煤礦地面供電系統(tǒng)諧波治理的方法研究

張建茹

摘 要：在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，電力企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，供電系統(tǒng)在社會(huì)各行業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛，將供電系統(tǒng)具體應(yīng)用在煤礦區(qū)過(guò)程中，產(chǎn)生一定的諧波問(wèn)題，造成煤礦區(qū)嚴(yán)重的電網(wǎng)污染問(wèn)題，加強(qiáng)煤礦地面供電系統(tǒng)的諧波治理，成為當(dāng)前重要的研究課題?；诖?，本文簡(jiǎn)析了供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原理，以及諧波的重要性，并具體分析治理煤礦供電系統(tǒng)諧波的措施，確保提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：煤礦區(qū);供電系統(tǒng);諧波;治理方法

中圖分類號(hào)：TD61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0176-02

0引言

煤礦行業(yè)迅猛發(fā)展，需要各項(xiàng)現(xiàn)代化信息技術(shù)的支撐，同時(shí)，各類電子裝置的使用范圍更廣。在信息技術(shù)的支撐下，煤礦區(qū)信息化程度有待于進(jìn)一步提升，進(jìn)而減少供電裝置的故障問(wèn)題，提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。因此，相關(guān)煤礦區(qū)必須加強(qiáng)對(duì)供電系統(tǒng)諧波的危害性進(jìn)行深入研究，確保煤礦區(qū)供電質(zhì)量得到保證，從而保障煤礦區(qū)各類機(jī)電設(shè)備、裝置的安全性。

1供電系統(tǒng)諧波原理及其危害性

1.1原理

一般供電系統(tǒng)，電能質(zhì)量的判定，包括頻率偏差、電壓偏差、電塔波動(dòng)與閃變、三相不平衡、諧波含量等。其中，諧波直接關(guān)系到電能質(zhì)量，諧波在周期內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，頻率一般是基波頻率的整數(shù)倍，供電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的原因，通常與非線性負(fù)荷有關(guān)，在電流通過(guò)時(shí)，若電流形式與電壓之間未呈現(xiàn)線性關(guān)系，則會(huì)產(chǎn)生諧波。因此，治理供電系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，能夠有效改善供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升供電質(zhì)量。

1.2危害性

供電系統(tǒng)中的諧波，在一定程度上加大了電動(dòng)機(jī)、變壓器的電阻，加劇了能量的消耗，溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，供電系統(tǒng)將嚴(yán)重受損，相關(guān)設(shè)備極易老化，運(yùn)行周期也將大大縮短。諧波的運(yùn)動(dòng)頻率較快，其中任何一個(gè)諧波電壓，產(chǎn)生振動(dòng)均會(huì)對(duì)電容器造成影響，甚至是爆炸，后果不堪設(shè)想。在諧波的影響下，繼電保護(hù)器，運(yùn)行動(dòng)作可能改變，供電設(shè)備、儀表裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性得不到保障。同時(shí)，供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生，直接影響系統(tǒng)本身的運(yùn)行方式，可能導(dǎo)致通訊系統(tǒng)發(fā)生電磁耦合問(wèn)題，進(jìn)而影響到系統(tǒng)通訊線路的穩(wěn)定性。諧波在煤礦供電系統(tǒng)中的危害包括：

1.2.1危害電力電纜

礦區(qū)供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的電纜，將會(huì)釋放大量的諧波電流，嚴(yán)重影響供電區(qū)電壓的峰值，諧波頻率產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)將會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)電壓的穩(wěn)定性，甚至損壞電纜線路，由于煤礦區(qū)的性質(zhì)非常特殊，包含了大量的爆塵、瓦斯，危險(xiǎn)系數(shù)較大，諧波的產(chǎn)生直接威脅到煤礦區(qū)的正常供電、用電，影響礦區(qū)的正常工作、生產(chǎn)，安全性得不到保障。

1.2.2對(duì)電機(jī)的危害較大

供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生時(shí)，具有高頻率特點(diǎn)，大量的諧波電流存在于系統(tǒng)裝置回路中，對(duì)供電系統(tǒng)的損害性較大，尤其交流電機(jī)遭受諧波電流的侵襲，電機(jī)的軸承會(huì)嚴(yán)重受損，在諧波電流較大的情況下，直接燒壞電機(jī)，影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行使用。

