煤矿电力系统谐波分析及治理

煤矿电力系统谐波分析及治理

随着科学技术的发展，煤矿机械化程度在不断提高，变频设备得到了广泛的应用，如井下主运输皮带、架空乘人装置、通风机、压风机、电泵等，但这类非线性用电设备在电网中的大量使用，却造成了电网的谐波分量所占比重越来越大。因此，如何能够及时消除这类电气设备投入运行时产生的谐波尤为重要。本文将对煤矿电力系统谐波源进行分析及治理的措施简单介绍。

标签：煤矿电力系统；谐波治理；SVG；SVC

1 煤矿电力系统中谐波的来源

以前煤矿电力系统中的谐波源主要来自变压器、电动机等用电设备，但随着科学技术的进步，大量非线性负荷得到广泛使用，特别是各类电力电子装置（可控硅、IGBT等）迅速发展，已成为煤矿电力系统中主要的谐波源。煤矿电力系统的谐波源主要分以下几类：

（1）电弧加热设备：如电焊机等。

（2）需整流的用电设备：如主副井提升机等大型直流电动机 ；各类变频调速设备（采煤机、皮带机）在矿井中的广泛应用。

（3）地面办公设备：如电脑、彩色电视机、打印机、变频空调等在地面得到广泛应用。

2 谐波在煤矿电力系统中的危害

（1）大量谐波电压电流存在于电网中，易导致电网电压降低，增加线路损耗，导致煤矿吨煤成本增加；变频器、变压器以及电动机等这些电气设备处于经常的变动之中，产生的谐波极易构成谐振，致使谐波含量放大，产生过电压或过电流，烧毁电容器、电动机等。

（2）影响供电系统无功补偿设备的正常使用，特别是未采用有源动态无功补偿装置的变电所，谐波注入电网时容易造成变电所高压电容过电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜将无法正常投切，更严重的情况是电容柜能够将电网谐波进一步放大。

（3）谐波影响电力系统的稳定运行，尤其是对广泛应用的微机保护装置危害更大，易造成变电所继电保护误动作，导致区域性停电事故。

（4）干扰通讯系统的正常工作，当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，电力线路上流过的较大的奇次低频谐波易形成磁场耦合和电场耦合，谐波分量则会在通讯系统内产生声频干扰，轻则降低信号 传输质量，破坏信号的正常传输，

重则损坏通讯设备或威胁使用通讯设备人员的人身安全。

（5）谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率；负序谐波会在电动机中产生负序旋转磁场，形成反向转矩，降低传动效率，严重时会使电动机过热 ，降低电动机的使用寿命。

（6）谐波对人体也会产生影响，当人体细胞在受到刺激兴奋时会产生快速电波动，其频率若与谐波频率相接近，谐波产生的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。

3 谐波治理措施

目前谐波治理的主要措施有变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理。

（1）分散治理措施：适用于供电距离较远且功率因数较低的大型用电设备，主要可采取以下几个措施：

1）对电力电子设备本身进行改造，使其不产生谐波或减少谐波的产生； 2）变频器和谐波治理设备必须配套使用，严禁安装使用无谐波治理的设备；

3）加快提高同步电动机在煤矿机电设备中的使用比例，例如同步电动机直驱提升机、同步电动机皮带机在许多煤矿中已经得到很好的应用。

（2）变电所集中治理措施：通过外加补偿装置等来补偿谐波，例如在电力系统中加无源滤波器或在装置的电网侧加有源滤波器装置及动态无功补偿技术。

1）机械式投切的无源补偿装置，属于慢速无功补偿装置，电力系统中应用较早，目前应用已经较少；

2）晶闸管投切的静止无功补偿器（SVC），该装置产生无功和消除谐波是靠其电容和电抗本身的性质产生的，属无源、快速动态无功补偿装置，在我国煤炭电力系统中应用较为广泛，但受系统谐波影响大，缺点明显。

杨营煤矿在35kV变电所10kV母线安装了两套无功补偿滤波装置，每套输出基波补偿容量为3000kvar。该系统具有以下特点：

①额定补偿容量较广且连续可调；

②响应时间较快，动态响应时间不大于100ms；

③受系统谐波影响大，自身产生较大量谐波，例如SR、TCT等易产生5、7、11等高次谐波。

此装置在该矿两年的实践应用中，谐波消除效果可满足矿井供电系统需求。

（3）基于电压源逆变器的静止同步补偿器（SVG），该装置产生无功和消除谐波是靠其内部电力电子器件产生与谐波电流相反的无功电流，属有源、快速的动态无功补偿装置，应用性能较为先进。此装置主要应用于大型新建矿井，例如神华神东矿区谐波治理配置的就是无功动态补偿装置（SVG），实践证明该补偿装置取得了良好效果。该系统主要有以下优点：

1）额定补偿容量广且连续可调，±20 Mvar的可调范围已经得到应用；

2）响应时间快，一般不大于10ms，能够很好的应对各种冲击性负荷的补偿工作；

3）受系统谐波影响小，可抑制系统谐波。

4 小结

煤矿电力系统谐波治理对于整个电网的正常运行具有重要意义，因此在规划电力系统建设、采区供电系统建设或设备选型时，必须考虑谐波的影响。我们可以利用先进检测仪器及时分析供电系统的电能质量，找出电网产生谐波的原因，采用灵活的谐波治理方式，综合应用多种谐波治理技术，积极落实相应措施，保证电网系统安全、稳定、可靠、经济运行。

作者简介：王清波（1987-），男，山东滨州人，本科，助理工程师，现任肥矿集团梁宝寺煤矿采煤副区长，主要从事煤矿机电专业研究、管理工作。