淺談礦井供電系統(tǒng)諧波的危害及消除辦法

1、淺談礦井供電系統(tǒng)諧波的危害及消除辦法訾希龍淺談礦井供電系統(tǒng)諧波的危害及消除辦法摘要：本文分析了礦井供配電系統(tǒng)中諧波的成因和危害，并積極根據(jù)實(shí)際礦井生產(chǎn)需要提出了治理諧波的必要性及有針對(duì)性的淺談消除或抑制礦井供電系統(tǒng)諧波的措施。關(guān)鍵詞：諧波、諧波危害、諧波治理礦井供配電系統(tǒng)中諧波的危害已經(jīng)廣為人知,本文就礦井供配電系統(tǒng)諧波的成因與危害做了簡要探討,并提出了一些針對(duì)性的治理措施。 供電質(zhì)量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時(shí)間、停電時(shí)間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面。其中諧波問題一直是主要的電能質(zhì)量問題。諧波廣泛存在于供配電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，諧波電流會(huì)在公用電網(wǎng)引起電壓畸變，也會(huì)對(duì)企業(yè)內(nèi)部電

2、網(wǎng)其它電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響，甚至造成危害。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長電氣設(shè)備使用壽命，改善電磁環(huán)境,提高產(chǎn)品的品質(zhì)。 在一個(gè)理想的交流電網(wǎng)中，各相電壓隨時(shí)間作周期性變化，并且呈正弦波形，煤礦企業(yè)或其他用電企業(yè)都非常希望電壓保持理想正弦波形。但是實(shí)際上由于某些具有非線性特性的電網(wǎng)元件的影響，使電網(wǎng)電壓偏離正弦波形，特別是近年來電力電子裝置在我國煤炭工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，煤礦供配電電網(wǎng)中愈來愈廣泛地使用變頻設(shè)備、整流設(shè)備等電力半導(dǎo)體裝置。電力半導(dǎo)體裝置是非線形負(fù)載，其電壓、電流波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)分析，可分解成基波分量和諧波分量。

3、諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生，當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流因此發(fā)生畸變，諧波電流注入到煤礦電力系統(tǒng)中,這些非線性設(shè)備就成為煤礦電力系統(tǒng)的諧波源。 一、礦井供配電系統(tǒng)中諧波的原因和危害 礦井供配電系統(tǒng)中的主要諧波來源是含半導(dǎo)體的非線性元件，如為礦井提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、主排水泵、帶式輸送機(jī)、架線式電機(jī)車等設(shè)備節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備，諸如各種變頻器、交直流換流設(shè)備、變流器、整流設(shè)備等。礦井供電網(wǎng)絡(luò)諧波的危害主要是造成電網(wǎng)的功率損耗增加，電氣設(shè)備壽命縮短，接地保護(hù)功能失靈，遙控功能失常，線路和設(shè)備過熱等，還會(huì)引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力互感器、變電

4、站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，使造成供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施損壞、元器件老化，造成電子保護(hù)裝置誤動(dòng)作，增大附加磁場的干擾等。 當(dāng)諧波電流流經(jīng)變壓器時(shí)會(huì)導(dǎo)致銅損（變壓器在帶有負(fù)載運(yùn)行時(shí)，原、副邊便有電流通過，由于原副、邊線圈都有一定的電阻，當(dāng)電流流過電阻時(shí)，便產(chǎn)生了損耗）和雜散損耗增加，諧波電壓則會(huì)使鐵損（變壓器鐵芯的磁通由于是交變的，所以產(chǎn)生了磁滯損耗和渦流損耗）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(dòng)，噪聲增加壽命縮短；諧波電流和電壓會(huì)造成電動(dòng)機(jī)鐵損和銅損的增加引起額外溫升，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低,同時(shí)還產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩增加噪聲,造成電動(dòng)機(jī)振動(dòng)而降低使用壽命;諧波會(huì)造成電容器

