煤礦電網諧波治理研究

徐冬冬

（山西潞安集團王莊煤礦 山西長治 046031）

隨著煤礦生產水平的不斷提高，各種沖擊性和非線性設備大量增加，這些設備在提高煤礦生產效率和安全水平的同時，也使得大量的諧波注入煤礦電網，嚴重影響煤礦的電能質量，造成電能損耗增加、降低設備壽命、干擾通訊設施等。無論是從保障煤礦電網的安全經濟運行，還是從保障煤礦機電設備的角度來看，采取相應的措施對煤礦電網諧波進行治理，對提高煤礦電能質量和保障煤礦用電設備安全是非常有必要的。

1 煤礦電網的主要諧波源

煤礦電網諧波產生的主要原因是由于大量非線性設備所產生的，主要諧波源有以下幾種：

1.1 變壓器

煤礦電網存有大量變壓器，當電壓器正常運行時，由于鐵磁的非線性，容易造成電流波形發生畸變，畸變電流包含大量奇次諧波分量。特別當變壓器受短路電流沖擊和合閘時，會產生很大的勵磁涌流，勵磁涌流中包含很大的非周期諧波分量。

1.2 電容器

為了節能，煤礦大量采用無功補償電容器，電容器在節能的同時，由其它設備引起的諧波容易造成電容器過流，使電容器與煤礦感性機電設備造成并聯諧振或串聯諧振，嚴重放大了諧波。

1.3 電力電子設備

以電力電子元件為基礎的各種控制設備，比如變頻器、充電機、整流器、逆變器、調壓設備等，由于它們不是工頻工作，因此含有大量諧波分量。

2 諧波的危害

諧波的危害是非常嚴重的，具體主要有以下幾種危害：

2.1 造成電能質量下降

諧波會導致諧波分量與基波分量相互迭加，使波形發生畸變，造成電壓損失，當不是基波頻率的整數倍的間諧波接近整數倍基波頻率諧波或基波頻率時，會引發諧振造成電壓閃變，給人的視覺造成嚴重干擾。

2.2 危害電纜

諧波電流與基波電流相互疊加，會引起電纜線路中的電流有效值增大，導致線路的損耗增加，加速線路老化，加上由于電纜對地電容比架空線路大，而電感很小，當存在諧波時，電纜容抗將減小，同時感抗將增大，很容易形成諧振擊穿電纜，造成火災隱患。除此之外，在三相四線式低壓配電系統中，如果存在3次及其倍數次諧波電流，即使在負載完全平衡的情況下也會造成中性線帶電，引起中性線導線發熱甚至燒斷。

2.3 危害電容器

當存在諧波時，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，將會導致電容器中電流變大，使得電容器異常發熱，造成損耗增大，加速它的老化，不但影響電容器的使用壽命，而且容易引起箱殼脹裂，嚴重時會導致電容器發生爆炸。

2.4 危害變壓器

當諧波電流流經變壓器時，諧波會使變壓器的銅耗及鐵耗增大，銅耗會降低設備容量，鐵耗會使鐵心的溫度升高，限制變壓器出力的提高。當煤礦電網變壓器采用Dynll接線時，當諧波電流很大時，3次及其倍數諧波電流將在三角形連接繞組中形成環流，引起變壓器繞組過熱，甚至燒毀變壓器。除此之外，諧波還會造成變壓器鐵芯振動，造成設備損壞。

2.5 危害電動機

諧波除了會引起噪聲和振動外，還會在電機的定子繞組、轉子回路以及定子和轉子鐵芯中引起附加損耗，導致電機發熱嚴重，降低電機的效率，使電機的絕緣水平下降，降低使用壽命，引起機械設備故障。

2.6 干擾通信

當煤礦電纜線路與通訊線路相距較近時，諧波會通過電磁感應與靜電感應耦合到通信系統中，會增加通信線路的噪聲，降低信號的傳輸質量，使其無法正常工作，干擾嚴重時會引起信號嚴重失真，導致通訊系統不能正常工作。

