選煤廠電網(wǎng)諧波抑制的探討

劉浩洋

（中國煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，河南 平頂山467002）

1 諧波的分類與產(chǎn)生原因

在我國，電力系統(tǒng)中任何工頻頻率不是50Hz的周期信號均為諧波。按照不同的劃分原理，分類如下：① 根據(jù)諧波次數(shù)的奇偶性來劃分，包括偶次諧波（4、6、8、10… …）和奇次諧波（3、5、7、9、11… …）；② 根據(jù)諧波的頻率大小來劃分，包括3次諧波、5次諧波等，其中后者的頻率為基波頻率的5倍；③ 根據(jù)諧波的序列來劃分，包括負(fù)序諧波、零序諧波與正序諧波〔1〕。諧波的次數(shù)與序列關(guān)系見表1。

表1 諧波的次數(shù)與序列關(guān)系

選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波污染來源主要包括以下三部分：一是發(fā)電電源質(zhì)量不高而產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波〔2〕。其中第三方面為諧波產(chǎn)生的最主要原因。選煤廠設(shè)備含有大量可能產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流的電氣設(shè)備，如變頻電機(jī)、TBS精礦泵、交直流弧焊機(jī)、主廠房合格介質(zhì)泵、濾液轉(zhuǎn)排泵、篩分車間原煤分級篩、篩分車間手選輸送泵和浮選精煤壓濾機(jī)入料泵等選煤廠電氣設(shè)備會在工作中均會產(chǎn)生大量諧波，對選煤廠的電網(wǎng)系統(tǒng)造成污染，是選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)的一大公害。

2 諧波的危害

在煤炭洗選過程中，選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)及系統(tǒng)中的設(shè)備受到的諧波污染，使得選煤廠的電力設(shè)備、供電線路和用電設(shè)備受到危害，存在不穩(wěn)定的安全隱患，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 對電力設(shè)備的危害

（1）電力變壓器。與純基波的正弦波電壓和電流相比較，變壓器受到諧波電壓和電流的影響時，鐵損和負(fù)載損耗增加。與此同時，諧波電流會使變壓器某些部件、外殼和外層硅鋼片溫升增加，使變壓器噪聲增大，使用壽命變短。因此，在現(xiàn)在選煤廠設(shè)計中，為了減少投資，提高各個環(huán)節(jié)的節(jié)能設(shè)計，減少電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對變壓器的影響，變壓器應(yīng)選擇低損耗節(jié)能型，例如：SC9型干式變壓器，具有體積小，便于設(shè)備配置，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

（2）電力補(bǔ)償電容器。在諧波電壓的影響下，電容器與供電系統(tǒng)其它部分產(chǎn)生串聯(lián)、并聯(lián)諧振，電容器中的介質(zhì)損耗會明顯增加，產(chǎn)生額外的功率損耗。由于電容器的電抗和頻率之間是反比例關(guān)系，所以即使電網(wǎng)中的高次諧波比例很小，同樣會產(chǎn)生明顯的諧波電流，從而造成補(bǔ)償電容器過電壓和過電流，導(dǎo)致電容器損壞、擊穿或爆炸。電容器是很容易受諧波影響的電子元件，根據(jù)相關(guān)材料統(tǒng)計顯示，電氣設(shè)備的損壞中有80%以上均是由電容器損壞這個因素而導(dǎo)致的〔3〕。

2.2 對供配電線路的危害

（1）影響線路的正常穩(wěn)定運(yùn)行。供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用感應(yīng)式繼電器、電磁式繼電器或晶體管繼電器進(jìn)行檢測保護(hù)，在諧波的作用下，容易造成誤動作、誤觸發(fā)或拒動作的現(xiàn)象。例如變壓器合閘涌流中的諧波分量、大功率設(shè)備頻繁起停產(chǎn)生的諧波電流等，這些都會給選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)中的供配電線路造成不必要的供電中斷和損失。

（2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量。受到諧波的影響，選煤廠電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的電壓與電流波形更容易發(fā)生畸變。相同頻率的諧波電壓與電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量，嚴(yán)重時可能會影響整個公共電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

2.3 對用電設(shè)備的危害

（1）電動機(jī)。受到諧波電流和電壓的影響，電動機(jī)會有附加的銅損和鐵損，造成無功功率增加，從而使電動機(jī)效率降低，加速絕緣介質(zhì)老化，產(chǎn)生機(jī)械震動、噪音增大等。因此，在選擇電動機(jī)時應(yīng)考慮這些因素對電機(jī)的影響，盡量選擇國內(nèi)外知名品牌的電機(jī)，且電機(jī)功率應(yīng)有一定的余量，來滿足電機(jī)能力的提高。

（2）低壓開關(guān)設(shè)備。由于諧波泄露電流的作用，可能使斷路器、接觸器和電機(jī)綜合保護(hù)器等低壓元器件異常發(fā)熱，導(dǎo)致元器件電流的承載能力下降，出現(xiàn)誤動作，減少低壓開關(guān)設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時對人員人身安全造成危害。例如，選擇配電線路中低壓斷路器時應(yīng)在滿足額定電流、長延時電流、短延時電流及瞬動電流的要求下，進(jìn)而選取性能可靠，安全性強(qiáng)的斷路器，以減少元器件的誤操作。

