煤矿井下矿用变频器高次谐波的预防

张天旻

(龙煤集团七台河分公司安全监察部，黑龙江 七台河 154600)

龙煤集团东风矿位于七台河市西部，是七台河矿区开发最早的矿井。矿井开拓方式主要为斜井多水平开拓。矿井提升系统为两段提升，其中一采区第二段主提升为强力皮带，副提升为KJ—2．0/20型绞车提1 t矿车;二采区第二段主提升为箕斗，主、副提升均为KJ—2．0/20型绞车。矿井设计能力40万t，两个生产采区。两个采区主副井都采用上海生产的变频系统。

1 矿用变频器应用中存在的问题

在现代化煤矿井下主、副井提升绞车电控系统大都采用变频器控制的拖动系统，因其有着节能效果显著，调速性能可与直流电机相媲美，保护齐全，维护简单等优点，在工业电气自动化控制领域特别是在煤矿企业得到了广泛的应用。矿用变频器在煤矿实际使用过程中也存在一些影响安全生产的问题，煤矿矿用绞车变频器，虽然采取一定屏蔽措施，但在实际生产中还是频频出现变频器谐波干扰人车信号接收机对信号的接收，影响挡车栏联动装置安全运行，造成多处误动作。给人员安全、正常生产带来很大危害。因此，对变频器应用中谐波对其他设备干扰问题进行分析，才能解决变频器谐波干扰问题。

矿用变频器使用不当产生谐波主要有以下三个原因：

1)硐室内设备布置及其线路和相关控制线路铺设不合理，采用传统方式布置设备，即所有设备布置在硐室一侧。

2)绞车硐室内变频设备接地与工频设备接地未分开布置。

3)部分线路电缆的选择与接线工艺不合格。变频器电源线、负荷线选用普通的矿用聚氯乙烯铠装电缆，此电缆屏蔽效果不好，存在部分辐射性谐波。防止辐射性谐波的干扰，主要还是采用屏蔽电缆进行防护。

绞车硐室设备及线路接地线布置示意图见图1。

图1 绞车硐室设备及线路接地线布置示意图

2 谐波产生的原因及谐波危害

1)在交—直—交电压型变频器的输入侧是整流和滤波电路，当电源线电压是瞬时值UL大于电容器两端UD时整流桥中才有充电电流，因此，充电电流总是在电源电压的振幅附近，出现连续的冲击波。它们含有很多高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波含量比例较大。由于大多数变频器采用SPWM调制方式，它的输出电压占空比按正弦规律分布的一系列矩形波，异步电机定子绕组的电感性质，决定其定子电流接近正弦波，但其谐波分量比重还比较大。

2)变频器的主电路中起开关作用的器件，在通断电路的过程中，都要产生对设备运行不利的无用的高次谐波。谐波的增加不仅危及电网的安全运行，而且直接造成用户电气设备故障。此外谐波还增加机械振动、测量仪表仪器的误差、对通讯设备产生干扰。谐波干扰还会导致继电保护装置的误动作，较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动;而较高的谐波则使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机动力不足;谐波干扰还影响功率因数。

高次谐波在煤矿井下主要影响监测监控设备、人车信号、绞车的编码讯号、防跑车装置信号、井下小灵通信号。有资料表明，把谐波水平控制在GE标准允许范围内，则发生谐波干扰的事件相对要少得多。

3 高次谐波传播途径

众所周知谐波干扰以两种形式存在，即辐射形式干扰与传导形式干扰。

1)电缆网路方式传播。

变频器输入侧的高次谐波传播方式是通过电源电网传播，变频器输出侧高次谐波是通过漏电电流传播，这些高频漏电电流通过地线传播到其他电子设备。

2)感应耦合方式传播。

当变频器输入输出设备线路与其他设备线路布线时的距离不符合变频器说明书的规定时，变频器的高次谐波将通过感应方式耦合到其他设备中;其中电流干扰信号时通过电磁感应传播。电压干扰信号通过静电感应方式传播。

3)空中辐射传播。

变频器的高次谐波分量具有很强的向空间辐射的能力，从而影响井下的小灵通通信系统、人车信号的传递、绞车与斜井挡车器连锁系统的正常传输。

4 改进措施

1)合理铺设电缆及相关控制线路。

合理布线可以大大降低干扰信号强度，干扰信号的大小与干受扰控制线路和干扰源的距离成反比，有资料表明，如果受干扰的设备及控制线路距离干扰源距离大于等于30 cm，则干扰信号强度将降低(1/2～2/3)。因此，各控制线路应尽量远离变频器的输入、输出电缆。

当其他设备控制线与变频器输入、输出电缆平行时，两线路间互感越大，分布电容越大。因此，电磁感应和静电感应的干扰信号干扰能力越大。把2根控制线路进行铰接能够大大抑制差模信号的强度。各控制线布线时尽量分开布置，受限时，最好垂直交叉。

为防止外来干扰信号窜入，各控制电路监测监控线路必须采用屏蔽线。

变压器至变频器的电源线、负荷线由原来的MVV煤矿用聚氯乙烯绝缘电力电缆改为煤矿用移动屏蔽橡皮软电缆，以利于吸收和消弱变频器干扰源向外辐射的能力。

为了抑制具有很强辐射能力的高次谐波，可在变频器的输入、输出线路中串接滤波器。其中在输出侧滤波器的电容必须接在电机侧，还必须接入电阻，以防止浪涌电流。

总之，需要对本套变频设备线路及控制线路进行适当改造，把工频设备和相关信号发生装置的电源线及相关控制线分开供电;把工频设备和相关信号发生装置与变频设备分别布置在硐室两侧，严把各类屏蔽电缆的接线工艺质量。

2)绞车变频器的接地。

改进后，绞车硐室的设备各类线路接地线布置示意图见图2。

图2 改进后绞车硐室设备各类线路接地线布置示意图

对于一些含有高频干扰信号的变频器它也有把干扰信号引入大地功能。同时接地散流电流以接地极为中心向周围扩散，离接地极越近，电流密度越大，反之越小。离接地极20 m处电流密度几乎为零。实际上离接地极5 m处的接地电阻与20 m处的接地电阻相差极小。

要防止变频系统对工频系统的干扰，变频器系统的接地线，必须和其他工频设备的接地线分开布置，绝对不能把所有设备接地线联在一起。接地母线要比其他设备的母线适当粗一些，接地地点尽量靠近变频器附近。

控制线电缆的屏蔽层不论公共端，还是另一端的屏蔽层接地时都只能接一侧，绝不能两端都接地。

5 结论

只有按规定标准和使用说明书正确使用矿用变频器，按屏蔽电缆的要求进行布线及接线，才能保证变频器高效运转，保证煤矿井下安全生产。

［1］ 张燕滨．电动机变频调速图解［M］．北京：中国电力出版社，2003：115－128．