煤礦井下礦用變頻器高次諧波的預(yù)防

張?zhí)鞎F

(龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司安全監(jiān)察部，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

龍煤集團(tuán)東風(fēng)礦位于七臺(tái)河市西部，是七臺(tái)河礦區(qū)開發(fā)最早的礦井。礦井開拓方式主要為斜井多水平開拓。礦井提升系統(tǒng)為兩段提升，其中一采區(qū)第二段主提升為強(qiáng)力皮帶，副提升為KJ—2．0/20型絞車提1 t礦車;二采區(qū)第二段主提升為箕斗，主、副提升均為KJ—2．0/20型絞車。礦井設(shè)計(jì)能力40萬t，兩個(gè)生產(chǎn)采區(qū)。兩個(gè)采區(qū)主副井都采用上海生產(chǎn)的變頻系統(tǒng)。

1 礦用變頻器應(yīng)用中存在的問題

在現(xiàn)代化煤礦井下主、副井提升絞車電控系統(tǒng)大都采用變頻器控制的拖動(dòng)系統(tǒng)，因其有著節(jié)能效果顯著，調(diào)速性能可與直流電機(jī)相媲美，保護(hù)齊全，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域特別是在煤礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。礦用變頻器在煤礦實(shí)際使用過程中也存在一些影響安全生產(chǎn)的問題，煤礦礦用絞車變頻器，雖然采取一定屏蔽措施，但在實(shí)際生產(chǎn)中還是頻頻出現(xiàn)變頻器諧波干擾人車信號(hào)接收機(jī)對(duì)信號(hào)的接收，影響擋車欄聯(lián)動(dòng)裝置安全運(yùn)行，造成多處誤動(dòng)作。給人員安全、正常生產(chǎn)帶來很大危害。因此，對(duì)變頻器應(yīng)用中諧波對(duì)其他設(shè)備干擾問題進(jìn)行分析，才能解決變頻器諧波干擾問題。

礦用變頻器使用不當(dāng)產(chǎn)生諧波主要有以下三個(gè)原因：

1)硐室內(nèi)設(shè)備布置及其線路和相關(guān)控制線路鋪設(shè)不合理，采用傳統(tǒng)方式布置設(shè)備，即所有設(shè)備布置在硐室一側(cè)。

2)絞車硐室內(nèi)變頻設(shè)備接地與工頻設(shè)備接地未分開布置。

3)部分線路電纜的選擇與接線工藝不合格。變頻器電源線、負(fù)荷線選用普通的礦用聚氯乙烯鎧裝電纜，此電纜屏蔽效果不好，存在部分輻射性諧波。防止輻射性諧波的干擾，主要還是采用屏蔽電纜進(jìn)行防護(hù)。

絞車硐室設(shè)備及線路接地線布置示意圖見圖1。

圖1 絞車硐室設(shè)備及線路接地線布置示意圖

2 諧波產(chǎn)生的原因及諧波危害

1)在交—直—交電壓型變頻器的輸入側(cè)是整流和濾波電路，當(dāng)電源線電壓是瞬時(shí)值UL大于電容器兩端UD時(shí)整流橋中才有充電電流，因此，充電電流總是在電源電壓的振幅附近，出現(xiàn)連續(xù)的沖擊波。它們含有很多高次諧波成分，其中5次諧波和7次諧波含量比例較大。由于大多數(shù)變頻器采用SPWM調(diào)制方式，它的輸出電壓占空比按正弦規(guī)律分布的一系列矩形波，異步電機(jī)定子繞組的電感性質(zhì)，決定其定子電流接近正弦波，但其諧波分量比重還比較大。

2)變頻器的主電路中起開關(guān)作用的器件，在通斷電路的過程中，都要產(chǎn)生對(duì)設(shè)備運(yùn)行不利的無用的高次諧波。諧波的增加不僅危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，而且直接造成用戶電氣設(shè)備故障。此外諧波還增加機(jī)械振動(dòng)、測(cè)量?jī)x表儀器的誤差、對(duì)通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾。諧波干擾還會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，較低次諧波通常對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);而較高的諧波則使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足;諧波干擾還影響功率因數(shù)。

高次諧波在煤礦井下主要影響監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備、人車信號(hào)、絞車的編碼訊號(hào)、防跑車裝置信號(hào)、井下小靈通信號(hào)。有資料表明，把諧波水平控制在GE標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，則發(fā)生諧波干擾的事件相對(duì)要少得多。

