qū)長(zhǎng)，主要從事煤礦機(jī)電專業(yè)研究、管理工作。