2.7 影響測量儀表精度

由于測量儀表只允許很小的誤差，當存在諧波時，會造成波形正負半波幅值發生變化，也有可能發生過零點偏移，使采樣數據出現問題，會帶來明顯的測量誤差，嚴重的甚至會造成測量結果完全失真，會造成控制設備失控、死機等現象。

2.8 影響繼電保護的可靠性

諧波容易引起保護裝置失靈，如變壓器差動保護、復合電壓起動過電流保護等，由于接地保護不能區分零序電流和3次諧波電流，當存在三次諧波時，三次諧波電流會引起接地保護誤動作,此外，還會造成漏電裝置誤動作，嚴重影響煤礦供電及生產安全。

3 諧波治理措施

由于大量諧波注入煤礦電網會嚴重影響煤礦的安全運行，因此必須對諧波進行治理，對諧波的治理首先要盡量減少諧波的產生，其次在諧波發生后，進行綜合治理。

3.1 增加換流裝置脈沖數

對于整流及變頻設備，增加換流裝置脈沖數，使其盡量少產生諧波是降低諧波最基本的方法。

換流裝置產生的諧波電流次數為：

式中，n為諧波電流次數，m表示從1開始的任意正整數，p表示變頻裝置的脈沖數?？梢钥闯?，換流裝置的脈沖數越多，諧波電流次數越高，也就是說不會產生低次諧波，比如p=6時，只產生5次以上諧波；如p=12時，只產生11次以上諧波。由于諧波次數越高，諧波電流值越小，增加換流裝置脈沖數，可以從原理上消除低次諧波，減少諧波電流值。

增加換流裝置脈沖數的有效方法是通過兩個或多個逆變電路并聯，通過波形移位疊加，從而抵消諧波分量。最常用的方法是利用(Y,y)接法變壓器和(Y,d)接法變壓器分別接入整流器然后并聯，由于兩臺變壓器二次側電壓相差30度角，將兩臺三相6脈沖換流器分別接入這兩臺變壓器，這樣就可以將兩組6脈沖換流器變成了12脈沖換流器，由于12脈沖換流器只產生11次以上諧波，因此就不需要投資安裝11次以下諧波濾波器。

3.2 合理選擇變壓器及其運行方式

合理選擇變壓器及其允許方式，能阻止或者減少諧波的影響。比如選用有載調壓變壓器，可以及時調整變壓器母線電壓，避免變壓器過激磁，從而減少諧波產生，此外，減少變壓器空載，還可以避免變壓器鐵磁飽和產生諧波。

3.3 提高供電電壓等級或采用專線供電

如果煤礦電網存在大容量的諧波負荷的情況下，可采用提高供電電壓等級或者采用專線供電的方法進行供電，這樣可以提高供電系統承受諧波能力，減少諧波對其它負荷的影響。

3.4 裝設濾波裝置

當諧波產生后進行治理是常用的諧波治理方法，由于無源濾波器易受系統參數影響，設備利用率較低，只能消除特定的諧波，且對某次諧波會產生放大作用。有源濾波器由于需要消耗有功以及投資大等問題的限制，大容量濾波不宜采用。為了降低補償裝置的投資，應將有源電力濾波器和無源電力濾波器混合使用，這樣可以充分利用無源濾波器與有源濾波器的優點，用大容量無源電力濾波器濾除諧波源中主要的諧波電流，用小容量有源電力濾波器補償所需的各次諧波電流，以達到降低成本和提高效率的目的。

4 結語

本文介紹了煤礦電網諧波產生的主要原因及其危害，由于抑制諧波對煤礦電網的影響，可以起到節能降耗的目的，還可以為煤礦創造一個安全運行的環境，因此煤礦的諧波治理應得到足夠的重視。

[1]王兆安，楊軍等．諧波抑制和無功功率補償[M]．北京：機械工業出版社，2006.

[2]李繼梅．煤礦供配電系統諧波存在的危害及防治[J]．科技創新導報，2011（28）：59.

[3]杜寶貴，王才.煤礦供電系統諧波的危害及治理[J]．山東煤礦科技,2011(4)：53.-54.