煤礦電力系統(tǒng)諧波分析及治理

王清波 孫利文 韓小軒

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦機械化程度在不斷提高，變頻設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，如井下主運輸皮帶、架空乘人裝置、通風(fēng)機、壓風(fēng)機、電泵等，但這類非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中的大量使用，卻造成了電網(wǎng)的諧波分量所占比重越來越大。因此，如何能夠及時消除這類電氣設(shè)備投入運行時產(chǎn)生的諧波尤為重要。本文將對煤礦電力系統(tǒng)諧波源進行分析及治理的措施簡單介紹。

關(guān)鍵詞：煤礦電力系統(tǒng)；諧波治理；SVG；SVC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.051

1 煤礦電力系統(tǒng)中諧波的來源

以前煤礦電力系統(tǒng)中的諧波源主要來自變壓器、電動機等用電設(shè)備，但隨著科學(xué)技術(shù)的進步，大量非線性負荷得到廣泛使用，特別是各類電力電子裝置（可控硅、IGBT等）迅速發(fā)展，已成為煤礦電力系統(tǒng)中主要的諧波源。煤礦電力系統(tǒng)的諧波源主要分以下幾類：

（1）電弧加熱設(shè)備：如電焊機等。

（2）需整流的用電設(shè)備：如主副井提升機等大型直流電動機 ；各類變頻調(diào)速設(shè)備（采煤機、皮帶機）在礦井中的廣泛應(yīng)用。

（3）地面辦公設(shè)備：如電腦、彩色電視機、打印機、變頻空調(diào)等在地面得到廣泛應(yīng)用。

2 諧波在煤礦電力系統(tǒng)中的危害

（1）大量諧波電壓電流存在于電網(wǎng)中，易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，增加線路損耗，導(dǎo)致煤礦噸煤成本增加；變頻器、變壓器以及電動機等這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動之中，產(chǎn)生的諧波極易構(gòu)成諧振，致使諧波含量放大，產(chǎn)生過電壓或過電流，燒毀電容器、電動機等。

（2）影響供電系統(tǒng)無功補償設(shè)備的正常使用，特別是未采用有源動態(tài)無功補償裝置的變電所，諧波注入電網(wǎng)時容易造成變電所高壓電容過電流和過負荷，在諧波場合下，電容柜將無法正常投切，更嚴重的情況是電容柜能夠?qū)㈦娋W(wǎng)諧波進一步放大。

（3）諧波影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，尤其是對廣泛應(yīng)用的微機保護裝置危害更大，易造成變電所繼電保護誤動作，導(dǎo)致區(qū)域性停電事故。

（4）干擾通訊系統(tǒng)的正常工作，當輸電線路與通訊線路平行或相距較近時，電力線路上流過的較大的奇次低頻諧波易形成磁場耦合和電場耦合，諧波分量則會在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾，輕則降低信號 傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳輸，重則損壞通訊設(shè)備或威脅使用通訊設(shè)備人員的人身安全。

（5）諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率；負序諧波會在電動機中產(chǎn)生負序旋轉(zhuǎn)磁場，形成反向轉(zhuǎn)矩，降低傳動效率，嚴重時會使電動機過熱 ，降低電動機的使用壽命。

（6）諧波對人體也會產(chǎn)生影響，當人體細胞在受到刺激興奮時會產(chǎn)生快速電波動，其頻率若與諧波頻率相接近，諧波產(chǎn)生的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

3 諧波治理措施

目前諧波治理的主要措施有變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理。

（1）分散治理措施：適用于供電距離較遠且功率因數(shù)較低的大型用電設(shè)備，主要可采取以下幾個措施：

1）對電力電子設(shè)備本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波或減少諧波的產(chǎn)生；

2）變頻器和諧波治理設(shè)備必須配套使用，嚴禁安裝使用無諧波治理的設(shè)備；

3）加快提高同步電動機在煤礦機電設(shè)備中的使用比例，例如同步電動機直驅(qū)提升機、同步電動機皮帶機在許多煤礦中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用。

（2）變電所集中治理措施：通過外加補償裝置等來補償諧波，例如在電力系統(tǒng)中加無源濾波器或在裝置的電網(wǎng)側(cè)加有源濾波器裝置及動態(tài)無功補償技術(shù)。

1）機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前應(yīng)用已經(jīng)較少；

2）晶閘管投切的靜止無功補償器（SVC），該裝置產(chǎn)生無功和消除諧波是靠其電容和電抗本身的性質(zhì)產(chǎn)生的，屬無源、快速動態(tài)無功補償裝置，在我國煤炭電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，但受系統(tǒng)諧波影響大，缺點明顯。

楊營煤礦在35kV變電所10kV母線安裝了兩套無功補償濾波裝置，每套輸出基波補償容量為3000kvar。該系統(tǒng)具有以下特點：

①額定補償容量較廣且連續(xù)可調(diào)；

②響應(yīng)時間較快，動態(tài)響應(yīng)時間不大于100ms；

③受系統(tǒng)諧波影響大，自身產(chǎn)生較大量諧波，例如SR、TCT等易產(chǎn)生5、7、11等高次諧波。

此裝置在該礦兩年的實踐應(yīng)用中，諧波消除效果可滿足礦井供電系統(tǒng)需求。

（3）基于電壓源逆變器的靜止同步補償器（SVG），該裝置產(chǎn)生無功和消除諧波是靠其內(nèi)部電力電子器件產(chǎn)生與諧波電流相反的無功電流，屬有源、快速的動態(tài)無功補償裝置，應(yīng)用性能較為先進。此裝置主要應(yīng)用于大型新建礦井，例如神華神東礦區(qū)諧波治理配置的就是無功動態(tài)補償裝置（SVG），實踐證明該補償裝置取得了良好效果。該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

1）額定補償容量廣且連續(xù)可調(diào)，±20 Mvar的可調(diào)范圍已經(jīng)得到應(yīng)用；

2）響應(yīng)時間快，一般不大于10ms，能夠很好的應(yīng)對各種沖擊性負荷的補償工作；

3）受系統(tǒng)諧波影響小，可抑制系統(tǒng)諧波。

4 小結(jié)

煤礦電力系統(tǒng)諧波治理對于整個電網(wǎng)的正常運行具有重要意義，因此在規(guī)劃電力系統(tǒng)建設(shè)、采區(qū)供電系統(tǒng)建設(shè)或設(shè)備選型時，必須考慮諧波的影響。我們可以利用先進檢測儀器及時分析供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，找出電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的原因，采用靈活的諧波治理方式，綜合應(yīng)用多種諧波治理技術(shù)，積極落實相應(yīng)措施，保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

作者簡介：王清波（1987-），男，山東濱州人，本科，助理工程師，現(xiàn)任肥礦集團梁寶寺煤礦采煤副區(qū)長，主要從事煤礦機電專業(yè)研究、管理工作。