1.2.3繼電保護(hù)動(dòng)作錯(cuò)誤

煤礦區(qū)供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波時(shí)，諧波電流可能持續(xù)增大，影響到系統(tǒng)的整個(gè)歸路，導(dǎo)致斷路器的診斷產(chǎn)生閉合現(xiàn)象，大大降低了斷路器開(kāi)閉效果，一定程度上影響供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)動(dòng)作判斷，甚至造成惡性循環(huán)的效果，進(jìn)而影響整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2.4對(duì)變壓器的危害

煤礦生產(chǎn)中，供配電系統(tǒng)的諧波，對(duì)電力設(shè)備的損壞率呈上升趨勢(shì)，對(duì)供電系統(tǒng)的危害性極大，在運(yùn)行過(guò)程中，容易導(dǎo)致變壓器鐵芯的諧波振動(dòng)，從而產(chǎn)生更大的噪音，產(chǎn)生的影響十分惡劣，造成變壓器壽命縮短，對(duì)煤礦地面生產(chǎn)的影響巨大。

1.2.5危害通信信號(hào)

煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，廣泛應(yīng)用供電設(shè)備，對(duì)設(shè)備使用的自動(dòng)化程度較高，供電系統(tǒng)一旦產(chǎn)生諧波，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，加劇系統(tǒng)的故障范圍，容易影響電能計(jì)量?jī)x表的誤差，影響煤礦地面正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2治理煤礦地面供電系統(tǒng)諧波的有效對(duì)策

2.1煤礦供電系統(tǒng)出現(xiàn)諧波的原因

電力系統(tǒng)在煤礦現(xiàn)場(chǎng)用電過(guò)程中，系統(tǒng)裝置、非電力荷載元件均容易產(chǎn)生諧波，包括重要的機(jī)電元件，如主排水泵、提升機(jī)、直升機(jī)等，電力系統(tǒng)出現(xiàn)任何一種故障，均會(huì)影響煤礦地面的整體生產(chǎn)情況，干擾各設(shè)備信號(hào)，影響煤礦地面的正常工作。

2.2治理供電系統(tǒng)諧波的途徑

2.2.1受端治理

為更好保障煤礦地面供電的穩(wěn)定性，必須采取及時(shí)有效的措施進(jìn)行治理，合理選擇供電方式，選擇大容量的供電點(diǎn)，為諧波供電，避免電容器進(jìn)一步放大諧波的電流范圍。此種方法的原理，采取的是抑制措施，通過(guò)增加串聯(lián)的方式，最大化提高諧波的抗干擾能力，并將電力系統(tǒng)設(shè)備控制在一定的環(huán)境中，更好改善諧波的性能，或者增加靈敏的諧波保護(hù)裝置，均可以提升諧波的治理效果。

2.2.2主動(dòng)治理

主動(dòng)治理，采取的是增加電流裝置的相數(shù)，采用多重技術(shù)，增加脈波數(shù)，通過(guò)電流疊加的方式，降低諧波，甚至消除諧波的頻率，將諧波的頻率范圍控制在最小范圍內(nèi)[1]。有研究顯示，部分煤礦企業(yè)，通過(guò)改變諧波源配置、工作方式等，緩解諧波電流帶來(lái)的危害，或者采用集中諧波互補(bǔ)性裝置，將諧波電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆稚?，通過(guò)限制諧波電流值，改變諧波的工作方式，同時(shí)，在安裝供電系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行合理化的設(shè)置，并采用脈寬技術(shù)，降低諧波電流的幅值，具體情況下，需要結(jié)合煤礦區(qū)工作實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3被動(dòng)治理

被動(dòng)治理主要采用的是無(wú)源濾波器PE，利用其功能優(yōu)勢(shì)，吸收諧波電流，同時(shí)可以實(shí)施無(wú)功率補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ嵘龑?duì)系統(tǒng)的維護(hù)力度，煤礦區(qū)采用的常見(jiàn)方法為APE，通過(guò)補(bǔ)償、隔離諧波，降低諧波對(duì)供電系統(tǒng)的危害性，在諧波頻率振動(dòng)較快的情況下，可以采用混合式的濾波器，減弱諧波電流，充分發(fā)揮被動(dòng)治理方法的優(yōu)勢(shì)性，其中，無(wú)源濾波的工作原理，是將多條單調(diào)諧波支路進(jìn)行頻率調(diào)整，并把支路中的諧波頻率的總抗阻控制在零左右，從而更好地凸顯諧波的治理效果。

2.2.4合理選擇電力電纜

煤礦企業(yè)在電力電纜的選擇上，要充分考慮電纜截面材料的使用性能，考慮電纜發(fā)熱情況，根據(jù)電纜的載流量，具體分析電纜截面的級(jí)別，并在中性線截面中保留足夠的空間，減少諧波電流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，進(jìn)而保證中性線的發(fā)熱情況，得到有效的緩解，在電纜材料的選擇上，要安排專人進(jìn)行材料審核，從源頭上保證電纜質(zhì)量，促進(jìn)供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2.5變壓器的選擇

