煤矿电网谐波治理研究

徐冬冬

（山西潞安集团王庄煤矿 山西长治 046031）

随着煤矿生产水平的不断提高，各种冲击性和非线性设备大量增加，这些设备在提高煤矿生产效率和安全水平的同时，也使得大量的谐波注入煤矿电网，严重影响煤矿的电能质量，造成电能损耗增加、降低设备寿命、干扰通讯设施等。无论是从保障煤矿电网的安全经济运行，还是从保障煤矿机电设备的角度来看，采取相应的措施对煤矿电网谐波进行治理，对提高煤矿电能质量和保障煤矿用电设备安全是非常有必要的。

1 煤矿电网的主要谐波源

煤矿电网谐波产生的主要原因是由于大量非线性设备所产生的，主要谐波源有以下几种：

1.1 变压器

煤矿电网存有大量变压器，当电压器正常运行时，由于铁磁的非线性，容易造成电流波形发生畸变，畸变电流包含大量奇次谐波分量。特别当变压器受短路电流冲击和合闸时，会产生很大的励磁涌流，励磁涌流中包含很大的非周期谐波分量。

1.2 电容器

为了节能，煤矿大量采用无功补偿电容器，电容器在节能的同时，由其它设备引起的谐波容易造成电容器过流，使电容器与煤矿感性机电设备造成并联谐振或串联谐振，严重放大了谐波。

1.3 电力电子设备

以电力电子元件为基础的各种控制设备，比如变频器、充电机、整流器、逆变器、调压设备等，由于它们不是工频工作，因此含有大量谐波分量。

2 谐波的危害

谐波的危害是非常严重的，具体主要有以下几种危害：

2.1 造成电能质量下降

谐波会导致谐波分量与基波分量相互迭加，使波形发生畸变，造成电压损失，当不是基波频率的整数倍的间谐波接近整数倍基波频率谐波或基波频率时，会引发谐振造成电压闪变，给人的视觉造成严重干扰。

2.2 危害电缆

谐波电流与基波电流相互叠加，会引起电缆线路中的电流有效值增大，导致线路的损耗增加，加速线路老化，加上由于电缆对地电容比架空线路大，而电感很小，当存在谐波时，电缆容抗将减小，同时感抗将增大，很容易形成谐振击穿电缆，造成火灾隐患。除此之外，在三相四线式低压配电系统中，如果存在3次及其倍数次谐波电流，即使在负载完全平衡的情况下也会造成中性线带电，引起中性线导线发热甚至烧断。

2.3 危害电容器

当存在谐波时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，将会导致电容器中电流变大，使得电容器异常发热，造成损耗增大，加速它的老化，不但影响电容器的使用寿命，而且容易引起箱壳胀裂，严重时会导致电容器发生爆炸。

2.4 危害变压器

当谐波电流流经变压器时，谐波会使变压器的铜耗及铁耗增大，铜耗会降低设备容量，铁耗会使铁心的温度升高，限制变压器出力的提高。当煤矿电网变压器采用Dynll接线时，当谐波电流很大时，3次及其倍数谐波电流将在三角形连接绕组中形成环流，引起变压器绕组过热，甚至烧毁变压器。除此之外，谐波还会造成变压器铁芯振动，造成设备损坏。

2.5 危害电动机

谐波除了会引起噪声和振动外，还会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗，导致电机发热严重，降低电机的效率，使电机的绝缘水平下降，降低使用寿命，引起机械设备故障。

2.6 干扰通信

当煤矿电缆线路与通讯线路相距较近时，谐波会通过电磁感应与静电感应耦合到通信系统中，会增加通信线路的噪声，降低信号的传输质量，使其无法正常工作，干扰严重时会引起信号严重失真，导致通讯系统不能正常工作。

2.7 影响测量仪表精度

由于测量仪表只允许很小的误差，当存在谐波时，会造成波形正负半波幅值发生变化，也有可能发生过零点偏移，使采样数据出现问题，会带来明显的测量误差，严重的甚至会造成测量结果完全失真，会造成控制设备失控、死机等现象。

2.8 影响继电保护的可靠性

谐波容易引起保护装置失灵，如变压器差动保护、复合电压起动过电流保护等，由于接地保护不能区分零序电流和3次谐波电流，当存在三次谐波时，三次谐波电流会引起接地保护误动作,此外，还会造成漏电装置误动作，严重影响煤矿供电及生产安全。

3 谐波治理措施

由于大量谐波注入煤矿电网会严重影响煤矿的安全运行，因此必须对谐波进行治理，对谐波的治理首先要尽量减少谐波的产生，其次在谐波发生后，进行综合治理。

3.1 增加换流装置脉冲数

对于整流及变频设备，增加换流装置脉冲数，使其尽量少产生谐波是降低谐波最基本的方法。

换流装置产生的谐波电流次数为：

式中，n为谐波电流次数，m表示从1开始的任意正整数，p表示变频装置的脉冲数。可以看出，换流装置的脉冲数越多，谐波电流次数越高，也就是说不会产生低次谐波，比如p=6时，只产生5次以上谐波；如p=12时，只产生11次以上谐波。由于谐波次数越高，谐波电流值越小，增加换流装置脉冲数，可以从原理上消除低次谐波，减少谐波电流值。

增加换流装置脉冲数的有效方法是通过两个或多个逆变电路并联，通过波形移位叠加，从而抵消谐波分量。最常用的方法是利用(Y,y)接法变压器和(Y,d)接法变压器分别接入整流器然后并联，由于两台变压器二次侧电压相差30度角，将两台三相6脉冲换流器分别接入这两台变压器，这样就可以将两组6脉冲换流器变成了12脉冲换流器，由于12脉冲换流器只产生11次以上谐波，因此就不需要投资安装11次以下谐波滤波器。

3.2 合理选择变压器及其运行方式

合理选择变压器及其允许方式，能阻止或者减少谐波的影响。比如选用有载调压变压器，可以及时调整变压器母线电压，避免变压器过激磁，从而减少谐波产生，此外，减少变压器空载，还可以避免变压器铁磁饱和产生谐波。

3.3 提高供电电压等级或采用专线供电

如果煤矿电网存在大容量的谐波负荷的情况下，可采用提高供电电压等级或者采用专线供电的方法进行供电，这样可以提高供电系统承受谐波能力，减少谐波对其它负荷的影响。

3.4 装设滤波装置

当谐波产生后进行治理是常用的谐波治理方法，由于无源滤波器易受系统参数影响，设备利用率较低，只能消除特定的谐波，且对某次谐波会产生放大作用。有源滤波器由于需要消耗有功以及投资大等问题的限制，大容量滤波不宜采用。为了降低补偿装置的投资，应将有源电力滤波器和无源电力滤波器混合使用，这样可以充分利用无源滤波器与有源滤波器的优点，用大容量无源电力滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用小容量有源电力滤波器补偿所需的各次谐波电流，以达到降低成本和提高效率的目的。

4 结语

本文介绍了煤矿电网谐波产生的主要原因及其危害，由于抑制谐波对煤矿电网的影响，可以起到节能降耗的目的，还可以为煤矿创造一个安全运行的环境，因此煤矿的谐波治理应得到足够的重视。

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