礦山電力系統(tǒng)諧波的危害與治理

潘博 王健

摘 要：隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，硅整流設(shè)備及變頻設(shè)備的應(yīng)用為電力系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波污染，已成為威脅電力系統(tǒng)和其它用電負(fù)荷安全運(yùn)行的電力公害，電力諧波影響了電能的質(zhì)量和設(shè)備工作的效能，干擾導(dǎo)致電氣設(shè)備異常和事故有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患不可估量，從諧波的產(chǎn)生及危害分析，使得我們?cè)谏a(chǎn)中能夠有針對(duì)性地進(jìn)行處理，使損失減到最低。

關(guān)鍵詞：諧波的危害；諧波抑制；無(wú)功補(bǔ)償裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.087

1 什么是諧波

供電系統(tǒng)的電壓工業(yè)頻率是50Hz，是系統(tǒng)中正常工作頻率。該頻率電量稱為基波。由于非線性器件的使用還存在數(shù)倍于基波頻率的交流電量，對(duì)系統(tǒng)正常工作造成危害，通常稱為諧波，向電網(wǎng)注入諧波的設(shè)備稱為諧波源。諧波次數(shù)一般為2≤n≤40。諧波的存在影響了電能質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的危害和損失不可忽視。

2 諧波的危害

（1）諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，諧波使線路阻抗隨頻率增加而提高浪費(fèi)電能；使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)，較大高次諧波電流延緩電弧熄滅，限制自動(dòng)重合閘的動(dòng)作速度，甚至導(dǎo)致自動(dòng)重合閘失敗。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。諧波會(huì)使變壓器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)荷引起附加耗損局部過(guò)熱，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足，諧波過(guò)電壓威脅電機(jī)絕緣產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、噪聲，引起較大的諧波軸電壓擊穿軸承油膜，縮短電機(jī)的壽命，甚至損壞電機(jī)；諧波電流使變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，使變壓器噪聲增大。

（3）諧波會(huì)干擾附近的通信系統(tǒng)。一般是會(huì)出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量的情況，嚴(yán)重的就是丟失信息，讓通信系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，甚至可能會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。

（4）諧波影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性。電力測(cè)量?jī)x表按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正旋波設(shè)計(jì)，供電電壓或負(fù)荷電流中的諧波成分會(huì)影響電力測(cè)量?jī)x表的正常工作，使電能計(jì)量和電力指標(biāo)測(cè)量出現(xiàn)較大誤差，給供電部門或電力用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

（5）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)作。

（6）諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。從而使諧波放大幾倍甚至數(shù)十倍，特別是對(duì)電容器和系統(tǒng)電抗發(fā)生電網(wǎng)諧振損壞電容器。

（7）使自然功率因數(shù)過(guò)低，電壓降低。浪費(fèi)電能，直接影響經(jīng)濟(jì)效益。

（8）諧波還會(huì)影響電子設(shè)備工作精度。使電子設(shè)備工況變壞，壽命縮短等。

（9）交流電壓畸變可能引起不可逆變流設(shè)備控制角的時(shí)間間隔不等。并通過(guò)正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使變流器工作不穩(wěn)定，而對(duì)逆變器則可能發(fā)生換流失敗而無(wú)法工作，甚至損壞變流設(shè)備。

（10）諧波會(huì)影響某些機(jī)電設(shè)備的工作性能。尤其影響無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等設(shè)備的工作性能，引起噪聲干擾和圖像紊亂。

3 諧波治理的重要性

由于煤礦生產(chǎn)中調(diào)速性能和節(jié)能要求，供電系統(tǒng)普遍采用電力電子器件完成整流和變頻，這樣的器件產(chǎn)生了大量的諧波釋放到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，我們必須充分認(rèn)識(shí)，及時(shí)治理。

3.1 技術(shù)規(guī)定

電網(wǎng)中諧波含量與電壓、頻率等電能質(zhì)量指標(biāo)一樣，是電力系統(tǒng)一項(xiàng)重要指標(biāo)，國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定發(fā)電機(jī)實(shí)際的端電壓波形在任何瞬間與基波波形之差不得大于基波幅值的一定比例，其中：380/660V不超過(guò)5%，6kV/10kV不超過(guò)4%，63kV不超過(guò)3%，110kV不超過(guò)1.5%。