3 高次諧波傳播途徑

眾所周知諧波干擾以兩種形式存在，即輻射形式干擾與傳導(dǎo)形式干擾。

1)電纜網(wǎng)路方式傳播。

變頻器輸入側(cè)的高次諧波傳播方式是通過電源電網(wǎng)傳播，變頻器輸出側(cè)高次諧波是通過漏電電流傳播，這些高頻漏電電流通過地線傳播到其他電子設(shè)備。

2)感應(yīng)耦合方式傳播。

當(dāng)變頻器輸入輸出設(shè)備線路與其他設(shè)備線路布線時(shí)的距離不符合變頻器說明書的規(guī)定時(shí)，變頻器的高次諧波將通過感應(yīng)方式耦合到其他設(shè)備中;其中電流干擾信號(hào)時(shí)通過電磁感應(yīng)傳播。電壓干擾信號(hào)通過靜電感應(yīng)方式傳播。

3)空中輻射傳播。

變頻器的高次諧波分量具有很強(qiáng)的向空間輻射的能力，從而影響井下的小靈通通信系統(tǒng)、人車信號(hào)的傳遞、絞車與斜井擋車器連鎖系統(tǒng)的正常傳輸。

4 改進(jìn)措施

1)合理鋪設(shè)電纜及相關(guān)控制線路。

合理布線可以大大降低干擾信號(hào)強(qiáng)度，干擾信號(hào)的大小與干受擾控制線路和干擾源的距離成反比，有資料表明，如果受干擾的設(shè)備及控制線路距離干擾源距離大于等于30 cm，則干擾信號(hào)強(qiáng)度將降低(1/2～2/3)。因此，各控制線路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出電纜。

當(dāng)其他設(shè)備控制線與變頻器輸入、輸出電纜平行時(shí)，兩線路間互感越大，分布電容越大。因此，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的干擾信號(hào)干擾能力越大。把2根控制線路進(jìn)行鉸接能夠大大抑制差模信號(hào)的強(qiáng)度。各控制線布線時(shí)盡量分開布置，受限時(shí)，最好垂直交叉。

為防止外來干擾信號(hào)竄入，各控制電路監(jiān)測(cè)監(jiān)控線路必須采用屏蔽線。

變壓器至變頻器的電源線、負(fù)荷線由原來的MVV煤礦用聚氯乙烯絕緣電力電纜改為煤礦用移動(dòng)屏蔽橡皮軟電纜，以利于吸收和消弱變頻器干擾源向外輻射的能力。

為了抑制具有很強(qiáng)輻射能力的高次諧波，可在變頻器的輸入、輸出線路中串接濾波器。其中在輸出側(cè)濾波器的電容必須接在電機(jī)側(cè)，還必須接入電阻，以防止浪涌電流。

總之，需要對(duì)本套變頻設(shè)備線路及控制線路進(jìn)行適當(dāng)改造，把工頻設(shè)備和相關(guān)信號(hào)發(fā)生裝置的電源線及相關(guān)控制線分開供電;把工頻設(shè)備和相關(guān)信號(hào)發(fā)生裝置與變頻設(shè)備分別布置在硐室兩側(cè)，嚴(yán)把各類屏蔽電纜的接線工藝質(zhì)量。

2)絞車變頻器的接地。

改進(jìn)后，絞車硐室的設(shè)備各類線路接地線布置示意圖見圖2。

圖2 改進(jìn)后絞車硐室設(shè)備各類線路接地線布置示意圖

對(duì)于一些含有高頻干擾信號(hào)的變頻器它也有把干擾信號(hào)引入大地功能。同時(shí)接地散流電流以接地極為中心向周圍擴(kuò)散，離接地極越近，電流密度越大，反之越小。離接地極20 m處電流密度幾乎為零。實(shí)際上離接地極5 m處的接地電阻與20 m處的接地電阻相差極小。

要防止變頻系統(tǒng)對(duì)工頻系統(tǒng)的干擾，變頻器系統(tǒng)的接地線，必須和其他工頻設(shè)備的接地線分開布置，絕對(duì)不能把所有設(shè)備接地線聯(lián)在一起。接地母線要比其他設(shè)備的母線適當(dāng)粗一些，接地地點(diǎn)盡量靠近變頻器附近。

控制線電纜的屏蔽層不論公共端，還是另一端的屏蔽層接地時(shí)都只能接一側(cè)，絕不能兩端都接地。

5 結(jié)論

只有按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)和使用說明書正確使用礦用變頻器，按屏蔽電纜的要求進(jìn)行布線及接線，才能保證變頻器高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保證煤礦井下安全生產(chǎn)。

［1］ 張燕濱．電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速圖解［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2003：115－128．