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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要探討，并提出了一些針對性的治理措施。
[關鍵詞]煤礦 供配電系統(tǒng) 諧波
供電質量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時間、停電時間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面。其中諧波問題一直是主要的電能質量問題。諧波廣泛存在于供配電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，諧波電流會在公用電網(wǎng)引起電壓畸變，也會對企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)其它電氣設備產(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，而且能延長設備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質。
在一個理想的交流電網(wǎng)中，各相電壓隨時間作周期性變化，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，特別是近年來電力電子裝置在我國煤炭工業(yè)中的應用日益廣泛，煤礦供配電電網(wǎng)中愈來愈廣泛地使用變頻設備、整流設備等電力半導體裝置。電力半導體裝置是非線形負載，其電壓、電流波形實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，當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設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體的非線性元件，如為礦井提升機、通風機、主排水泵、帶式輸送機、架線式電機車等設備節(jié)能和控制用的電力電子設備，諸如各種變頻器、交直流換流設備、變流器、整流設備等。煤礦供電網(wǎng)絡諧波的危害主要是造成電網(wǎng)的功率損耗增加，設備壽命縮短，接地保護功能失靈，遙控功能失常，線路和設備過熱等，還會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)中的設備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，使造成供電網(wǎng)絡設施損壞、元器件老化，造成電子保護裝置誤動作，增大附加磁場的干擾等。
當諧波電流流經(jīng)變壓器時會導致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會使鐵損增加。還可導致變壓器的基波負載容量下降，效率降低以及變壓器鐵芯振動，噪聲增加壽命縮短；諧波電流和電壓會造成電動機鐵損和銅損的增加引起額外溫升，導致電動機效率降低，同時還產(chǎn)生附加轉矩增加噪聲，造成電動機振動而降低使用壽命；諧波會造成電容器過電流，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，電容器會放大諧波，增大諧波對礦井供配電系統(tǒng)的影響；在導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，會引起額外溫升，減小額定載流量，引發(fā)導體絕緣破壞或燒毀；此外，諧波會對通訊和信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低信號的傳輸質量，不僅影響聲、像的清晰度和信息傳輸?shù)臏蚀_性，嚴重時還會造成設備損壞，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，會導致供配電系統(tǒng)中各類保護及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，破壞微機保護、綜合自動化裝置，還會使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差，諧波如果不經(jīng)過治理直接進入上級電網(wǎng)，將會給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染。
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，對礦井安全生產(chǎn)和生活存在很大隱患，根據(jù)國家對諧波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或補償已產(chǎn)生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統(tǒng)中，應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，應考慮諧波引起電纜發(fā)熱的危害。對于連接諧波主要擾動源設備的配線，確定電纜載流量時應留有足夠裕量，必要時可適當放大一級選擇電纜截面。
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)流動而不會傳入電源配電系統(tǒng)中。礦井供配電系統(tǒng)中各級變壓器應多采用三角形/星形變壓器。在根據(jù)負載確定電力變壓器額定容量時，應考慮諧波畸變而留有裕量。在礦井設計中一般應保證變壓器負荷率在70%～80%，該裕量可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。
3、無功補償電容器的配置。在有諧波背景的礦井供配電系統(tǒng)中，不能采用常規(guī)的補償系統(tǒng)來進行無功補償。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，必須采用調諧式電容器組。調諧式電容器組即在補償電容器中加串調諧電抗器。電抗器的主要作用是避開諧波電流可能出現(xiàn)的頻率。這種電抗器被稱為調諧電抗器，帶有這種電抗器的電容器組則被稱為調諧電容器組。使用調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因為諸如系統(tǒng)阻抗、投入段數(shù)、系統(tǒng)配置、負荷狀況等原因而發(fā)生諧振。
4、諧波補償裝置進行補償。對礦井中的主要諧波源，如：大功率提升機、通風機、帶式輸送機的變頻設備，在運行過程中會引起較嚴重的高次諧波污染。為了擬制變頻器在運行中產(chǎn)生的諧波，需增加諧波補償裝置，使輸入電流成為正弦波。傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用LC調諧濾波器，它既可補償諧波，又可補償無功功率。但其補償特性受礦井供配電系統(tǒng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒壞。另外，它只能補償固定頻率的諧波，效果不甚理想，但該裝置結構簡單，目前仍被廣泛應用。電力電子器件普及后，運用有源電力濾波器進行諧波補償將成為主要方法，有源濾波器的工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。
參考文獻：
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