煤矿提升机供电系统谐波治理设计及应用

＊鄯振华

（华阳新材料科技集团有限公司 山西 045000）

煤矿供电系统质量已经成为煤矿供电领域最为重视的课题之一，供电质量包括诸多方面，既包括电压和频率合格率，又包括峰值以及停电时间，同时还包括电网谐波含有量。本文主要从设备安装调试过程中发现大量谐波，提升机无法启动，进而判断电压谐波，通过消谐仿真测试，再进行现场实际运用，达到消除谐波，提升机正常运行。

1.某煤矿立井提升机前期调试情况说明

（1）供电现状。某煤矿临时10kV供电线路双回路分别来自某110kV变电站和某35kV变电站，110kV变电站为主供线路，10kV出线经7.6km架空线路输电至该煤矿10kV临时配电室，主立井提升机供电电源取自该煤矿10kV临时配电室。

（2）第一联调情况。主立井提升机变频器进行第一次调试，ARU整流二极管模式调试正常，具备变频器ARU整流矢量模式调试条件。第二日，开始对变频器ARU整流矢量模式调试，调试过程中发现励磁风机异常，同时井上下多处（风机房、锅炉房、综掘机、风机变频等）用电设备因过压发生跳闸，部分模块、仪表等设备损坏，经测低压电源380V电压被拉高至416V，220V电压被拉高至280V。经现场几次上电试验后，此故障持续存在，无法继续调试。

分析认为：该煤矿临时供电线路供电距离远，电网质量较差，变频器运行后，致使电网产生谐振，低压供电电压升高，造成低压用电设备的损坏。

针对此问题第一时间对目前电网进行24h监测，监测后结论为：测量值7.77%，国标限值4.0%，电压总谐波畸变率超标约2倍。

（3）第二次联调情况。煤矿单位邀请相关专家对主立井提升机会诊后，分析认为加装动态SVG谐波治理装置对变频器谐振情况会有所改善。组织对主立井提升机变频器进行第二次调试，变频器ARU整流矢量模式调试过程中，经监测低压电源220V电压仍会升高至280V，未能解决变频器投运后电网谐振问题。

（4）第三次联调情况。①调试前措施：A.全矿供电系统采取分列运行方式，上级35kV变电站负担主通风、瓦斯机及井下具备通风机负荷，上级110kV站负责主立井及其他负荷。B.更换原2Mvar动态SVG谐波治理装置为10Mvar动态SVG谐波治理装置。C.完成主供电源线路增容工程，增设一台12500kVA调压变压器。

②调试过程：主立井提升机变频器开始上电调试，变频器厂家利用变频器自带电网质量监测程序对现有电网和启动变频器两种状况进行现场监测。根据监测情况，研究后决定将10Mvar动态SVG谐波治理装置改为调压模式投运；调压变压器电压调整电压至10.2kV后，变频器进行上电再次调试。本次上电后变频器ARU整流矢量模式下运行正常，具备调试条件。

（5）通过三次调试反映出的电网质量、出线问题、调试状态，如表1所示。通过三次调试情况对比分析如下：

表1 三次调试对比情况

①造成低压电源升高的根本性原因是由于电网质量差，在变频器运行过程中造成谐振，致使低压电压升高。

②调压变压器对阻隔电网谐波有一定作用，但由于调压变压器反应时间长会造成与变频器电压需求不匹配，需调整到手动档位，人员实时调整电压，并且保持SVG不能跳闸。

③动态SVG谐波治理装置对谐波具有抑制作用，但需根据容量相匹配，否则抑制谐波的同时也会对电网产生污染。

为保证主立井提升机调试和后续运行正常，需继续收集完善前期矢量调试和后期带载调试中的相关数据和波形曲线进行参数优化，及增加相匹配的电抗器来为后期运行提供保障。

2.谐波治理设计方案

（1）项目概述。某煤矿10kV配电系统主变12500kVA，整流变压器容量7000kVA，回路最大基波电流为447A，变压器短路阻抗为14.4%；上级电网短路容量为估值300MVA。10kV配电系统电机测试，四象限变频器带电动机运行。配置见图1：当变频器运行时，10kV侧电网中含有大量的23次等谐波，致使系统无法正常工作。

图1 系统一次接线图

（2）电能质量现状分析。现场测试情况。通过测量电压波形有很多毛刺，这是说明有高次电压谐波。高次谐波主要是23次、37次、41次、49次。通过HMXB测试仪测量的数据看出测量点的总畸变率为7.32%。

