變頻器運用對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的影響及干擾

羅正時++郭鳳岐++路鵬

摘 要：該文簡單介紹了變頻器的工作原理。詳細(xì)介紹了變頻器運行時對安全監(jiān)控系統(tǒng)的影響及干擾源產(chǎn)生的原因，以及高次諧波的危害，并提出了消除和抑制干擾源的解決辦法，并在實際運行中得到了驗證。

關(guān)鍵詞：變頻器 監(jiān)控系統(tǒng) 干擾源 諧波危害 抑制干擾

中圖分類號：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（c）-0035-03

Effect and Interference of Frequency Converter Drive on the Safety Monitoring System of Coal Mine

Luo Zhengshi Guo Fengqi Lu Peng

（Tiefa energy limited liability company， Diaobingshan Liaoning， 112700， China）

Abstract：This article simply introduces the working principle of the inverter. Inverter running on the safety monitoring system is introduced and the influence of the causes of interference sources， As well as the harm of high harmonics， And proposed the elimination and suppress interference sources in the solution， And verified in the actual operation.

Key Words：Frequency converter； Monitor and control system； Interference sources； Harmonic wave； Barrage jamming

隨著變頻器件的日益成熟，變頻開關(guān)的使用逐漸增多，井下的絞車和局部通風(fēng)機、地面主通風(fēng)機和瓦斯抽采泵都使用了變頻裝置，由于井下的空間狹小且供電系統(tǒng)集中，掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機變頻器和安全監(jiān)控系統(tǒng)分站都在一個配電點，變頻器所在位置有監(jiān)控系統(tǒng)分站及通訊電纜，當(dāng)變頻器運行時，會有一定的影響。

曉南礦使用的是KJ2000N安全監(jiān)控系統(tǒng)，該礦掘進(jìn)工作面使用了變頻器，變頻器變頻時，該掘進(jìn)工作面的甲烷傳感器會偶爾會出現(xiàn)高值以及誤斷電等現(xiàn)象，影響了工作面的正常做業(yè)，得到了領(lǐng)導(dǎo)的重視。

1 影響安全監(jiān)控系統(tǒng)不穩(wěn)定原因分析

曉南礦井下南翼東1415運順掘進(jìn)工作面安裝一臺變頻無極繩絞車，當(dāng)絞車開動時，工作面甲烷傳感器出現(xiàn)高值，造成掘進(jìn)工作面斷電，同時絞車電源也取至工作面動力電源，導(dǎo)致絞車斷電，極易發(fā)生跑車及其他安全事故，對井下的安全管理造成了很大隱患（見圖1）。

鐵煤集團(tuán)各礦井近年來安裝了很多礦用變頻設(shè)備，變頻設(shè)備安裝運行后，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)瓦斯傳感器頻繁高值等異?，F(xiàn)象，從地面監(jiān)控中心站調(diào)取甲烷曲線觀察，當(dāng)井下變頻設(shè)備開啟電源時，原來比較純凈的甲烷曲線變成了毛刺型不規(guī)則曲線并且其甲烷濃度升高0.25%，可以斷定安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸異常是由井下變頻設(shè)備運行所致。

在工業(yè)中所使用的大部分電機均為感應(yīng)式交流電機，感應(yīng)式交流電機的旋轉(zhuǎn)速度取決于電機的極數(shù)和電源頻率，電機的極數(shù)是固定不變的，極數(shù)為2的倍數(shù)，如2、4、6等，所以一般不適合通過改變該值來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。但是，頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的轉(zhuǎn)速就可以被自由控制。因此，調(diào)整電動機供電電源的頻率就可以控制交流電動機的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速是交流電動機調(diào)速的優(yōu)選技術(shù)。

n=60 （1）

式中，n為轉(zhuǎn)數(shù)；f為電源頻率，Hz；p為電動機的極數(shù)。

變頻主要是通過控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出頻率連續(xù)可調(diào)，再根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率之間的比例關(guān)系最終可以實現(xiàn)調(diào)整電源輸入功率，達(dá)到節(jié)約電能的目的，電路原理主要包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器，把三相交流電源整流，變成直流，然后通過CPU控制PWM逆變器，把直流電壓轉(zhuǎn)變成電壓幅值、頻率均可以調(diào)整的交流電，其中頻率、電流、電壓檢測的信號再送給CPU，經(jīng)過各種信號的反饋，由中央控制器實現(xiàn)變頻器內(nèi)部的自動控制，并調(diào)節(jié)輸出電壓幅值和頻率之后輸送到負(fù)荷側(cè)。由于脈沖調(diào)制形式使得變頻器運行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對附近的電源和通訊設(shè)備會產(chǎn)生干擾[1-3]，變頻器示意圖見圖2。

