对煤矿供配电系统谐波危害及治理的探讨

对煤矿供配电系统谐波危害及治理的探讨

发表时间：2019-07-19T15:29:38.707Z 来源：《基层建设》2019年第12期作者：刘国超

[导读] 摘要：由于电力电子技术在电气设备中的广泛应用，以及其它非线性负荷的不断增加，配电网络中的谐波污染问题日益严重，以致降低了临近供电线路的供电质量，甚至改变了某些供、用电设备的性能，已危及电力网和用电设备自身的安全和经济运行。

七台河市煤炭生产安全管理局黑龙江省七台河市 154600

摘要：由于电力电子技术在电气设备中的广泛应用，以及其它非线性负荷的不断增加，配电网络中的谐波污染问题日益严重，以致降低了临近供电线路的供电质量，甚至改变了某些供、用电设备的性能，已危及电力网和用电设备自身的安全和经济运行。为此，谐波问题的分析和综合治理也日益成为煤矿供配电人员广泛关注的课题。

关键词：煤矿；供配电系统；谐波

在一个理想的交流电网中，各相电压随时间作周期性变化，并且呈正弦波形，煤矿企业或其他用电企业，都非常希望电压保持理想正弦波形。但是实际上由于某些具有非线性特性的电网元件的影响，使电网电压偏离正弦波形，特别是近年来电力电子装置在我国煤炭工业中的应用日益广泛，煤矿供配电电网中愈来愈广泛地使用变频设备、整流设备等电力半导体装置。电力半导体装置是非线形负载，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。根据傅立叶级数分析，可分解成基波分量和谐波分量。谐波主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因此发生畸变，谐波电流注入到煤矿电力系统中，这些非线性设备就成为煤矿电力系统的谐波源。

一、煤矿供配电系统中谐波的原因和危害

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，如为矿井提升机、通风机、主排水泵、带式输送机、架线式电机车等设备节能和控制用的电力电子设备，诸如各种变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备等。煤矿供电网络谐波的危害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，遥控功能失常，线路和设备过热等，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，使造成供电网络设施损坏、元器件老化，造成电子保护装置误动作，增大附加磁场的干扰等。

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。

二、谐波的主要来源

电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多位于用电环节上，而在用电环节谐波主要产生于非线性负荷用电设备。对于煤矿来说，谐波主要来自非线性负荷用电设备。

在煤矿的输配电系统中存在大量的电力变压器。变压器就是一种非线性特性的用电设备，因为变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。

煤矿的其他非线性负荷用电设备主要有矿井提升机、通风机、主排水泵、带式输送机、架线式电机车等节能设备、交流弧焊机以及控制用的电力电子设备，诸如各种变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备等。

这些非线性负荷电气设备的显著的特点是：电网给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但它们从电网取用的是非正弦波形的电流，而这种非正弦的电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成。

三、煤矿供配电系统谐波治理

谐波的存在是导致矿井安全生产以及安全生活隐患的最主要问题，所以在实际工作中必须要对煤矿供配电系统谐波进行治理。在治理的过程中要根据国家对于谐波污染的治理要求，采取必要的措施进行治理。

3.1选择电力电缆方面。谐波引起电缆发热的危害，是在在矿井供配电系统电力电缆截面的选择过程中必须要考虑到的。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无功补偿电容器的配置。在进行无功补偿的过程中，在有谐波的矿井供配电系统中，不能采用常规补偿系统进行。通过使用调谐式电容器组，为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，其也就是在补偿电容器中加串调谐电抗器。通过电抗器的使用避开谐波电流可能出现的频率，这种电抗器被称为调谐电抗器，通过使用带有这种电抗器的电容器组确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振。

3.3谐波补偿装置进行补偿。矿井中的主要谐波源是指大功率的提升机、通风机等等，对于这些主要谐波源在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。增加谐波补偿装饰，可以拟制变频器在运行中产生的谐波，使输入电流成为正弦波。采用LC调谐滤波器进行谐波补偿的方式，其是比较传统的方式，这种传统方式其可以补偿谐波，也可以对无功功率进行补偿。不过其也有缺点，就是其补偿的特性会受到多方面的影响，包括矿井供配电系统阻抗和运行状态等，其容易与系统之间发生并联谐振，导致谐波被放大，在严重的时候，其还会导致LC 滤波器烧坏。由于该装置的结果简单，即使其只能对固定频率的谐波进行补偿，而且效果也不是很好，不过其仍然是现在广泛应用的一种。在电力电子器件的应用普及以后，在进行谐波补偿中运用有源电力滤波器已经成为了一种主要的方式。采用这种滤波器其对谐波有跟踪作用，尤其是对那些频率以及幅值变化的谐波。其工作原理是在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。

3.4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