煤礦供配電系統(tǒng)諧波的危害及治理論文

　　[摘要]供配電系統(tǒng)中諧波的危害已經(jīng)廣為人知，本文就煤礦供配電系統(tǒng)諧波的成因與危害做了簡(jiǎn)要探討，并提出了一些針對(duì)性的治理措施。

　　[關(guān)鍵詞]煤礦 供配電系統(tǒng) 諧波

　　供電質(zhì)量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時(shí)間、停電時(shí)間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面。其中諧波問(wèn)題一直是主要的電能質(zhì)量問(wèn)題。諧波廣泛存在于供配電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，諧波電流會(huì)在公用電網(wǎng)引起電壓畸變，也會(huì)對(duì)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)其它電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響，甚至造成危害。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　在一個(gè)理想的交流電網(wǎng)中，各相電壓隨時(shí)間作周期性變化，并且呈正弦波形，煤礦企業(yè)或其他用電企業(yè)，都非常希望電壓保持理想正弦波形。但是實(shí)際上由于某些具有非線性特性的電網(wǎng)元件的影響，使電網(wǎng)電壓偏離正弦波形，特別是近年來(lái)電力電子裝置在我國(guó)煤炭工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，煤礦供配電電網(wǎng)中愈來(lái)愈廣泛地使用變頻設(shè)備、整流設(shè)備等電力半導(dǎo)體裝置。電力半導(dǎo)體裝置是非線形負(fù)載，其電壓、電流波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)分析，可分解成基波分量和諧波分量。諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生，當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因此發(fā)生畸變，諧波電流注入到煤礦電力系統(tǒng)中，這些非線性設(shè)備就成為煤礦電力系統(tǒng)的諧波源。

　　一、煤礦供配電系統(tǒng)中諧波的原因和危害

　　煤礦供配電系統(tǒng)中的主要諧波源是含半導(dǎo)體的非線性元件，如為礦井提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、主排水泵、帶式輸送機(jī)、架線式電機(jī)車(chē)等設(shè)備節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備，諸如各種變頻器、交直流換流設(shè)備、變流器、整流設(shè)備等。煤礦供電網(wǎng)絡(luò)諧波的危害主要是造成電網(wǎng)的功率損耗增加，設(shè)備壽命縮短，接地保護(hù)功能失靈，遙控功能失常，線路和設(shè)備過(guò)熱等，還會(huì)引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力互感器，變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，使造成供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施損壞、元器件老化，造成電子保護(hù)裝置誤動(dòng)作，增大附加磁場(chǎng)的干擾等。

　　當(dāng)諧波電流流經(jīng)變壓器時(shí)會(huì)導(dǎo)致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會(huì)使鐵損增加。還可導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降，效率降低以及變壓器鐵芯振動(dòng)，噪聲增加壽命縮短；諧波電流和電壓會(huì)造成電動(dòng)機(jī)鐵損和銅損的增加引起額外溫升，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，同時(shí)還產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩增加噪聲，造成電動(dòng)機(jī)振動(dòng)而降低使用壽命；諧波會(huì)造成電容器過(guò)電流，使電容器與供配電系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，這將造成電容器迅速發(fā)生故障。同時(shí)，電容器會(huì)放大諧波，增大諧波對(duì)礦井供配電系統(tǒng)的影響；在導(dǎo)體中非正弦波電流與具有相同方均根值的純正弦波電流相比，會(huì)引起額外溫升，減小額定載流量，引發(fā)導(dǎo)體絕緣破壞或燒毀；此外，諧波會(huì)對(duì)通訊和信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，不僅影響聲、像的清晰度和信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成設(shè)備損壞，危及人身安全；另外，礦井供配電系統(tǒng)中的諧波電壓和電流，會(huì)導(dǎo)致供配電系統(tǒng)中各類(lèi)保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，破壞微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置，還會(huì)使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差，諧波如果不經(jīng)過(guò)治理直接進(jìn)入上級(jí)電網(wǎng)，將會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波污染。

　　二、煤礦供配電系統(tǒng)諧波治理

　　鑒于諧波存在多方面的危害，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和生活存在很大隱患，根據(jù)國(guó)家對(duì)諧波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統(tǒng)中，應(yīng)積極采取消除或抑制諧波危害的防范措施。

　　1、電力電纜的選擇。在礦井供配電系統(tǒng)電力電纜截面的選擇中，應(yīng)考慮諧波引起電纜發(fā)熱的危害。對(duì)于連接諧波主要擾動(dòng)源設(shè)備的配線，確定電纜載流量時(shí)應(yīng)留有足夠裕量，必要時(shí)可適當(dāng)放大一級(jí)選擇電纜截面。

　　2、合理選擇變壓器。正確合理地選擇變壓器的接線方式，能阻止不平衡電流和3N次諧波電流從原邊傳到電源配電系統(tǒng)中。在三角形/星形變壓器里，不平衡電流和3N次諧波電流在原邊繞組內(nèi)循環(huán)流動(dòng)而不會(huì)傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級(jí)變壓器應(yīng)多采用三角形/星形變壓器。在根據(jù)負(fù)載確定電力變壓器額定容量時(shí)，應(yīng)考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設(shè)計(jì)中一般應(yīng)保證變壓器負(fù)荷率在70%～80%，該裕量可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。

　　3、無(wú)功補(bǔ)償電容器的配置。在有諧波背景的礦井供配電系統(tǒng)中，不能采用常規(guī)的補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。為避免電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，必須采用調(diào)諧式電容器組。調(diào)諧式電容器組即在補(bǔ)償電容器中加串調(diào)諧電抗器。電抗器的主要作用是避開(kāi)諧波電流可能出現(xiàn)的頻率。這種電抗器被稱(chēng)為調(diào)諧電抗器，帶有這種電抗器的電容器組則被稱(chēng)為調(diào)諧電容器組。使用調(diào)諧電容器組的目的不是為了顯著地降低諧波畸變，而是為了確保電容器組不會(huì)因?yàn)橹T如系統(tǒng)阻抗、投入段數(shù)、系統(tǒng)配置、負(fù)荷狀況等原因而發(fā)生諧振。

　　4、諧波補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)礦井中的主要諧波源，如：大功率提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)的變頻設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引起較嚴(yán)重的高次諧波污染。為了擬制變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波，需增加諧波補(bǔ)償裝置，使輸入電流成為正弦波。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置是采用LC調(diào)諧濾波器，它既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率。但其補(bǔ)償特性受礦井供配電系統(tǒng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒壞。另外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，效果不甚理想，但該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前仍被廣泛應(yīng)用。電力電子器件普及后，運(yùn)用有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償將成為主要方法，有源濾波器的工作原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。

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