2 干擾源分析

變頻調(diào)速可以自由調(diào)整轉(zhuǎn)速，節(jié)約電能，在各礦得到了廣泛使用，但是也遇到了一些問題，變頻系統(tǒng)對附近的安全監(jiān)控系統(tǒng)存在著干擾現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)誤報警，最明顯的是：當(dāng)井下變頻絞車運行時，附近的甲烷傳感器多次出現(xiàn)瞬間報警的現(xiàn)象，瓦檢員檢查該地點的瓦斯?jié)舛葏s很低，當(dāng)變頻絞車停止運行甲烷傳感器又恢復(fù)正常。經(jīng)過查找原因，傳感器瞬間誤報警是因為交流變頻器工作時產(chǎn)生的高次諧波干擾附近的監(jiān)測系統(tǒng)，同時井下變頻局部通風(fēng)機的大量使用也干擾了安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)井下電纜傳輸部分大致分為兩部分：一是傳感器至分站，另一個是分站至光纖交換機，光纖傳輸部分不會受到干擾，傳感器至分站是200～1 000 Hz頻率信號，分站至交換機是CAN總線；曉南礦使用的是KJ2000N安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作面?zhèn)鞲衅髦溜L(fēng)機配電點的分站信號傳輸方式是200～1 000 Hz頻率信號，而頻率信號容易受到干擾，另外干擾源也會從安全監(jiān)控系統(tǒng)的分站電源部分竄入[4-5]。

2.1 干擾原理

電磁干擾的路徑分電源干擾（干擾電流通過電源竄入）、感應(yīng)耦合（通過信號通道竄入）、電磁輻射（通過電磁波輻射竄入），變頻也就是通過這3種路徑干擾了安全監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸。

對于任意一復(fù)合周期振動函數(shù)按傅氏級數(shù)分解：第一項稱均值或直流分量，第二項為基波或基本振動，第三項稱二次諧波，依次類推把二次諧波以后的統(tǒng)稱為高次諧波，如圖3所示。

2.2 高次諧波的危害

變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對其他設(shè)備干擾性較強，其干擾路徑與一般電磁干擾路徑是一致的。首先，對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；其次，產(chǎn)生電磁噪聲并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備；最后，變頻器對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)，感應(yīng)出干擾電壓或電流。

諧波對公用電網(wǎng)和其他電子設(shè)備的危害大致有以下幾個方面。（1）使同母線電網(wǎng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低設(shè)備的效率，使變壓器等設(shè)備局部過熱，絕緣老化、壽命縮短。（2）引起公共電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴(yán)重事故。（3）導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，會使測量儀表不準(zhǔn)確。（4）對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，嚴(yán)重時導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作[6]。

3 解決方案

為防止干擾，可從安全監(jiān)控系統(tǒng)和變頻器兩個方面入手。安全監(jiān)控系統(tǒng)防止干擾的原則就是要消除或抑制干擾源，切斷干擾的耦合通道或降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性。變頻器也可以通過上述方法進(jìn)行減少和削弱干擾源的發(fā)出。因此，可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等措施，將干擾抑制在系統(tǒng)可以承受或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)解決方法

（1）主通訊電纜更換采用屏蔽雙絞線電纜，干擾源附近兩端嚴(yán)格接地，同時采用動力電纜、控制電纜以及信號電纜分開走線，主通訊電纜遠(yuǎn)離變頻器電纜，在有限的空間內(nèi)保持一定間隔，盡量增大干擾源與受擾電路間的距離。

（2）監(jiān)控分站供電電源與變頻器電源分開不在同一供電回路內(nèi)，分站盡可能遠(yuǎn)離變頻器，分站嚴(yán)格接地。

（3）部分經(jīng)過變頻器的傳感器電纜更換屏蔽電纜并單獨占用走線槽，遠(yuǎn)離變頻器供電電纜線路。

3.2 變頻裝置的解決方法

治理諧波的方法主要有兩種方法：無源濾波裝置和有源濾波裝置。它們可以和無功補償柜結(jié)合起來使用，也可以相互之間結(jié)合起來使用。所以治理諧波是按負(fù)載實際情況，考慮經(jīng)濟實惠，采取靈活的配置方法來治理諧波。

（1）無源濾波，由電容器、電抗器和電阻器配合組成，與諧波源并聯(lián)，對某次特定頻率的諧波起到吸收和濾除作用，還可以做無功補償，屬于被動型的諧波治理裝置。

（2）有源濾波，用于動態(tài)抑制諧波，可以補償無功的電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功進(jìn)行補償，克服了無源濾波抑制方法的缺點，是一種主動型的控制裝置。

以上兩種方法需要生產(chǎn)廠家研發(fā)生產(chǎn)，對于使用者而言是無法做到的，隨著科技的發(fā)展各種變頻器裝置也越來越完善，所以我們做了以下幾點工作，盡量降低變頻器的影響。

（1）變頻器與安全監(jiān)控設(shè)備的接地分開。（2）更換變頻器供電電纜，采用屏蔽電纜，同時采用線纜分開，變頻器供電電纜盡量單獨布置。（3）采用變壓器隔離，采用單獨隔離變壓器作為變頻器供電電源與其他設(shè)備隔離[7-8]。采取上述措施之后，該礦的井下變頻器仍同以前一樣頻繁運行，但監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定基本沒有出現(xiàn)非正常高值現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)非正常高值導(dǎo)致的誤斷電動作，系統(tǒng)基本沒有再出現(xiàn)過干擾，安全監(jiān)控系統(tǒng)運行良好。

4 結(jié)語

通過對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)不穩(wěn)定影響因素，闡述了變頻器運行時對安全監(jiān)控系統(tǒng)的影響及干擾源產(chǎn)生的原因，并論述了高次諧波的危害，提出了消除和抑制干擾源的相應(yīng)解決辦法。通過在實際礦井中運行表明：監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，基本沒有出現(xiàn)非正常高值現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)非正常高值導(dǎo)致的誤斷電動作，系統(tǒng)也基本沒有再出現(xiàn)過干擾，安全監(jiān)控系統(tǒng)運行良好。

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