3.2 諧波抑制的直接經(jīng)濟(jì)效益分析

以年產(chǎn)500萬(wàn)噸國(guó)有煤礦為例，按每年生產(chǎn)用電4000萬(wàn)度計(jì)算，諧波造成的損耗增加約為2%，每度用電0.75元人民幣，這樣，每年所造成的經(jīng)濟(jì)損失約為75萬(wàn)元。

諧波造成電動(dòng)機(jī)等設(shè)備每年損壞5臺(tái)，所造成的經(jīng)濟(jì)損失約為10萬(wàn)元。

諧波造成系統(tǒng)高壓變壓器或電容器、電抗器等高壓供電設(shè)備每年損壞一臺(tái)，所造成的經(jīng)濟(jì)損失約為25萬(wàn)元。

諧波造成煤礦生產(chǎn)用電繼電保護(hù)每年誤動(dòng)作一次，所造成的經(jīng)濟(jì)損失約為40萬(wàn)元。

從以上結(jié)論可以看出，若重視諧波的危害，加強(qiáng)對(duì)諧波的治理，每年生產(chǎn)節(jié)約的成本可達(dá)150萬(wàn)元以上。

4 地面變電所補(bǔ)償方式抑制諧波

大型煤礦地面變電所，安裝了TBB-Z高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)，抑制了諧波。安裝前諧波使供電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓低，功率因數(shù)低等不正常現(xiàn)象，安裝該補(bǔ)償裝置后，無(wú)功自動(dòng)控制器檢測(cè)電網(wǎng)電壓及功率因數(shù)，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)的綜合判定，控制主變得自動(dòng)有載調(diào)壓及母線上的無(wú)功補(bǔ)償電容的自動(dòng)投切，通過(guò)中和電容投切時(shí)的容性電流和功率，平衡系統(tǒng)電壓電流，補(bǔ)償功率因數(shù)，為了防止補(bǔ)償電容及濾波電容器的損壞，使系統(tǒng)并聯(lián)諧振頻率降到變流器所產(chǎn)生的最低次諧波頻率以下，防止補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)電抗之間在某次諧波附近產(chǎn)生并聯(lián)諧振，同時(shí)濾除了一些高次諧波，使諧波受到抑制，含量降低。

功率因數(shù)由原來(lái)的0.2～0.8左右升高到了0.17～0.93左右，并且隨著煤礦主副井提升機(jī)等大型設(shè)備的啟動(dòng)，電壓和負(fù)荷電流都呈現(xiàn)了運(yùn)行穩(wěn)定的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)諧波測(cè)試儀檢測(cè)，5次諧波由原來(lái)的18.1%降低到9.68%，7次諧波由原來(lái)的11.4%將為5.86%，13、17、19次諧波含量，變電所供給煤礦負(fù)荷電流由安裝諧波抑制電抗前在300A～900A間劇烈波動(dòng)，安裝后波動(dòng)幅度在600A～900A，負(fù)荷運(yùn)行平穩(wěn)了很多，不但諧波得到了有效的抑制，無(wú)功補(bǔ)償效果也比較顯著，實(shí)踐證明，由于諧波含量過(guò)高造成的系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象基本避免，由于諧波干擾造成的繼電保護(hù)無(wú)故跳閘現(xiàn)象基本杜絕，運(yùn)行比較可靠平穩(wěn)，但是諧波電抗含量仍然沒有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。并且諧波電抗器由于消耗了大量的諧波功率來(lái)濾除諧波，油浸式或干式鐵芯電抗器在運(yùn)行當(dāng)中鐵芯勵(lì)磁要產(chǎn)生磁滯振動(dòng)必然要發(fā)出一定的聲音，對(duì)工作環(huán)境構(gòu)成噪聲污染，隨著容量增大，鐵芯氣隙增多聲音越大，諧波產(chǎn)生的損耗很大，噪聲也越嚴(yán)重，正常運(yùn)行時(shí)的溫度也越高。

綜上所述，諧波治理的任務(wù)很艱巨，要引起高度重視，科學(xué)施治。諧波干擾問(wèn)題在通信領(lǐng)域里已經(jīng)具有很深的研究，取得了很多抗干擾的成熟技術(shù)，值得借鑒、擴(kuò)展應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文榮.礦山供電技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014（07）.