礦井變壓器諧波耗能機理分析及節能方式研究

劉 峰

（大同煤礦集團同煤晉華宮礦，山西大同 037003）

1 煤礦變壓器類型

1.1 普通礦用變壓器

此類變壓器大多運用在不含有煤氣、瓦斯等易爆氣體的安全場所，其主要功能是照明和日常低壓動力。現階段應用最廣的普通礦用變壓器為KS9和KS7，它的主要特征在于能耗較低。從結構上講，KS7系列的變壓器具有較高的機械強度和較堅固的油箱，在油箱的上部安裝有油枕，可以避免因油管受堵而產生事故。在油箱的頂端安裝了吸油器、吊環及注油塞，有助于吸油及注油的油箱濕氣、變壓器油的熱空氣通過注油塞排出[1]。在低壓側及高壓側分別設置了6和3個接線柱，用戶可以通過三角形或者星形來進行連接。若低壓側的額定電壓為660 V，其380 V變壓器的容量通常低于200 kVA，若其額定電壓為1 140 V，其660 V變壓器的容量通常高于315 kVA。

在變壓器的高壓側配置有±5%的分接頭，當其二次側的輸出電壓長期維持較低時，可將分接頭調節到-5%；當輸出電壓維持較高時，可以將分接頭調節到+5%。因分接頭未設置相應的有效措施，因此必須在停電之后，才可以進行調節。分接頭的轉換步驟為：斷開低壓開關—斷開高壓電源—切換分接頭。采用冷軋硅鋼片來制作變壓器的鐵心，可以避免變壓器產生一系列的故障[2]。

1.2 礦用隔爆型變壓器

為了使隔爆需求得以滿足，礦用隔爆型變壓器應當根據隔爆的規范來研制外殼，殼體的內部可以承受高壓。目前，煤礦井下移動變電站所運用的變壓器為KGSB系列的礦用隔爆型變壓器，此類變壓器的外殼上端設計為長方形，其兩端都配置了高壓及低壓隔爆接線盒，外殼的底部套管是高低壓進出線通道，在接線盒上安裝有急停開關、閉鎖開關及高低壓開關箱。

此類變壓器的主要特征是變壓器處于隔爆外殼上，鐵心及線圈不必浸泡于液態物質中，因不含有可燃油，因此導致其使用過程具備較強的安全性，且便于維修，但其不具備較強的絕緣性及散熱性，為了使其具備較強的機械韌性及較好的散熱性，外殼應當運用楞狀鋼材圈[3]。普通變壓器與隔爆型礦用變壓器的區別如表1所示。

表1 隔爆型礦用變壓器和普通型變壓器的區別特征

2 變壓器的諧波耗能機理分析

作為照明及動力裝置，變壓器在配電體系中有著廣泛的運用，通過對繞組匝數比加以調整，可以有效地改變電流或電壓的大小。目前，變壓器具有較多的額定電壓及容量等級，可以實現礦業的生產需求。通常情況下，礦用變壓器的容量是發電機的2～3倍，且前者具有較好的效率，但是因使用量過大，導致其損耗問題日益突出。

2.1 礦用變壓器受諧波影響分析

變壓器會產生一定的諧波，而諧波對電網有著嚴重的影響。在煤礦的開采過程中，諧波問題通常會導致礦用電能的質量降低，對其正常運行有著較大的影響。質量較高的電能屬于相應的正弦交流電，電壓相同，頻率的波動幅度較小[4]。當電流受到外部干擾時，其所產生的波形將會產生偏差，電能的質量也會降低。特別是當負荷中存在較多的非線性負載之時，系統的電流將會產生異常變化，進而導致諧波的形成。當存在較大諧波時，配電體系將會受到嚴重的影響。除了增加損耗之前，也會產生效率較低、設備受損等狀況，嚴重威脅著工作人員的安全。

在配電體系中，諧波主要通過使變壓器產生較大的能耗，而導致變壓器構造發熱。此外，諧波的存在將導致變壓器出現震動，進而產生容量降低等狀況。在某種程度上，溫升問題將會縮短變壓器的使用壽命，而鐵心的附加溫升主要取決于雜散損耗，頻率的增加將會導致渦流及磁滯的損耗增多，且前者的損耗高于后者。

變壓器所產生的諧波損耗將會導致其容量不斷降低，且供配電體系受其影響較大。首先將導致電能的使用效率降低；其次，電氣設備因受熱問題而迅速老化，降低了使用周期；第三，電氣設備使用效率的降低，通常會導致系統產生故障或者設備受到損壞。因此在供電體系中必須對諧波加以有效抑制。