（3）设计目标。根据现场测试，总电压谐波含有率为7%以上，通过滤波装置的投入，使谐波降到国标T14593的范围之内，即：23次谐波的含有率在2.1%、49次 1.55%以内，系统正常运行。

（4）方案设计。①工况分析：由于变频器工作在逆变状态时，输出是以电压形式并入电网，故谐波是电压谐波。所有的谐波电流是谐波电压通过系统阻抗产生的。所以，治理该谐波需按照治理电压源型谐波治理。②设计方案：采用LCL电路，串入变压一次侧，如图2所示。

图2 加入滤波电路后的一次图

设计考虑：A.满负荷时的L1和L2产生的压降不能对变频器有影响。B.谐波的滤除达到国标要求。C.对系统不产生谐波放大或谐振。

③设计参数。电抗器L1：三相，2.2mH/630A，一只；电抗器L2：三相，2.8mH/355A，一只；电容器C：单相，26uf/7.2kV，六只。

④仿真试验。PSIM是专门为电力电子和电动机控制设计的一款仿真软件。仿真的目的是辅助设计及实际运行结果的预判。该仿真是根据提供的系统的参数数据以及滤波器设计参数在各次谐波下的电压电流计算。最终以图表形式输出结果。设计滤波器时经过多次的设计、仿真、再设计、再仿真这样的过程，最终达到设计优化。

基于PSIM的仿真环境，设计了如图2所示的LCL电路图，根据该煤矿的实际情况，仿真参数：系统短路容量计算为100MVA，23次、29次、49次电压谐波源为基波的7.8%（与现场测量的数据一致）。变压器二次侧阻抗等效到一次侧的阻抗为6mH。系统阻抗2.2mH。电抗器L1取2.2mH，L2取2.8mH，电容器C取26uf。

A.谐波治理前的仿真。图3（a）为滤波装置投入前的电路。图3（b）10kV侧电压波形。其中相电压总畸变率为7.77%，23次谐波含有率为3.1%，49次3.2%与现场测量基本一致。

图3 初始电路及仿真电压波形

B.谐波治理后的仿真。加入滤波装置后电路及10kV侧电压波形如图4所示。10kV母线侧相电压总畸变率为2.38%，23次谐波含有率为1.67%，49次1.32%。

图4 仿真电路

（5）方案实施，所需设备材料如表2所示。

表2 材料清单

3.主立井提升机滤波装置调试

设备安装就位，第一次送10kV整流变电源。合闸后故障跳闸，合闸掉电连续三次之后，高压柜无法合闸，恢复原供电模式生产。相关技术人员到现场排查原因，根据变频器保护记录为零序电压高、相位闭锁错误，判断可能电缆相序接错，经过反复检查发现L1电抗器出线A、C相不对。更换电缆相序后送高压，滤波设备L1投入运行，但低压较高变频器低压变压器电压过压，变频器故障分闸。准备接入23次滤波支路，合闸送电SVG跳闸，调试失败。次日，第一步通过仪器检测10kV系统SVG、ABB变频器、高压柜各点的谐波分量。退出SVG之后再次检测各项指标。最终确定送电方案：变频器启动期间由二极管模式转为矢量模式投入，运行期间投入23次滤波支路，合闸成功。主提升系统正常运行，各监测点电压正常。因变频器、滤波设备没有实现保护互锁，恢复SVG稳压模式生产状态，连锁变频器、滤波器保护互锁后合闸运行调试完成，达到预期效果。

滤波器投入前后的相关数据对比THD畸变率：L1投入5.5%，L1、L2投入＜2%，低压250V下降到230V。

4.结论

目前煤矿单位使用变频器越来越普遍，变频器主电路一般为交-直-交组成，外部输入的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，其中高次谐波将干扰供电系统。变频器输出端产生的谐波将会使电网中继电保护和自动装置出线误动作，对整个供电系统产生大的干扰。本次调试工作，在变频器前段串入滤波装置，很好地抑制了高次基波，消除了对电网的干扰，保证煤矿提升机正常调试运行。建议基建矿井在110kV/35kV系统未正式投入运行前，临时电源使用高压变频器的大动力设备提前考虑谐波治理方案，或者选购带高次滤波装置的高压变频器，以保证大型固定设备的安全可靠运行。