煤礦井下礦用變頻器高次諧波的預防

張天旻

(龍煤集團七臺河分公司安全監察部，黑龍江 七臺河 154600)

龍煤集團東風礦位于七臺河市西部，是七臺河礦區開發最早的礦井。礦井開拓方式主要為斜井多水平開拓。礦井提升系統為兩段提升，其中一采區第二段主提升為強力皮帶，副提升為KJ—2．0/20型絞車提1 t礦車;二采區第二段主提升為箕斗，主、副提升均為KJ—2．0/20型絞車。礦井設計能力40萬t，兩個生產采區。兩個采區主副井都采用上海生產的變頻系統。

1 礦用變頻器應用中存在的問題

在現代化煤礦井下主、副井提升絞車電控系統大都采用變頻器控制的拖動系統，因其有著節能效果顯著，調速性能可與直流電機相媲美，保護齊全，維護簡單等優點，在工業電氣自動化控制領域特別是在煤礦企業得到了廣泛的應用。礦用變頻器在煤礦實際使用過程中也存在一些影響安全生產的問題，煤礦礦用絞車變頻器，雖然采取一定屏蔽措施，但在實際生產中還是頻頻出現變頻器諧波干擾人車信號接收機對信號的接收，影響擋車欄聯動裝置安全運行，造成多處誤動作。給人員安全、正常生產帶來很大危害。因此，對變頻器應用中諧波對其他設備干擾問題進行分析，才能解決變頻器諧波干擾問題。

礦用變頻器使用不當產生諧波主要有以下三個原因：

1)硐室內設備布置及其線路和相關控制線路鋪設不合理，采用傳統方式布置設備，即所有設備布置在硐室一側。

2)絞車硐室內變頻設備接地與工頻設備接地未分開布置。

3)部分線路電纜的選擇與接線工藝不合格。變頻器電源線、負荷線選用普通的礦用聚氯乙烯鎧裝電纜，此電纜屏蔽效果不好，存在部分輻射性諧波。防止輻射性諧波的干擾，主要還是采用屏蔽電纜進行防護。

絞車硐室設備及線路接地線布置示意圖見圖1。

圖1 絞車硐室設備及線路接地線布置示意圖

2 諧波產生的原因及諧波危害

1)在交—直—交電壓型變頻器的輸入側是整流和濾波電路，當電源線電壓是瞬時值UL大于電容器兩端UD時整流橋中才有充電電流，因此，充電電流總是在電源電壓的振幅附近，出現連續的沖擊波。它們含有很多高次諧波成分，其中5次諧波和7次諧波含量比例較大。由于大多數變頻器采用SPWM調制方式，它的輸出電壓占空比按正弦規律分布的一系列矩形波，異步電機定子繞組的電感性質，決定其定子電流接近正弦波，但其諧波分量比重還比較大。

2)變頻器的主電路中起開關作用的器件，在通斷電路的過程中，都要產生對設備運行不利的無用的高次諧波。諧波的增加不僅危及電網的安全運行，而且直接造成用戶電氣設備故障。此外諧波還增加機械振動、測量儀表儀器的誤差、對通訊設備產生干擾。諧波干擾還會導致繼電保護裝置的誤動作，較低次諧波通常對電動機負載影響較大，引起轉矩脈動;而較高的諧波則使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機動力不足;諧波干擾還影響功率因數。

高次諧波在煤礦井下主要影響監測監控設備、人車信號、絞車的編碼訊號、防跑車裝置信號、井下小靈通信號。有資料表明，把諧波水平控制在GE標準允許范圍內，則發生諧波干擾的事件相對要少得多。

3 高次諧波傳播途徑

眾所周知諧波干擾以兩種形式存在，即輻射形式干擾與傳導形式干擾。

1)電纜網路方式傳播。

變頻器輸入側的高次諧波傳播方式是通過電源電網傳播，變頻器輸出側高次諧波是通過漏電電流傳播，這些高頻漏電電流通過地線傳播到其他電子設備。

2)感應耦合方式傳播。

當變頻器輸入輸出設備線路與其他設備線路布線時的距離不符合變頻器說明書的規定時，變頻器的高次諧波將通過感應方式耦合到其他設備中;其中電流干擾信號時通過電磁感應傳播。電壓干擾信號通過靜電感應方式傳播。

3)空中輻射傳播。

變頻器的高次諧波分量具有很強的向空間輻射的能力，從而影響井下的小靈通通信系統、人車信號的傳遞、絞車與斜井擋車器連鎖系統的正常傳輸。

4 改進措施

1)合理鋪設電纜及相關控制線路。

合理布線可以大大降低干擾信號強度，干擾信號的大小與干受擾控制線路和干擾源的距離成反比，有資料表明，如果受干擾的設備及控制線路距離干擾源距離大于等于30 cm，則干擾信號強度將降低(1/2～2/3)。因此，各控制線路應盡量遠離變頻器的輸入、輸出電纜。

當其他設備控制線與變頻器輸入、輸出電纜平行時，兩線路間互感越大，分布電容越大。因此，電磁感應和靜電感應的干擾信號干擾能力越大。把2根控制線路進行鉸接能夠大大抑制差模信號的強度。各控制線布線時盡量分開布置，受限時，最好垂直交叉。

為防止外來干擾信號竄入，各控制電路監測監控線路必須采用屏蔽線。

變壓器至變頻器的電源線、負荷線由原來的MVV煤礦用聚氯乙烯絕緣電力電纜改為煤礦用移動屏蔽橡皮軟電纜，以利于吸收和消弱變頻器干擾源向外輻射的能力。

為了抑制具有很強輻射能力的高次諧波，可在變頻器的輸入、輸出線路中串接濾波器。其中在輸出側濾波器的電容必須接在電機側，還必須接入電阻，以防止浪涌電流。

總之，需要對本套變頻設備線路及控制線路進行適當改造，把工頻設備和相關信號發生裝置的電源線及相關控制線分開供電;把工頻設備和相關信號發生裝置與變頻設備分別布置在硐室兩側，嚴把各類屏蔽電纜的接線工藝質量。

2)絞車變頻器的接地。

改進后，絞車硐室的設備各類線路接地線布置示意圖見圖2。

圖2 改進后絞車硐室設備各類線路接地線布置示意圖

對于一些含有高頻干擾信號的變頻器它也有把干擾信號引入大地功能。同時接地散流電流以接地極為中心向周圍擴散，離接地極越近，電流密度越大，反之越小。離接地極20 m處電流密度幾乎為零。實際上離接地極5 m處的接地電阻與20 m處的接地電阻相差極小。

要防止變頻系統對工頻系統的干擾，變頻器系統的接地線，必須和其他工頻設備的接地線分開布置，絕對不能把所有設備接地線聯在一起。接地母線要比其他設備的母線適當粗一些，接地地點盡量靠近變頻器附近。

控制線電纜的屏蔽層不論公共端，還是另一端的屏蔽層接地時都只能接一側，絕不能兩端都接地。

5 結論

只有按規定標準和使用說明書正確使用礦用變頻器，按屏蔽電纜的要求進行布線及接線，才能保證變頻器高效運轉，保證煤礦井下安全生產。

［1］ 張燕濱．電動機變頻調速圖解［M］．北京：中國電力出版社，2003：115－128．