2.2 變壓器中諧波產生機理分析

變壓器鐵芯出現的磁飽和問題是導致諧波產生的根本原因。忽略不計磁滯對電壓所造成的影響，變壓器出現空載的時候，其所形成的端電壓為式（1）。

端電壓與磁通之間的關系為式（2）。

綜上所述，端電壓與磁通的波形相似，屬于正弦波，并且電壓所具有的相位超出其π/2。磁化曲線如式（4）。

其磁通相對電流為式（5）。

式中：n為線圈的轉速；ψ為磁通量；u為端電壓；U為額定電壓；ω為線圈轉動的角速度；t為時間；I為額定電流；a為瞬時電流。

通過上式可知，磁通所形成的相對電流包含了3次諧波，電流也出現了異常變化，當勵磁電流存在諧波的時候，變壓器將會產生大量的諧波。諧波與端電壓兩者的大小存在一定關系，當電壓較小的時候，諧波也較小[5]。在某種程度上，繞組的接線模式也對諧波電流造成了一定影響，同時變壓器的構造也是一個影響因素。零序勵磁所形成的諧波電流無法流出變壓器，因此無法進到大電網內，但大容量的變壓器不具有完全對稱的三相磁路，因此零序諧波電流將會對系統產生相應的影響。

2.3 變壓器因諧波引發的損耗分析

因諧波所產生的變壓器損耗存在較多的類型，其中最典型的是銅耗與鐵耗。鐵耗包含了鐵芯之間所形成的局部渦流損耗和鐵芯自身產生的渦流及磁滯損耗。因繞組所形成的損耗又稱之為銅耗，當存在較大的負載率時，銅耗占據了較大的比例。

（1）磁滯損耗。當變壓器的鐵芯出現磁化時，由于外磁場的變化速度大于鐵磁質，因此產生了磁滯問題，進而出現磁滯損耗。由于鐵磁具有一定的磁慣性，當磁化出現飽和之后，磁場的強度將會不斷降低。此時磁感應強度B將不斷降低，當其降低至0時，由于B的轉變較落后于磁場強度，B并非為0，形成磁滯閉合曲線[6]。為了使鐵芯的磁矯頑力得以降低，鐵芯將會不斷磁化，產生相應的磁滯損耗。該損耗將會被傳輸到外圍物質中，導致變壓器產生溫升問題，進而極大降低了變壓器的效率。處于交流條件下，變壓器的鐵芯將會產生大量的損耗，不僅導致效率降低，而且導致設備受到損壞。因此變壓器鐵芯所運用的材料具有較好的磁導性，一般運用軟磁。當變壓器出現諧波之后，磁滯損耗與其基波電壓呈現負相關，與諧波電壓及功率因素呈現正相關，通過磁滯伸縮反應，磁滯損耗將會對變壓器造成嚴重的損壞。

（2）渦流損耗。當磁感線透過帶電導體時，導體內部將會形成相應的感應電動勢，進而對帶電導體的變化造成阻礙。由于存在電動勢，導體將會產生發熱的狀況，進而形成渦流。一般狀況下，變壓器鐵芯主要由彼此絕緣的薄鐵片所構成，這種結構可以降低渦流損耗。根據電磁學的相關知識可知，磁通量的改變將會導致鐵芯產生渦流損耗。變壓器的漏磁場主要有2種，分別為軸向和輻向，其相對應的損耗分別為軸向和輻向。

（3）繞組損耗。一般指的是銅耗或者可變化的損耗，變壓器一、二次側的繞組電阻產生相應的銅耗，而銅耗會因漏磁場的存在而增加[7]。

3 煤礦變壓器節能方式分析

3.1 諧波治理節能

目前，針對諧波所采取的解決措施主要有：選擇最恰當的供電模式；增強設備的抗諧波干擾能力；利用變流器來處理諧波源，以降低配電體系中的諧波；加設濾波器，濾波器的運用可以有效避免諧波進入電網體系或者負載側，在某種程度上不僅可以吸收諧波電流，而且可以補償供電體系。

在礦山的領域內，諧波源通常包含井下大巷皮帶和副井提升機，諧波將會超出允許范圍，而相應的治理裝置通常安裝于變電站。

根據電力系統的相關知識可知，負荷的無功功率將會隨著電壓的降低而降低。為了使負荷電壓保持在正常的范圍內，應當對負荷開展有效無功補償。因此，礦井的供電體系必須保障平衡的無功功率，才能使配電體系有效運行，確保該系統的電壓正常。電源與負荷的無功功率及其損耗應當維持平衡狀態，否則，當電網不具備充足的無功功率時，必須開展相應的無功補償。

3.2 電能質量監控節能

因變壓器絕緣受損所造成的匝間短路等問題將會對用戶的生活造成極大的影響，電力裝置也會因此受到破壞。礦用變壓器在產生短路問題之后，其相關電流將會出現電弧，輕則破壞設備，重則造成爆炸[8]。

對各個節點的電力運行狀況及電能的質量進行長期監測，有助于資源的合理分配，可以有效避免事故的產生，且及時上報，在故障發生之后可以完成數據的分析、原因的確定及治理措施的運用等一系列工作。

4 結束語

在生產生活中，煤炭是其最重要的能源。我國有著巨大的煤炭生產量，其噸煤的能耗也較大。為了滿足科學發展觀，應當積極采取有效的措施來降低開采過程中的能耗。煤炭開采過程中的電能損耗主要來源于電氣設備，因此，礦井節能主要是增強開采設備的節電能力。