煤礦電網(wǎng)諧波分析及治理措施

張興貴

(四平市同創(chuàng)電器設(shè)備制造有限公司，吉林 四平 136001)

1 引言

近幾年，隨著煤礦電力電子技術(shù)的發(fā)展以及為了追求更好的啟動(dòng)和運(yùn)行特性、減少設(shè)備電能消耗、提高設(shè)備使用壽命，煤礦井下設(shè)備為增加提升能力，正朝著大功率、變頻化方向發(fā)展，這些負(fù)荷大都具有非線性、沖擊性和不平衡性的特點(diǎn)，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，使供電系統(tǒng)諧波污染日益嚴(yán)重，給煤礦電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)很大的影響。

2 煤礦電網(wǎng)諧波分析

變壓器和鐵芯設(shè)備的諧波是由勵(lì)磁回路的非線性引起的，勵(lì)磁電流和磁通的關(guān)系是由鐵芯的磁化曲線決定的，磁化曲線呈非線性，如果再考慮磁滯的影響，勵(lì)磁電流波形更加扭曲。變壓器勵(lì)磁電流諧波含量和鐵芯飽和程度有關(guān)，當(dāng)空載鐵芯飽和時(shí)，諧波電流大大增加，變流裝置諧波源給煤礦設(shè)備的直流提升機(jī)、變頻器、牽引裝置及一些用于節(jié)能的設(shè)備帶來(lái)大量諧波，給各種用電設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重影響，輕則增加能耗，重者損壞設(shè)備，直接威脅到煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。

3 諧波對(duì)電網(wǎng)的影響

正常的供電電網(wǎng)設(shè)計(jì)成正弦波曲線運(yùn)行，一般來(lái)說(shuō)諧波是由非線性設(shè)備引起的，如變壓器、電機(jī)、提升機(jī)、主運(yùn)輸膠帶機(jī)等控制設(shè)備。

諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生有功功率損失，它構(gòu)成了電網(wǎng)線損的一部分，對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。諧波還會(huì)增加設(shè)備的損耗而加劇熱應(yīng)力，使電壓峰值增大，若忽略相位差，則峰值電壓上升值就等于電壓峰值系數(shù)。峰值電壓會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣下降，縮短了電纜的使用壽命。通常電纜的額定電壓越高，諧波對(duì)電纜的危害越大。電纜的分布電容對(duì)諧波電流有放大作用，導(dǎo)致電纜絕緣被擊穿。

4 煤礦電網(wǎng)的諧波治理措施

鑒于諧波存在多方面的危害，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和生存存在很大隱患，根據(jù)國(guó)家對(duì)諧波的治理要求，采取必要而有效措施，避免或補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統(tǒng)中，應(yīng)積極采取消除或抑制諧波的防范措施。

消除或抑制電力系統(tǒng)諧波，主要應(yīng)從產(chǎn)生諧波的主要裝置即電力電子裝置出發(fā)去研究解決的方法，解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問(wèn)題有兩條途徑，分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。主動(dòng)型:對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波或少產(chǎn)生諧波。被動(dòng)型:通過(guò)外加補(bǔ)償裝置等來(lái)補(bǔ)償諧波，比如在電力系統(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)。

下面介紹幾種常見(jiàn)的抑制和消除諧波的方法。

4.1 主動(dòng)型濾波技術(shù)

(1)脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)

采用PWM技術(shù)的原理是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，達(dá)到抑制諧波的目的。PWM技術(shù)使得諧波頻譜向高頻移動(dòng)，降低了諧波含量，使得變流器的輸入為近于正弦波，近而提高了功率因素。

(2)使用無(wú)諧波污染的綠色變頻器

綠色變頻器的標(biāo)準(zhǔn)是:輸入、輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)可控，拖動(dòng)負(fù)載的功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率，變頻器內(nèi)的交流電抗器能很好地抑制諧波保證整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響。

4.2 被動(dòng)型濾波技術(shù)

(1)有源濾波器濾波

有源電力濾波器是一種電力電子裝置目前主要采用IGBT技術(shù)，其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。

(2)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是采用反并聯(lián)的晶閘管投切電容器組，開(kāi)斷次數(shù)無(wú)限。電容器的零電壓投入和零電流切除，避免了合閘涌流和分閘過(guò)電壓，對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波。按需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率選配電容，把電容器分成若干組，每組串聯(lián)適當(dāng)電抗，調(diào)諧到某一次諧波處串聯(lián)諧振，從而吸收諧波，實(shí)現(xiàn)快速的補(bǔ)償煤礦電網(wǎng)用電系統(tǒng)的無(wú)功功率，保證系統(tǒng)的功率因數(shù)在0.90以上，提高設(shè)備的安全運(yùn)行，詳見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

4.3 其他防治諧波的措施

(1)減少回路的阻抗

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于使用了非線性負(fù)載，因此，解決的根本辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)載的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)載的供電線路分開(kāi)。減少諧波危害的措施也可以從加大電纜截面積，減少回路阻抗的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)改變諧波源的配置或工作方式

具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制諧波量大的工作方式，可以減小諧波的影響。

總之，諧波的干擾會(huì)使煤礦井下供電的高低壓供電系統(tǒng)上的漏電裝置誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響礦井供電及生產(chǎn)安全，造成通訊計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過(guò)熱，加速老化，從而使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于采用單片機(jī)或PLC控制的設(shè)備可能發(fā)生失控、死機(jī)、程序紊亂等現(xiàn)象，影響礦井生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤礦設(shè)備的更新和電網(wǎng)的不斷發(fā)展，使電網(wǎng)供電線路參數(shù)發(fā)生了很大變化。大型非線性設(shè)備或電子器件不斷大量的使用，使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的次數(shù)和幅值更大。“諧波污染”已經(jīng)成為運(yùn)行設(shè)備和電網(wǎng)公害之一，在設(shè)備和供電系統(tǒng)運(yùn)行中進(jìn)行諧波治理又有不少困難，必須把諧波治理作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程。針對(duì)諧波產(chǎn)生原因、對(duì)設(shè)備造成影響及應(yīng)對(duì)方法，采取行之有效的綜合治理措施，對(duì)煤礦設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行、提高功率因數(shù)、節(jié)約能源、減少資源損耗，改善供電質(zhì)量有著很重要的意義，使電能真正成為無(wú)“污染”的綠色能源。