煤矿电网谐波分析及治理措施

张兴贵

(四平市同创电器设备制造有限公司，吉林 四平 136001)

1 引言

近几年，随着煤矿电力电子技术的发展以及为了追求更好的启动和运行特性、减少设备电能消耗、提高设备使用寿命，煤矿井下设备为增加提升能力，正朝着大功率、变频化方向发展，这些负荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点，在运行中会产生大量谐波，使供电系统谐波污染日益严重，给煤矿电网安全、经济运行带来很大的影响。

2 煤矿电网谐波分析

变压器和铁芯设备的谐波是由励磁回路的非线性引起的，励磁电流和磁通的关系是由铁芯的磁化曲线决定的，磁化曲线呈非线性，如果再考虑磁滞的影响，励磁电流波形更加扭曲。变压器励磁电流谐波含量和铁芯饱和程度有关，当空载铁芯饱和时，谐波电流大大增加，变流装置谐波源给煤矿设备的直流提升机、变频器、牵引装置及一些用于节能的设备带来大量谐波，给各种用电设备带来严重影响，轻则增加能耗，重者损坏设备，直接威胁到煤矿企业的安全生产。

3 谐波对电网的影响

正常的供电电网设计成正弦波曲线运行，一般来说谐波是由非线性设备引起的，如变压器、电机、提升机、主运输胶带机等控制设备。

谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，它构成了电网线损的一部分，对电网的经济运行不利。谐波还会增加设备的损耗而加剧热应力，使电压峰值增大，若忽略相位差，则峰值电压上升值就等于电压峰值系数。峰值电压会导致电缆绝缘下降，缩短了电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，导致电缆绝缘被击穿。

4 煤矿电网的谐波治理措施

鉴于谐波存在多方面的危害，对矿井安全生产和生存存在很大隐患，根据国家对谐波的治理要求，采取必要而有效措施，避免或补偿已产生的谐波尤为重要。在矿井供配电系统中，应积极采取消除或抑制谐波的防范措施。

消除或抑制电力系统谐波，主要应从产生谐波的主要装置即电力电子装置出发去研究解决的方法，解决电力电子装置和其他谐波源的污染问题有两条途径，分为主动型和被动型。主动型:对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波或少产生谐波。被动型:通过外加补偿装置等来补偿谐波，比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。

下面介绍几种常见的抑制和消除谐波的方法。

4.1 主动型滤波技术

(1)脉宽调制技术(PWM)

采用PWM技术的原理是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，达到抑制谐波的目的。PWM技术使得谐波频谱向高频移动，降低了谐波含量，使得变流器的输入为近于正弦波，近而提高了功率因素。

(2)使用无谐波污染的绿色变频器

绿色变频器的标准是:输入、输出电流均为正弦波，输入功率因数可控，拖动负载的功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率，变频器内的交流电抗器能很好地抑制谐波保证整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响。

4.2 被动型滤波技术

(1)有源滤波器滤波

有源电力滤波器是一种电力电子装置目前主要采用IGBT技术，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

(2)动态无功补偿

动态无功补偿装置是采用反并联的晶闸管投切电容器组，开断次数无限。电容器的零电压投入和零电流切除，避免了合闸涌流和分闸过电压，对电网不产生谐波。按需要补偿的无功功率选配电容，把电容器分成若干组，每组串联适当电抗，调谐到某一次谐波处串联谐振，从而吸收谐波，实现快速的补偿煤矿电网用电系统的无功功率，保证系统的功率因数在0.90以上，提高设备的安全运行，详见图1。

图1 动态无功补偿装置

4.3 其他防治谐波的措施

(1)减少回路的阻抗

谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。减少谐波危害的措施也可以从加大电缆截面积，减少回路阻抗的方式来实现。

(2)改变谐波源的配置或工作方式

具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制谐波量大的工作方式，可以减小谐波的影响。

总之，谐波的干扰会使煤矿井下供电的高低压供电系统上的漏电装置误动作，严重影响矿井供电及生产安全，造成通讯计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，机内的元件出现过热，加速老化，从而使计算机及数据处理系统出现错误。对于采用单片机或PLC控制的设备可能发生失控、死机、程序紊乱等现象，影响矿井生产，造成较大的经济损失。

5 结束语

随着煤矿设备的更新和电网的不断发展，使电网供电线路参数发生了很大变化。大型非线性设备或电子器件不断大量的使用，使电网产生谐波的次数和幅值更大。“谐波污染”已经成为运行设备和电网公害之一，在设备和供电系统运行中进行谐波治理又有不少困难，必须把谐波治理作为一项系统工程。针对谐波产生原因、对设备造成影响及应对方法，采取行之有效的综合治理措施，对煤矿设备和电网的安全运行、提高功率因数、节约能源、减少资源损耗，改善供电质量有着很重要的意义，使电能真正成为无“污染”的绿色能源。