礦山電力系統諧波的危害與治理

潘博 王健

摘 要：隨著工業生產和電力電子技術的飛速發展，硅整流設備及變頻設備的應用為電力系統帶來了大量的諧波污染，已成為威脅電力系統和其它用電負荷安全運行的電力公害，電力諧波影響了電能的質量和設備工作的效能，干擾導致電氣設備異常和事故有逐年增長的趨勢，造成的經濟損失和安全隱患不可估量，從諧波的產生及危害分析，使得我們在生產中能夠有針對性地進行處理，使損失減到最低。

關鍵詞：諧波的危害；諧波抑制；無功補償裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.087

1 什么是諧波

供電系統的電壓工業頻率是50Hz，是系統中正常工作頻率。該頻率電量稱為基波。由于非線性器件的使用還存在數倍于基波頻率的交流電量，對系統正常工作造成危害，通常稱為諧波，向電網注入諧波的設備稱為諧波源。諧波次數一般為2≤n≤40。諧波的存在影響了電能質量，對系統運行造成的危害和損失不可忽視。

2 諧波的危害

（1）諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，諧波使線路阻抗隨頻率增加而提高浪費電能；使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災，較大高次諧波電流延緩電弧熄滅，限制自動重合閘的動作速度，甚至導致自動重合閘失敗。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常運行。諧波會使變壓器、接觸器、電動機等感性負荷引起附加耗損局部過熱，使電機輸出轉矩不足，諧波過電壓威脅電機絕緣產生諧振，產生機械震動、噪聲，引起較大的諧波軸電壓擊穿軸承油膜，縮短電機的壽命，甚至損壞電機；諧波電流使變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，使變壓器噪聲增大。

（3）諧波會干擾附近的通信系統。一般是會出現噪聲，降低通信質量的情況，嚴重的就是丟失信息，讓通信系統無法正常運行，甚至可能會威脅通信設備和人員的安全。

（4）諧波影響電力測量的準確性。電力測量儀表按50Hz標準的正旋波設計，供電電壓或負荷電流中的諧波成分會影響電力測量儀表的正常工作，使電能計量和電力指標測量出現較大誤差，給供電部門或電力用戶帶來經濟損失。

（5）諧波會導致繼電保護和自動裝置拒動或誤動作。

（6）諧波會引起電網局部的并聯諧振和串聯諧振。從而使諧波放大幾倍甚至數十倍，特別是對電容器和系統電抗發生電網諧振損壞電容器。

（7）使自然功率因數過低，電壓降低。浪費電能，直接影響經濟效益。

（8）諧波還會影響電子設備工作精度。使電子設備工況變壞，壽命縮短等。

（9）交流電壓畸變可能引起不可逆變流設備控制角的時間間隔不等。并通過正反饋而放大系統的電壓畸變，使變流器工作不穩定，而對逆變器則可能發生換流失敗而無法工作，甚至損壞變流設備。

（10）諧波會影響某些機電設備的工作性能。尤其影響無線電發射系統、雷達系統等設備的工作性能，引起噪聲干擾和圖像紊亂。

3 諧波治理的重要性

由于煤礦生產中調速性能和節能要求，供電系統普遍采用電力電子器件完成整流和變頻，這樣的器件產生了大量的諧波釋放到電網中，使電網供電質量下降，我們必須充分認識，及時治理。

3.1 技術規定

電網中諧波含量與電壓、頻率等電能質量指標一樣，是電力系統一項重要指標，國際電工委員會規定發電機實際的端電壓波形在任何瞬間與基波波形之差不得大于基波幅值的一定比例，其中：380/660V不超過5%，6kV/10kV不超過4%，63kV不超過3%，110kV不超過1.5%。

3.2 諧波抑制的直接經濟效益分析

以年產500萬噸國有煤礦為例，按每年生產用電4000萬度計算，諧波造成的損耗增加約為2%，每度用電0.75元人民幣，這樣，每年所造成的經濟損失約為75萬元。

諧波造成電動機等設備每年損壞5臺，所造成的經濟損失約為10萬元。

諧波造成系統高壓變壓器或電容器、電抗器等高壓供電設備每年損壞一臺，所造成的經濟損失約為25萬元。

諧波造成煤礦生產用電繼電保護每年誤動作一次，所造成的經濟損失約為40萬元。

從以上結論可以看出，若重視諧波的危害，加強對諧波的治理，每年生產節約的成本可達150萬元以上。

4 地面變電所補償方式抑制諧波

大型煤礦地面變電所，安裝了TBB-Z高壓無功補償裝置，補償無功功率的同時，抑制了諧波。安裝前諧波使供電系統出現電壓低，功率因數低等不正常現象，安裝該補償裝置后，無功自動控制器檢測電網電壓及功率因數，通過對電網電壓和功率因數的綜合判定，控制主變得自動有載調壓及母線上的無功補償電容的自動投切，通過中和電容投切時的容性電流和功率，平衡系統電壓電流，補償功率因數，為了防止補償電容及濾波電容器的損壞，使系統并聯諧振頻率降到變流器所產生的最低次諧波頻率以下，防止補償電容器與系統電抗之間在某次諧波附近產生并聯諧振，同時濾除了一些高次諧波，使諧波受到抑制，含量降低。

功率因數由原來的0.2～0.8左右升高到了0.17～0.93左右，并且隨著煤礦主副井提升機等大型設備的啟動，電壓和負荷電流都呈現了運行穩定的趨勢，經過諧波測試儀檢測，5次諧波由原來的18.1%降低到9.68%，7次諧波由原來的11.4%將為5.86%，13、17、19次諧波含量，變電所供給煤礦負荷電流由安裝諧波抑制電抗前在300A～900A間劇烈波動，安裝后波動幅度在600A～900A，負荷運行平穩了很多，不但諧波得到了有效的抑制，無功補償效果也比較顯著，實踐證明，由于諧波含量過高造成的系統電壓不穩定現象基本避免，由于諧波干擾造成的繼電保護無故跳閘現象基本杜絕，運行比較可靠平穩，但是諧波電抗含量仍然沒有達到國家標準規定值。并且諧波電抗器由于消耗了大量的諧波功率來濾除諧波，油浸式或干式鐵芯電抗器在運行當中鐵芯勵磁要產生磁滯振動必然要發出一定的聲音，對工作環境構成噪聲污染，隨著容量增大，鐵芯氣隙增多聲音越大，諧波產生的損耗很大，噪聲也越嚴重，正常運行時的溫度也越高。

綜上所述，諧波治理的任務很艱巨，要引起高度重視，科學施治。諧波干擾問題在通信領域里已經具有很深的研究，取得了很多抗干擾的成熟技術，值得借鑒、擴展應用。

參考文獻：

[1]張文榮.礦山供電技術[M].機械工業出版社，2014（07）.