煤礦供電系統諧波的治理與無功補償技術的研究

齊 君

（山西潞安礦業集團漳村煤礦， 山西 長治 046032）

引言

隨著礦井現代化技術的深入發展，其供電系統中各個大型設備都采取了較為先進的電控技術。這些最常使用的技術主要有：晶閘管整流器- 直流電動機、交流電機- 晶閘管串級調速等；采取PLC 的軟啟動形式等，這種電控形式具有接線及維護簡便的優勢，增強了設備運行的安全性，但是同時也導致諧波受到了污染[1]。

1 供電電網諧波的危害

1.1 對電容器的影響

其影響主要體現在諧波擴大。供電體系存在的諧波源為電流源。電容器及主系統都屬于分流。電容器不僅可以吸取諧波源電流，而且可以吸取主系統形成的諧波電流。當n=n的時候，產生諧波震動，當n

1.2 對電機的影響

諧波電流不僅會形成附加損耗，導致電機溫度過高，還會導致電機發生振動。

1）對同步電機的出力造成阻礙；

2）感應電機：額定轉速背景下形成的有效轉矩將會因過大的諧波而降低，同時會在低轉速下形成寄生轉矩。

1.3 對繼電保護自動裝置和控制設備的影響

由于各個形式的繼電保護設備都是依據工頻條件來進行設計的，諧波的產生會導致錯誤動作。對于運用電力線路作為聯系通道的遠動設備而言，諧波電流將會對動作母線的電壓畸變造成影響及產生破壞，還將會對整流裝置中觸發脈沖裝置的觸發周期造成極大的影響，進而導致晶閘管不具有對等的觸發角[4]。

1.4 對通信系統的影響

影響因素在于諧波對相接近的通信線路造成了電磁及靜電感應。

2 變頻器諧波電流的分析

2.1 交- 交變頻器

該變頻器中主電路的構成主要為兩組反向并聯的整流器，該整流器一般都采取了三相橋式全控整流電路，對于換相流程及電流脈動不加以考慮，假設交流側的電抗為0，直流電感L較大，負載為三相橋式全控整流電路[5]。

但通過與可控硅的整流電路相對比，該變頻器的網側諧波電流具有極為復雜的頻譜，但幅值過小，其網側除了整數諧波及基波之外，還包含了非整數的旁頻諧波。

由此可知，該變頻器的網側形成的諧波電流的頻率和大小與主電路的構造相關。因此，對較復雜的工程進行理論計算時，通常會采取計算機模擬或類似于現場的實測數據相對比來明確其網側的諧波電流[6]。

2.2 交- 直- 交變頻器

2.2.1 交- 直- 交電壓型變頻器

該變頻器中主電路的構成主要有整流部分、中間直流部分及逆變部分，對網側諧波電流進行分析的核心在于整流部分，假定變壓器與變頻器呈現幾何對稱狀態，并且其輸出可以當作是整流電流的解禍，此時變頻器所具有的網側電流與可控硅的整流器極為相近，僅僅具有特征諧波的分量；但兩者又存在一定的不同，其負載具有阻容性質。處于輕載狀況下，整流器不具備持續的網側電流，其諧波的含量通常要更大[7]。

對網側諧波進行理論分析一般較為復雜。大部分著名的變頻器生產商都可以提供出出廠的變頻器含量的各個資料。還可以基于在額定負載背景下諧波的含量表與各個負載率背景下基波及諧波的含量表來進行估算。

2.2.2 交- 直- 交電流型變頻器

特征諧波與電壓型變頻器較為相似。但電機側與網側之間的解禍遠遠不如電壓型變頻器的效果，并且電機側的諧波會對網側的諧波造成較大的影響，因此網側形成諧波的次數為非整數。

3 諧波治理

3.1 受端治理

選擇最有效的供電模式，即通過容量較大的供電點或者利用電壓較高的電網來為諧波源進行供電；避免諧波因電容器的影響而放大，抑制方法為添加串聯的電抗器，其原理為電容器與電抗器相互構成無源濾波器；增強設備抗諧波干擾的能力，確保設備可以在某個限度的諧波背景下運行；完善諧波的保護功能，即針對諧波敏感的設備可以運用靈敏度較高的保護設備。

3.2 主動治理

1）將整流設備的相數或脈波數加以提升。通過運用多重化技術來提高脈波數，它主要是將數個整流器相互聯合所運用，采取多個方波相疊加的形式，以有效清除低頻率的諧波，取得與正弦波相接近的階梯波。

2）將諧波源的設置或工作形式加以轉變。具有集中諧波互補性的設備應當加以分散，并對諧波產生的工作形式加以約束。

3）對高功率因素進行設計或運用。變流器大多運用PWM技術，促使整流器形成較高的諧波頻率及較低的幅值，波形與正弦波相接近，但僅可應用于自關斷部件。

3.3 被動治理

1）采取無源濾波器PE。主要包含高通或單調諧兩種濾波器，可以汲取相應的諧波電流，同時還可以開展無功補償，有助于維護。

2）采取有源濾波器APF。主要有串、并聯兩種方式，可以對諧波加以隔離或者補償，并聯型還可以做出無功補償。

3）采取混合型的有源濾波器HAPF。它具有兩個優勢，分別為具有較好的APF 性能和較少的PF成本。

4 無功補償

無功補償的方法:

1）靜態補償，其主要針對功率因數的平均值；

2）動態補償，其主要針對沖擊性的無功功率。

4.1 靜態無功補償

所采取的靜補方式是在用電裝置與公共電網相連接的部位并聯相應的電容器組，運用容性無功來對感性無功進行補償，降低用電裝置所吸收的無功功率，增強功率的因數。電容器主要有電容器常接方式和電容器自動投切方式存在以下兩種接入形式。

4.2 動態無功補償

其目的在于對因沖擊性無功功率所導致的電網電壓出現的波動加以抑制。目前，工程中主要存在以下兩種補償方式。

4.2.1 晶閘管投切電力電容器（TSC）

基于負載無功功率的狀況，通過運用晶閘管中無觸點開關來對電容器發揮投切作用，從而確保無功功率的總和降低。TSC 控制器的輸入及輸出分別為無功功率的分量QL和TS1-TSn的投切指令。控制器依據QL的數值來明確將投切命令下達給哪幾個晶閘管的無觸點開關，向電網來動態化的補充QTS1～QTSn的容性無功功率[8]。

4.2.2 晶閘管控制電抗器（TCR）

晶閘管控制電抗器又名相控電抗器。依據負載無功的功率，通過對晶閘管的觸發延遲角進行有效控制，以此來對TCR 形成的無功功率進行控制，再由于TCR 形成的無功功率之和基本維持不變。這樣一來，電網中無功功率的總和增加了，但是其波動卻降低了。

5 結語

無功補償可以極大改善電能的質量電壓。隨著礦井電子裝置的深入運用，應對諧波治理與無功補償技術結合研究，運用有效的檢測與評估方法對電網進行測評，尤其對于煤礦電網，即使在正常運行時，也應當對電網的質量進行檢測與評估。保證供電系統具備較好的電能質量，確保設備維持穩定運行。