（3）通訊、控制和測量系統(tǒng)。由于電力線的諧波電流和諧波電壓會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，從而降低通信質(zhì)量，使通信系統(tǒng)無法正常工作。PLC通訊系統(tǒng)及儀器儀表、調(diào)度通訊、工業(yè)電視由于自身的信號較弱，受到諧波污染的工作電源必然引起PLC及儀器儀表信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致集中控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)不能正常工作〔4〕。因此，選煤廠設(shè)計中，要求選擇控制及各種通訊電纜均采用屏蔽電纜，且要求配電電纜和控制、通訊電纜分橋架敷設(shè)，即使在一個橋架內(nèi)敷設(shè)，也要求中間用隔板隔開，避免控制、通訊產(chǎn)生的諧波對供電系統(tǒng)的干擾。

3 諧波的防治

3.1 采取有效的技術(shù)措施

（1）并聯(lián)調(diào)諧濾波器。將由L－C－R電路組成的濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)系統(tǒng)上，使選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)的等效阻抗發(fā)生變化。根據(jù)L－C－R電路的原理，當(dāng)電路發(fā)生諧振時阻抗最小，而此時的調(diào)諧頻率即為此回路中調(diào)諧濾波器工作的最佳狀態(tài)。這時，該支路中存在的大部分諧波電流被調(diào)諧濾波器消除，從而抑制諧波對選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害。

（2）串接6%容抗的電抗器。在一般的電網(wǎng)系統(tǒng)和諧波容量較小的情況下，通常采用在電網(wǎng)電路中串聯(lián)接入6%容抗電抗器的措施。這可以很好地消除選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波污染，保證電容器正常工作，使電路的功率因數(shù)得到提高，同時可以使諧波對電網(wǎng)的污染達(dá)到諧波防治的規(guī)范要求。在復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)和諧波容量較大的情況下，需要分析電網(wǎng)系統(tǒng)和電氣設(shè)備的諧波電流耐受水平，滿足條件時才可采用該措施。選煤廠設(shè)計中，低壓系統(tǒng)一般采用集中補(bǔ)償，電抗比一般選用6%，選煤廠無功補(bǔ)償原理見圖1。

圖1 選煤廠無功補(bǔ)償原理

（3）移動電網(wǎng)等效阻抗位置。該方法應(yīng)用的濾波器也是由電容器和電抗器組成，但是與并聯(lián)調(diào)諧濾波器和串接6%容抗的電抗器的方法原理不同。它不需要調(diào)諧在某個特定諧波頻率，而是改變電網(wǎng)系統(tǒng)的等效阻抗最小值所處頻率軸的位置。按照濾波性征配置的不同，可以滿足不同的分流特性和阻抗特性標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到抑制諧波的目的。

此外，選煤廠還應(yīng)用整流變壓器的聯(lián)結(jié)方式采用Dy11型聯(lián)結(jié)等技術(shù)措施來抑制諧波。

3.2 科學(xué)化管理

選煤廠供電管理部門應(yīng)該結(jié)合選煤廠供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)指標(biāo)，制訂合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)?？蛇M(jìn)行選煤工藝管理；重選設(shè)備分選效果評定，繪制分配曲線，月綜合煤質(zhì)資料整理，繪制粒度曲線和可選性曲線；分選指標(biāo)的預(yù)測和優(yōu)化。在出現(xiàn)突發(fā)事件時或根據(jù)用戶要求，系統(tǒng)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時視頻捕獲，定時、實(shí)時錄象。分析現(xiàn)場設(shè)備所產(chǎn)生的諧波對系統(tǒng)的影響，以便及時處理。

利用計算機(jī)模擬選煤廠生產(chǎn)過程，動態(tài)反映各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)質(zhì)量變化情況，確定各作業(yè)最佳工況參數(shù)。并可將有關(guān)信息反饋給生產(chǎn)控制系統(tǒng)，用于指導(dǎo)選煤廠生產(chǎn)。在采取有力的技術(shù)措施基礎(chǔ)上，加強(qiáng)監(jiān)管，不能發(fā)生先污染后治理的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)采取下列措施：① 嚴(yán)格審核即將投入電力電子設(shè)備的諧波水平，應(yīng)滿足設(shè)備技術(shù)規(guī)范，假如設(shè)備的諧波水平超過國家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，嚴(yán)禁采購并投入使用；② 對已經(jīng)投入運(yùn)行的設(shè)備采取相應(yīng)的技術(shù)措施，盡可能地減少其產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)系統(tǒng)。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代社會生活環(huán)境污染問題的加劇，煤炭洗選對于環(huán)境的保護(hù)具有越來越重要的意義。在煤炭洗選過程中，選煤廠電網(wǎng)系統(tǒng)所受的諧波污染問題應(yīng)該受到重視。在治理諧波污染時，應(yīng)將管理措施和技術(shù)措施結(jié)合起來，從而達(dá)到全面治理的目的，減少投資，做到可持續(xù)發(fā)展。

〔1〕閆小國，孫衛(wèi)東，王 俊 .在有諧波背景的供電系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)奶接憽睯〕.煤炭工程，2004，（8）：13－15.

〔2〕仵自連，曹 翾 .電力電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波的分析探討〔J〕.煤炭工程，2006，（8）：62－64.

〔3〕李玉峰 .選煤廠電網(wǎng)諧波抑制措施的研究〔J〕.煤礦現(xiàn)代化，2007，（3）：20－21.

〔4〕郜海根 .選煤廠電氣干擾分析及處理〔J〕.煤炭工程，2009，（3）：44－45.