煤矿供配电系统中谐波的分布及治理对策研究

【摘 要】随着煤矿自动化程度的提高，谐波的危害日趋明显，本文针对煤矿供配电系统中谐波的分布，就谐波的成因及危害做了简要探讨，并提出了一些针对性的治理措施。

【关键词】煤矿供电；供配电系统；谐波治理；供电质量；系统能耗；安全可靠；经济合理

0 引言

供电质量由系统电压、频率、可靠性决定。其中影响系统电压的因素主要有电压偏差、电压波动和闪边、高次谐波、三相不对称[1]。而谐波问题一直是主要的电能质量问题。高次谐波的产生，是非线性电气设备接到电网中投入运行，使电网电压、电流波形发生不同程度畸变，偏离了正弦波。高次谐波除电力系统自身背景谐波外，主要是用户方面的大功率变流设备、电弧炉等非线性用电设备所引起。高次谐波的存在将导致供电系统能耗增大、电气设备绝缘老化加快，并且干扰自动化装置和通信设施的正常工作。随着煤矿自动化程度的提高以及节能需要，非线性电力电子装置得到广泛地使用，这对煤矿供配电系统造成了严重的“谐波污染”，引发供电系统的继电保护、自动控制装置误动作，监控系统运行异常，以及谐波引起的谐振过电压造成电器设备损坏等。治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。因此，治理好谐波产生的污染，对煤矿企业来说迫在眉睫。

1 谐波分布

1.1 变频器

变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V、50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分（整次或分次）的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染[2]。

1.2 整流和逆变设备

晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源[3]。

其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（50Hz基波）外，还叠加了一系列高次波形――谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能，但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表――压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热[4]。

整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域，大功率整流器――逆变器广泛应用于交流变频调速及交-直流电动机的调速等领域。

这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一，是通过电容耦合；其二，是通过高次谐波电流产生的电磁感应；其三，是直接由接地回路或电源线窜入的。

1.3 换流设备

高压直流输电系统中，换流变压器是最重要的设备之一，它处于交流电和直流电互相交换的核心位置。可以提供相位差为30度和12脉波交流电压，降低交流侧谐波电流；作为交流系统和直流系统的电气隔离，提供阀的换相电抗；通过换流变压器可以在较大范围内调节交流电压，使直流系统运行在最优状态。

高压直流输电的另一主要设备换流器是非线性元件，对交流侧来说是主要的谐波电流源，产生大量的谐波对换流变压器保护，特别是依靠谐波原理闭锁的保护产生影响。

2 谐波的危害

当谐波电流流经变压器时会导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会使铁损增加。还可导致变压器的基波负载容量下降，效率降低以及变压器铁芯振动，噪声增加寿命缩短；谐波电流和电压会造成电动机铁损和铜损的增加引起额外温升，导致电动机效率降低，同时还产生附加转矩增加噪声，造成电动机振动而降低使用寿命；谐波会造成电容器过电流，使电容器与供配电系统产生并联谐振或串联谐振，这将造成电容器迅速发生故障。同时，电容器会放大谐波，增大谐波对矿井供配电系统的影响；在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，会引起额外温升，减小额定载流量，引发导体绝缘破坏或烧毁；此外，谐波会对通讯和信息系统产生干扰，降低信号的传输质量，不仅影响声、像的清晰度和信息传输的准确性，严重时还会造成设备损坏，危及人身安全；另外，矿井供配电系统中的谐波电压和电流，会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动，破坏微机保护、综合自动化装置，还会使仪表和电能计量出现较大误差，谐波如果不经过治理直接进入上级电网，将会给电网带来严重的谐波污染。

3 谐波的治理对策

鉴于谐波存在多方面的危害，对矿井安全生产和人民生活存在很大隐患，根据国家对谐波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或补偿已产生的谐波尤为重要。在矿井供配电系统中，应积极采取消除或抑制谐波危害的防范措施。

3.1 电力电缆的选择

在矿井供配电系统电力电缆截面的选择中，应考虑谐波引起电缆发热的危害。对于连接谐波主要扰动源设备的配线，确定电缆载流量时应留有足够裕量，必要时可适当放大一级选择电缆截面。

3.2 合理选择变压器

正确合理地选择变压器的接线方式，能阻止不平衡电流和3N次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里，不平衡电流和3N次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。矿井供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有裕量。在矿井设计中一般应保证变压器负荷率在70%～80%，该裕量可防范谐波引起的变压器发热危害。

3.3 静止无功补偿装置进行补偿

快速变化的谐波源，如：大功率提升机、通风机、带式输送机的变频设备等，在运行过程中除引起较严重的高次谐波污染外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

3.4 谐波补偿装置

谐波补偿装置是在谐波源处吸收谐波电流。传统的谐波补偿装置是采用LC调谐滤波器，它既可补偿谐波，又可补偿无功功率。但其补偿特性受矿井供配电系统阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧坏。另外，它只能补偿固定频率的谐波，效果不甚理想，但该装置结构简单，目前仍被广泛应用。随着电力电子器件的普及，使得有源滤波器进行谐波补偿成为主要方法，有源滤波器的工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功、有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

【参考文献】

[1]乔小敏，王增平.高压直流输电中谐波对换流变压器差动保护的影响[J].电力系统保护与控制，2009（10）.

[2]潘庆.基于煤炭企业内部电力调度的配电网降损措施[J].煤炭技术，2012（06）.

[3]刘燕燕.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）.

[4]沈伯泽，鹿守明.煤矿6kV供电系统谐波治理研究与应用[J].煤炭科学技术，2011（03）.