5、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(shí)，電容器會(huì)放大諧波，增大諧波對(duì)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(huì)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(huì)對(duì)通訊和信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,降低信號(hào)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(shí)還會(huì)造成設(shè)備損耗增加，加速絕緣介質(zhì)老化，降低設(shè)備使用壽命或因長期過熱損壞，影響控制保護(hù)及檢測裝置的工作精度和可靠性，特別是高次諧波發(fā)生諧振時(shí)，最易使電容器負(fù)荷過熱、過負(fù)荷、振動(dòng)和發(fā)出聲音，甚至損壞，危及人身安全。另外，礦井供配電系統(tǒng)中的諧波電壓

6、和電流會(huì)導(dǎo)致供配電系統(tǒng)中各類保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，破壞微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置，還會(huì)使儀表和電能計(jì)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(jí)電網(wǎng)，將會(huì)給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的諧波污染。二、礦井供配電系統(tǒng)諧波治理 鑒于諧波存在礦井生產(chǎn)、工作多方面的危害，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和生活存在很大隱患，根據(jù)國家對(duì)諧波污染的治理要求，采取必要而有的措施，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。 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(duì)于連接諧波主要擾動(dòng)源設(shè)備的配線,確定電纜載流量時(shí)應(yīng)留有足夠裕量,必要時(shí)可適當(dāng)

7、放大一級(jí)選擇電纜截面，防止諧波危害的發(fā)生。 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(dòng)而不會(huì)傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級(jí)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(shí),應(yīng)考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設(shè)計(jì)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、無功補(bǔ)償電容器的配置。在有諧波背景的礦井供配電系統(tǒng)中,不能采用常規(guī)的補(bǔ)償系統(tǒng)來進(jìn)行無功補(bǔ)償。為避免電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振,必須

8、采用調(diào)諧式電容器組。調(diào)諧式電容器組即在補(bǔ)償電容器中加串調(diào)諧電抗器。電抗器的主要作用是避開諧波電流可能出現(xiàn)的頻率。這種電抗器被稱為調(diào)諧電抗器,帶有這種電抗器的電容器組則被稱為調(diào)諧電容器組。一般都用并聯(lián)電容器的方法進(jìn)行人工補(bǔ)償,電力電容器具有投資省、有功功率損失小、運(yùn)行維護(hù)方便、故障范圍小等優(yōu)點(diǎn)。通常是將電容器(設(shè)備在用戶載變電所中)并聯(lián)到電感性負(fù)載的電路中,利用感性負(fù)載的無功功率與電容的無功功率相互抵消補(bǔ)償?shù)脑韥硖岣吖β室驍?shù);在電感性負(fù)載上并聯(lián)了電容器后,減少了電源與負(fù)載之間的能量互換,這時(shí)電感性負(fù)載所需的無功功率大部分或全部都是就地供給(由電容器供給),就是說能量的交換現(xiàn)在主要或完全發(fā)生在電

9、感性負(fù)載與電容器之間,因而使發(fā)電機(jī)容量能得到充分地利用。使用調(diào)諧電容器組的目的不是為了顯著地降低諧波畸變,而是為了確保電容器組不會(huì)因?yàn)橹T如系統(tǒng)阻抗、投入段數(shù)、系統(tǒng)配置、負(fù)荷狀況等原因而發(fā)生諧振。4、諧波補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)礦井中的主要諧波源,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,在運(yùn)行過程中會(huì)引起較嚴(yán)重的高次諧波污染，它們產(chǎn)生的高次諧波電流，將引起系統(tǒng)運(yùn)行電壓波形的畸變，污染電網(wǎng)，是電氣設(shè)備的一種公害。諧波電壓施加于電容器組上，其危害性更大。當(dāng)電網(wǎng)中有諧波影響電容器族的安全運(yùn)行，特別是當(dāng)電容器組容量較大，距諧波源較近時(shí)，必須采取加裝濾波裝置或串聯(lián)電抗器的辦法，對(duì)諧波加以抑制。為了擬制變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波,需增加諧波補(bǔ)償裝置,使輸入電流成為正弦波。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。電力電子器件普及后,運(yùn)用有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償將成為主要方法,有源濾波器的工作原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流,然后產(chǎn)生一個(gè)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