煤矿井下谐波源及其危害分析

【摘要】介绍煤矿供电系统产生谐波的设备，从而分析谐波对煤矿井下供电系统及其它电器设备产生的不利影响及其危害。为煤矿井下研究制定抑制谐波的措施和方案具有重要的现实意义。

【关键词】 谐波谐波量工频变频器

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：

1、前言：

随着电力电子设备、变频设备、整流设备、高压大功率开关器件等在煤矿井下的应用及矿井老、旧、陈电气设备技术改造，供电系统谐波量不断增加，使供电电网“环境”受到严重的污染，不仅影响了供电质量，电气设备的运行性能和使用寿命，而且威胁自动控制、通讯、监控、监测系统的安全可靠运行，并且直接危及煤矿井下安全生产，因而，发现供电系统中的谐波源，挖掘产生谐波的原因，分析产生的危害，对采取抑制措施和改善供电质量确保电气设备安全经济运行，具有十分重要的意义。

2、谐波的概念及产生原因

2.1谐波：是指对周期性的非正弦电气量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率（50HZ）相同的分量，还得到一系列电网基波频率整数倍的分量，这部分分量称为谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角，谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，在平衡的三相系统中，由于对称关系,只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大，。

2.2谐波的测量：谐波的危害程度在生产过程中不易察觉到，需要使用谐波测量仪进行测量和计算。通过测量可以掌握某一电网的谐波量是否符合标准规定，了解和掌握用电设备投入前、投入后电网的谐波变化及对使用设备的影响。

2.3煤矿井下供电系统谐波量的标准

共用电网的谐波电压标准（相电压）

共用连接点的谐波电流允许值

3、煤矿井下谐波源：

煤矿井下谐波主要由谐波电流源产生，当电流流经负载时, 非线性负载吸取的电流与所施加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而使电压波形发生了畸变，因而产生谐波。煤矿供配电系统中的主要谐波源是含半导体的非线性元件,使用的设备有矿井“四大机械”、带式输送机、架线式电机车、综采设备、综掘设备的驱动装置，监测、监控、音频、视频系统和节能用的电子设备。

3.1煤矿井下输配电系统的谐波源：输配电系统中大量的电力变压器产生谐波，因变压器内铁芯的饱和、磁化曲线的非线性等因素，致使磁化电流呈尖形，内含大量谐波。

3.2煤矿变频设备产生谐波：高压变频装置已用于煤矿的“四大机械”。低压变频装置广泛应用于煤矿井下的斜巷提升绞车、局部扇风机、胶带输送机、采煤机组、综掘机等设备，煤矿井下变频设备越来越多，所占电网的功率越来越大。无论哪一种变频器，都大量使用了非线性IGCT和TGBT电子元件，变频器从电网中吸取能量都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降，叠加在电网的电压上，使电压发生畸变。

3.3煤矿整流设备产生谐波：硅整流设备在“四大机械”、架线机车、防爆充电装置、制冷设备、制氮设备得到广泛的应用。

3.4煤矿用小型设备产生谐波：电子设备越来越广泛地应用在煤矿井下，例如：不间断UPS电源、直流电源、焊机、计算机、电视机、充气式光源（如荧光灯、汞灯）、LED照明灯、矿井通风、瓦斯、音频、视频监控设备、微机设备、通讯设备、集中控制设备也是十分常见的谐波源。这类设备的功率一般较小，但数量众多，分布在煤矿井下的各个角落，这些非线性负荷在给煤矿井下生产带来便利的同时，也产生大量的谐波并注入到电网中，并危害电网及电网中的其它设备。

4、谐波的危害

谐波作为一种供电系统的污染源，对电网、电气设备危害很大，主要是造成电网的功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失灵，还会引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力互感器，变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，造成电子保护装置误动作,增大附加磁场的干扰等。一般来讲,变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显,它对煤矿井下供电电网是一种污染.危害十分严重,主要表现在以下几个方面：4.1对电动机的危害，谐波电流和电压对电动机所造成的影响首先是铜损和铁损的增加，引起额外的温升，导致电动机的效率降低，同时产生附加损耗和转矩，进而增加噪音，造成电动机机械振动，发热，输出功率降低，使用寿命缩短。因此，谐波使电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。

4.2对变压器的危害，当谐波电流流经变压器时，会导致铜损和杂散电流损耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热。谐波电压会使变压器铁损增加，导致变压器的基波负载容量下降，效率降低，同时谐波还会导致变压器铁芯振动，温度升高，噪音增加，寿命缩短。

4.3对电力电缆的危害，由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的增加而提高。由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成电缆过载发热，使额定载流量减小，绝缘老化，发生导体绝缘破坏或击穿及火灾事故。

4.4对电容器的危害，谐波会造成煤矿井下电容器过电流，使电容器与供电系统产生并联谐振或串联谐振，电容器会放大谐波，随着谐波电压的增高，加速电容器的老化，使电容器迅速损坏，另一方面，电容器的电容与电网感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行或使电容器等设备烧毁。

4.5对通讯和监控线路的影危害，由于煤矿井下巷道狭窄，正常情况下动力电缆和通讯、信号、监控、监测电缆按《煤矿安全规程》规定敷设在巷道的同一侧，由于两者之间间距在100mm左右，存在静电感应和电磁感应，容易形成电场耦合和磁场耦合，轻者出现噪声，降低信号和传输质量，重者丢失信息，影响视频图形畸变，信号传输的精度降低，使通信系统无法正常工作，严重时还会造成设备的损坏，危及人身安全。

4.6对断路器和自动装置的危害，由于电网谐波的存在，当电流波形过零点时,可能造成高的电流上升率（di/dt）,使断路器开断困难，延长故障电流的切除时间。

4.7对电气微机综合保护和控制设备的危害，煤矿井下供电系统的谐波电流和电压，会导致供配电系统中各类保护及控制设备产生误动或拒动，特别是对以负序(基波)量为基础的微机综合继电保护的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的微机综合保护装置，整定值小、灵敏度高。

4.8对煤矿井下放炮的影响，矿井供电系统的谐波量高到一定程度时，产生的杂散电流会造成煤矿井下掘进放炮使用的电雷管及火药，在存放阶段和未起爆前，自动引爆，造成人员的伤害事故，危及矿井安全生产。

5、结束语：

总之，加强煤矿井下供电电网的谐波源的管理，是改善供电质量的重要手段。就目前的情况而言，谐波的危害还没有引起我们的足够重视，这就需要我们共同努力，一方面，在引进电力电子设备、变频设备、整流设备、高压大功率开关器件及矿井老、旧、陈设备技术改造时，采取有力的抑制方法，另一方面，要加强对原有电网谐波的治理，在对谐波准确测量的基础上，提出合适的治理方案。只有这样，矿井电网供电质量才能提高，达到减少电磁污染，节能减排，提高电能利用率的目的。

参考文献:

[1]刘燕燕,亓跃峰.电网谐波危害分析及在煤矿生产中的应用[J]. 现代 电子技术, 2005, (18).

[2]吴震春,任子晖,仇润鹤.煤矿电网谐波的测试与分析[J].煤炭 科学 技术, 1993, (06).

作者简介:

张宪峰(1966- ), 男 辽宁省西丰县人,1995年毕业于辽宁大学，高级工程师，铁能集团公司技术专家，多年从事煤矿机电、安全管理、监察工作，现为铁能集团矿建公司安监副处长.

张宪明（1972-）男 辽宁省西丰县人，1995年毕业于辽宁大学 工程师 多年从事公路运输设备维修及管理工作，现为辽宁省交通运输服务中心工程部主任工程师.