供电质量包括系统电压、频率的合格率,峰值、超限电压持续时间、停电时间,以及电网谐波含量等诸多方面。其中谐波问题一直是主要的电能质量问题。谐波广泛存在于供配电系统各个环节,谐波电流会在公用电网引起电压畸变,也会对企业内部电网其它电气设备产生不利影响,甚至造成危害。治理好谐波,不仅能降低电能损耗,而且能延长设备使用寿命,改善电磁环境,提高产品的品质。
在一个理想的交流电网中,各相电压随时间作周期性变化,并且呈正弦波形,煤矿企业或其他用电企业,都非常希望电压保持理想正弦波形。但是实际上由于某些具有非线性特性的电网元件的影响,使电网电压偏离正弦波形,特别是近年来电力电子装置在我国煤炭工业中的应用日益广泛,煤矿供配电电网中愈来愈广泛地使用变频设备、整流设备等电力半导体装置。电力半导体装置是非线形负载,其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形,而是不同程度畸变的非正弦波。根据傅立叶级数分析,可分解成基波分量和谐波分量。谐波主要由谐波电流源产生,当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因此发生畸变,谐波电流注入到煤矿电力系统中,这些非线性设备就成为煤矿电力系统的谐波源。
一、煤矿供配电系统中谐波的原因和危害
煤矿供配电系统中的主要谐波源是含半导体的非线性元件,如为矿井提升机、通风机、主排水泵、带式输送机、架线式电机车等设备节能和控制用的电力电子设备,诸如各种变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备等。煤矿供电网络谐波的危害主要是造成电网的功率损耗增加,设备寿命缩短,接地保护功能失灵,遥控功能失常,线路和设备过热等,还会引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电力互感器,变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗,使造成供电网络设施损坏、元器件老化,造成电子保护装置误动作,增大附加磁场的干扰等。
当谐波电流流经变压器时会导致铜损和杂散损耗增加,谐波电压则会使铁损增加。还可导致变压器的基波负载容量下降,效率降低以及变压器铁芯振动,噪声增加寿命缩短;谐波电流和电压会造成电动机铁损和铜损的增加引起额外温升,导致电动机效率降低,同时还产生附加转矩增加噪声,造成电动机振动而降低使用寿命;谐波会造成电容器过电流,使电容器与供配电系统产生并联谐振或串联谐振,这将造成电容器迅速发生故障。同时,电容器会放大谐波,增大谐波对矿井供配电系统的影响;在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比,会引起额外温升,减小额定载流量,引发导体绝缘破坏或烧毁;此外,谐波会对通讯和信息系统产生干扰,降低信号的传输质量,不仅影响声、像的清晰度和信息传输的准确性,严重时还会造成设备损坏,危及人身安全;另外,矿井供配电系统中的谐波电压和电流,会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动,破坏微机保护、综合自动化装置,还会使仪表和电能计量出现较大误差,谐波如果不经过治理直接进入上级电网,将会给电网带来严重的谐波污染。
二、煤矿供配电系统谐波治理
鉴于谐波存在多方面的危害,对矿井安全生产和生活存在很大隐患,根据国家对谐波污染的治理要求,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危害的防范措施。
1.电力电缆的选择。在矿井供配电系统电力电缆截面的选择中,应考虑谐波引起电缆发热的危害。对于连接谐波主要扰动源设备的配线,确定电缆载流量时应留有足够裕量,必要时可适当放大一级选择电缆截面。
2.合理选择变压器。正确合理地选择变压器的接线方式,能阻止不平衡电流和3N次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里,不平衡电流和3N次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。矿井供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时,应考虑谐波畸变而留有裕量。在矿井设计中一般应保证变压器负荷率在70%～80%,该裕量可防范谐波引起的变压器发热危害。
3.无功补偿电容器的配置。在有谐波背景的矿井供配电系统中,不能采用常规的补偿系统来进行无功补偿。为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振,必须采用调谐式电容器组。调谐式电容器组即在补偿电容器中加串调谐电抗器。电抗器的主要作用是避开谐波电流可能出现的频率。这种电抗器被称为调谐电抗器,带有这种电抗器的电容器组则被称为调谐电容器组。使用调谐电容器组的目的不是为了显著地降低谐波畸变,而是为了确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振。
4.谐波补偿装置进行补偿。对矿井中的主要谐波源,如:大功率提升机、通风机、带式输送机的变频设备,在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。为了拟制变频器在运行中产生的谐波,需增加谐波补偿装置,使输入电流成为正弦波。传统的谐波补偿装置是采用LC调谐滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功率。但其补偿特性受矿井供配电系统阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧坏。另外,它只能补偿固定频率的谐波,效果不甚理想,但该装置结构简单,目前仍被广泛应用。电力电子器件普及后,运用有源电力滤波器进行谐波补偿将成为主要方法,有源滤波器的工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。
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