煤礦供配電系統(tǒng)中諧波的分布及治理對策研究

范紅娟 王利民

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 紅柳煤礦，寧夏 靈武 750408）

0 引言

供電質(zhì)量由系統(tǒng)電壓、頻率、可靠性決定。其中影響系統(tǒng)電壓的因素主要有電壓偏差、電壓波動和閃邊、高次諧波、三相不對稱[1]。而諧波問題一直是主要的電能質(zhì)量問題。高次諧波的產(chǎn)生，是非線性電氣設(shè)備接到電網(wǎng)中投入運(yùn)行，使電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生不同程度畸變，偏離了正弦波。高次諧波除電力系統(tǒng)自身背景諧波外，主要是用戶方面的大功率變流設(shè)備、電弧爐等非線性用電設(shè)備所引起。高次諧波的存在將導(dǎo)致供電系統(tǒng)能耗增大、電氣設(shè)備絕緣老化加快，并且干擾自動化裝置和通信設(shè)施的正常工作。隨著煤礦自動化程度的提高以及節(jié)能需要，非線性電力電子裝置得到廣泛地使用，這對煤礦供配電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的“諧波污染”，引發(fā)供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)、自動控制裝置誤動作，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行異常，以及諧波引起的諧振過電壓造成電器設(shè)備損壞等。治理好諧波,不僅能降低電能損耗，而且能延長設(shè)備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，治理好諧波產(chǎn)生的污染，對煤礦企業(yè)來說迫在眉睫。

1 諧波分布

1.1 變頻器

變頻原理常用于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備中，變頻一般分為兩類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V、50Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會產(chǎn)生含復(fù)雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染[2]。

1.2 整流和逆變設(shè)備

晶閘管整流技術(shù)在電力機(jī)車、充電裝置、開關(guān)電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，而留給電網(wǎng)剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量的諧波。有統(tǒng)計表明，整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個諧波的近40%，是最大的諧波源[3]。

其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（50Hz基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能，但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱[4]。

整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。大功率整流器廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，大功率整流器——逆變器廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速及交－直流電動機(jī)的調(diào)速等領(lǐng)域。

這些高次諧波是通過三個途徑竄入產(chǎn)生干擾的。其一，是通過電容耦合；其二，是通過高次諧波電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)；其三，是直接由接地回路或電源線竄入的。

1.3 換流設(shè)備

高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設(shè)備之一，它處于交流電和直流電互相交換的核心位置?？梢蕴峁┫辔徊顬?0度和12脈波交流電壓，降低交流側(cè)諧波電流；作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電氣隔離，提供閥的換相電抗；通過換流變壓器可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)交流電壓，使直流系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。

高壓直流輸電的另一主要設(shè)備換流器是非線性元件，對交流側(cè)來說是主要的諧波電流源，產(chǎn)生大量的諧波對換流變壓器保護(hù)，特別是依靠諧波原理閉鎖的保護(hù)產(chǎn)生影響。

2 諧波的危害

當(dāng)諧波電流流經(jīng)變壓器時會導(dǎo)致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會使鐵損增加。還可導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降，效率降低以及變壓器鐵芯振動，噪聲增加壽命縮短；諧波電流和電壓會造成電動機(jī)鐵損和銅損的增加引起額外溫升，導(dǎo)致電動機(jī)效率降低，同時還產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩增加噪聲，造成電動機(jī)振動而降低使用壽命；諧波會造成電容器過電流，使電容器與供配電系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，這將造成電容器迅速發(fā)生故障。同時，電容器會放大諧波，增大諧波對礦井供配電系統(tǒng)的影響；在導(dǎo)體中非正弦波電流與具有相同方均根值的純正弦波電流相比，會引起額外溫升，減小額定載流量，引發(fā)導(dǎo)體絕緣破壞或燒毀；此外，諧波會對通訊和信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低信號的傳輸質(zhì)量，不僅影響聲、像的清晰度和信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，嚴(yán)重時還會造成設(shè)備損壞，危及人身安全；另外，礦井供配電系統(tǒng)中的諧波電壓和電流，會導(dǎo)致供配電系統(tǒng)中各類保護(hù)及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，破壞微機(jī)保護(hù)、綜合自動化裝置，還會使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差，諧波如果不經(jīng)過治理直接進(jìn)入上級電網(wǎng)，將會給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的諧波污染。

3 諧波的治理對策

鑒于諧波存在多方面的危害,對礦井安全生產(chǎn)和人民生活存在很大隱患，根據(jù)國家對諧波污染的治理要求，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危害的防范措施。

3.1 電力電纜的選擇

在礦井供配電系統(tǒng)電力電纜截面的選擇中，應(yīng)考慮諧波引起電纜發(fā)熱的危害。對于連接諧波主要擾動源設(shè)備的配線，確定電纜載流量時應(yīng)留有足夠裕量，必要時可適當(dāng)放大一級選擇電纜截面。

3.2 合理選擇變壓器

正確合理地選擇變壓器的接線方式，能阻止不平衡電流和3N次諧波電流從原邊傳到電源配電系統(tǒng)中。在三角形/星形變壓器里，不平衡電流和3N次諧波電流在原邊繞組內(nèi)循環(huán)流動而不會傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級變壓器應(yīng)多采用三角形/星形變壓器。在根據(jù)負(fù)載確定電力變壓器額定容量時，應(yīng)考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設(shè)計中一般應(yīng)保證變壓器負(fù)荷率在70%～80%，該裕量可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。

3.3 靜止無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償

快速變化的諧波源，如：大功率提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)的變頻設(shè)備等，在運(yùn)行過程中除引起較嚴(yán)重的高次諧波污染外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。

3.4 諧波補(bǔ)償裝置

諧波補(bǔ)償裝置是在諧波源處吸收諧波電流。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置是采用LC調(diào)諧濾波器，它既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率。但其補(bǔ)償特性受礦井供配電系統(tǒng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒壞。另外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，效果不甚理想，但該裝置結(jié)構(gòu)簡單，目前仍被廣泛應(yīng)用。隨著電力電子器件的普及，使得有源濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償成為主要方法，有源濾波器的工作原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功、有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。

［1］喬小敏，王增平.高壓直流輸電中諧波對換流變壓器差動保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009（10）.

［2］潘慶.基于煤炭企業(yè)內(nèi)部電力調(diào)度的配電網(wǎng)降損措施[J].煤炭技術(shù)，2012（06）.

［3］劉燕燕.電網(wǎng)諧波危害分析及在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（18）.

［4］沈伯澤，鹿守明.煤礦6kV供電系統(tǒng)諧波治理研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（03）.