煤礦電力系統諧波分析及治理

王清波 孫利文 韓小軒

摘 要：隨著科學技術的發展，煤礦機械化程度在不斷提高，變頻設備得到了廣泛的應用，如井下主運輸皮帶、架空乘人裝置、通風機、壓風機、電泵等，但這類非線性用電設備在電網中的大量使用，卻造成了電網的諧波分量所占比重越來越大。因此，如何能夠及時消除這類電氣設備投入運行時產生的諧波尤為重要。本文將對煤礦電力系統諧波源進行分析及治理的措施簡單介紹。

關鍵詞：煤礦電力系統；諧波治理；SVG；SVC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.051

1 煤礦電力系統中諧波的來源

以前煤礦電力系統中的諧波源主要來自變壓器、電動機等用電設備，但隨著科學技術的進步，大量非線性負荷得到廣泛使用，特別是各類電力電子裝置（可控硅、IGBT等）迅速發展，已成為煤礦電力系統中主要的諧波源。煤礦電力系統的諧波源主要分以下幾類：

（1）電弧加熱設備：如電焊機等。

（2）需整流的用電設備：如主副井提升機等大型直流電動機 ；各類變頻調速設備（采煤機、皮帶機）在礦井中的廣泛應用。

（3）地面辦公設備：如電腦、彩色電視機、打印機、變頻空調等在地面得到廣泛應用。

2 諧波在煤礦電力系統中的危害

（1）大量諧波電壓電流存在于電網中，易導致電網電壓降低，增加線路損耗，導致煤礦噸煤成本增加；變頻器、變壓器以及電動機等這些電氣設備處于經常的變動之中，產生的諧波極易構成諧振，致使諧波含量放大，產生過電壓或過電流，燒毀電容器、電動機等。

（2）影響供電系統無功補償設備的正常使用，特別是未采用有源動態無功補償裝置的變電所，諧波注入電網時容易造成變電所高壓電容過電流和過負荷，在諧波場合下，電容柜將無法正常投切，更嚴重的情況是電容柜能夠將電網諧波進一步放大。

（3）諧波影響電力系統的穩定運行，尤其是對廣泛應用的微機保護裝置危害更大，易造成變電所繼電保護誤動作，導致區域性停電事故。

（4）干擾通訊系統的正常工作，當輸電線路與通訊線路平行或相距較近時，電力線路上流過的較大的奇次低頻諧波易形成磁場耦合和電場耦合，諧波分量則會在通訊系統內產生聲頻干擾，輕則降低信號 傳輸質量，破壞信號的正常傳輸，重則損壞通訊設備或威脅使用通訊設備人員的人身安全。

（5）諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率；負序諧波會在電動機中產生負序旋轉磁場，形成反向轉矩，降低傳動效率，嚴重時會使電動機過熱 ，降低電動機的使用壽命。

（6）諧波對人體也會產生影響，當人體細胞在受到刺激興奮時會產生快速電波動，其頻率若與諧波頻率相接近，諧波產生的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

3 諧波治理措施

目前諧波治理的主要措施有變電所集中治理和非線性用電設備處分散治理。

（1）分散治理措施：適用于供電距離較遠且功率因數較低的大型用電設備，主要可采取以下幾個措施：

1）對電力電子設備本身進行改造，使其不產生諧波或減少諧波的產生；

2）變頻器和諧波治理設備必須配套使用，嚴禁安裝使用無諧波治理的設備；

3）加快提高同步電動機在煤礦機電設備中的使用比例，例如同步電動機直驅提升機、同步電動機皮帶機在許多煤礦中已經得到很好的應用。

（2）變電所集中治理措施：通過外加補償裝置等來補償諧波，例如在電力系統中加無源濾波器或在裝置的電網側加有源濾波器裝置及動態無功補償技術。

1）機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，電力系統中應用較早，目前應用已經較少；

2）晶閘管投切的靜止無功補償器（SVC），該裝置產生無功和消除諧波是靠其電容和電抗本身的性質產生的，屬無源、快速動態無功補償裝置，在我國煤炭電力系統中應用較為廣泛，但受系統諧波影響大，缺點明顯。

楊營煤礦在35kV變電所10kV母線安裝了兩套無功補償濾波裝置，每套輸出基波補償容量為3000kvar。該系統具有以下特點：

①額定補償容量較廣且連續可調；

②響應時間較快，動態響應時間不大于100ms；

③受系統諧波影響大，自身產生較大量諧波，例如SR、TCT等易產生5、7、11等高次諧波。

此裝置在該礦兩年的實踐應用中，諧波消除效果可滿足礦井供電系統需求。

（3）基于電壓源逆變器的靜止同步補償器（SVG），該裝置產生無功和消除諧波是靠其內部電力電子器件產生與諧波電流相反的無功電流，屬有源、快速的動態無功補償裝置，應用性能較為先進。此裝置主要應用于大型新建礦井，例如神華神東礦區諧波治理配置的就是無功動態補償裝置（SVG），實踐證明該補償裝置取得了良好效果。該系統主要有以下優點：

1）額定補償容量廣且連續可調，±20 Mvar的可調范圍已經得到應用；

2）響應時間快，一般不大于10ms，能夠很好的應對各種沖擊性負荷的補償工作；

3）受系統諧波影響小，可抑制系統諧波。

4 小結

煤礦電力系統諧波治理對于整個電網的正常運行具有重要意義，因此在規劃電力系統建設、采區供電系統建設或設備選型時，必須考慮諧波的影響。我們可以利用先進檢測儀器及時分析供電系統的電能質量，找出電網產生諧波的原因，采用靈活的諧波治理方式，綜合應用多種諧波治理技術，積極落實相應措施，保證電網系統安全、穩定、可靠、經濟運行。

作者簡介：王清波（1987-），男，山東濱州人，本科，助理工程師，現任肥礦集團梁寶寺煤礦采煤副區長，主要從事煤礦機電專業研究、管理工作。