[摘要]供配電系統中諧波的危害已經廣為人知,本文就煤礦供配電系統諧波的成因與危害做了簡要**,並提出了一些針對性的治理措施。
[關鍵詞]煤礦供配電系統諧波
供電質量包括系統電壓、頻率的合格率,峰值、超限電壓持續時間、停電時間,以及電網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。諧波廣泛存在於供配電系統各個環節,諧波電流會在公用電網引起電壓畸變,也會對企業內部電網其它電氣裝置產生不利影響,甚至造成危害。
治理好諧波,不僅能降低電能損耗,而且能延長裝置使用壽命,改善電磁環境,提高產品的品質。
在乙個理想的交流電網中,各相電壓隨時間作週期性變化,並且呈正弦波形,煤礦企業或其他用電企業,都非常希望電壓保持理想正弦波形。但是實際上由於某些具有非線性特性的電網元件的影響,使電網電壓偏離正弦波形,特別是近年來電力電子裝置在我國煤炭工業中的應用日益廣泛,煤礦供配電電網中愈來愈廣泛地使用變頻裝置、整流裝置等電力半導體裝置。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。
根據傅利葉級數分析,可分解成基波分量和諧波分量。諧波主要由諧波電流源產生,當正弦基波電壓施加於非線性裝置時,裝置吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流因此發生畸變,諧波電流注入到煤礦電力系統中,這些非線性裝置就成為煤礦電力系統的諧波源。
一、煤礦供配電系統中諧波的原因和危害
煤礦供配電系統中的主要諧波源是含半導體的非線性元件,如為礦井提公升機、通風機、主排水幫浦、帶式輸送機、架線式電機車等裝置節能和控制用的電力電子裝置,諸如各種變頻器、交直流換流裝置、變流器、整流裝置等。煤礦供電網路諧波的危害主要是造成電網的功率損耗增加,裝置壽命縮短,接地保護功能失靈,遙控功能失常,線路和裝置過熱等,還會引起變電站區域性的併聯或串聯諧振,造成電力互感器,變電站系統中的裝置和元件產生附加的諧波損耗,使造成供電網路設施損壞、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,雜訊增加壽命縮短;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公升,導致電動機效率降低,同時還產生附加轉矩增加雜訊,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產生併聯諧振或串聯諧振,這將造成電容器迅速發生故障。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,會引起額外溫公升,減小額定載流量,引發導體絕緣破壞或燒毀;此外,諧波會對通訊和資訊系統產生干擾,降低訊號的傳輸質量,不僅影響聲、像的清晰度和資訊傳輸的準確性,嚴重時還會造成裝置損壞,危及人身安全;另外,礦井供配電系統中的諧波電壓和電流,會導致供配電系統中各類保護及自動裝置產生誤動或拒動,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較大誤差,諧波如果不經過治理直接進入上級電網,將會給電網帶來嚴重的諧波汙染。
二、煤礦供配電系統諧波治理
鑑於諧波存在多方面的危害,對礦井安全生產和生活存在很大隱患,根據國家對諧波汙染的治理要求,採取必要而有效措施,避免或補償已產生的諧波尤為重要。在礦井供配電系統中,應積極採取消除或抑制諧波危害的防範措施。
1.電力電纜的選擇。在礦井供配電系統電力電纜截面的選擇中,應考慮諧波引起電纜發熱的危害。
對於連線諧波主要擾動源裝置的配線,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中。
在三角形/星形變壓器裡,不平衡電流和3n次諧波電流在原邊繞組內迴圈流動而不會傳入電源配電系統中。礦井供配電系統中各級變壓器應多採用三角形/星形變壓器。在根據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%,該裕量可防範諧波引起的變壓器發熱危害。
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中,不能採用常規的補償系統來進行無功補償。
為避免電容器組與系統產生串聯諧振或併聯諧振,必須採用調諧式電容器組。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阻抗、投入段數、系統配置、負荷狀況等原因而發生諧振。
4.諧波補償裝置進行補償。對礦井中的主要諧波源,如:
大功率提公升機、通風機、帶式輸送機的變頻裝置,在執行過程中會引起較嚴重的高次諧波汙染。為了擬制變頻器在執行中產生的諧波,需增加諧波補償裝置,使輸入電流成為正弦波。傳統的諧波補償裝置是採用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阻抗和執行狀態影響,易和系統發生併聯諧振,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。電力電子器件普及後,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物件中檢測出諧波電流,然後產生乙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阻抗的影響。
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