煤礦開(kāi)采企業(yè)的供電系統(tǒng)中主要需要依托變壓器，在選擇變壓器過(guò)程中，要根據(jù)線路電壓的額定載容量合理選擇變壓器，從而緩解諧波電流振動(dòng)帶來(lái)的發(fā)熱問(wèn)題。同時(shí)，相關(guān)人員要充分考慮接線問(wèn)題，合理選擇變壓器的接線方式，并不斷強(qiáng)化相關(guān)人員對(duì)諧波的危害性認(rèn)識(shí)，從源頭上將諧波危害的萌芽，扼殺在搖籃中。

2.2.6安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置

安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠有效緩解設(shè)備的使用性能，通過(guò)加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，避免諧波電流頻繁產(chǎn)生，減少電容器裝置串聯(lián)振動(dòng)的現(xiàn)象。

2.3礦區(qū)供電系統(tǒng)諧波治理的具體治理案例分析

煤礦區(qū)的供電系統(tǒng)諧波總含量，需要進(jìn)行具體的預(yù)測(cè)分析，某礦區(qū)地面供電線路為35kV，相關(guān)人員經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)35kV線路中的電壓諧波，超標(biāo)嚴(yán)重，亟需進(jìn)行治理，并在研究分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)諧波頻率振動(dòng)不斷增大，經(jīng)過(guò)研究分析后，煤礦區(qū)制定了詳細(xì)的諧波治理方案，并嚴(yán)格要求相關(guān)人員，具體將方案進(jìn)行落實(shí)[2]。方案內(nèi)容包括，在有源濾波器中，加基波串聯(lián)支路，從根本上降低濾波器的容量，通過(guò)將諧波電流進(jìn)行分散，提供較大的無(wú)功率補(bǔ)償，進(jìn)而提升諧波的治理效果，為更好提升諧波治理效果，可以具體結(jié)合35kV線路電壓的特點(diǎn)，構(gòu)建完善的治理系統(tǒng)，提升對(duì)諧波的治理效果。

在研究中發(fā)現(xiàn)，35kV電網(wǎng)中，第5次、6次諧波含量較高，通過(guò)對(duì)第5次、6次諧波的頻率進(jìn)行調(diào)整，不斷加大功率的補(bǔ)償需求，更好提升對(duì)諧波的治理效果，通過(guò)有源部分的耦合變壓器與基波進(jìn)行串聯(lián)，更好緩解諧波電流的抗阻，提升供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，最大化提升煤礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4煤礦地面供電系統(tǒng)諧波仿真模型試驗(yàn)分析

為治理好煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)諧波問(wèn)題，相關(guān)研究人員進(jìn)行諧波電流仿真模擬試驗(yàn)，對(duì)精細(xì)化展開(kāi)分析研究，確保更好提升對(duì)諧波的治理效果。由于供電系統(tǒng)諧波電流直接關(guān)系到煤礦區(qū)作業(yè)的安全性，加強(qiáng)地面供電系統(tǒng)諧波的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究學(xué)者紛紛運(yùn)用多元的探討方法進(jìn)行諧波研究，為相關(guān)煤礦企業(yè)提供有價(jià)值的參考意見(jiàn)。

2.4.1煤礦供電系統(tǒng)內(nèi)諧波模型研究

煤礦企業(yè)中的供電系統(tǒng)的諧波，包括兩種裝置，如整流裝置、變頻裝置，設(shè)計(jì)的技術(shù)種類較多，如單極性變頻、多電平變頻等，在礦區(qū)使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的諧波量，影響供電系統(tǒng)的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)情況，其中整流裝置，在使用過(guò)程中，產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)反復(fù)開(kāi)閘、關(guān)閘，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至直接阻斷系統(tǒng)運(yùn)行。研究人員，通過(guò)構(gòu)建諧波電流仿真模型，進(jìn)一步分析諧波性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變頻裝置保持不變的狀態(tài)下，改變載波，不會(huì)影響諧波電流的畸變，與諧波電流相吻合;當(dāng)二極管導(dǎo)通角逐漸變化時(shí)，諧波電流會(huì)隨著角度的變大，逐漸減小，并呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，二極管導(dǎo)通角，作為不可測(cè)的變量，對(duì)諧波電流，具有明顯的影響，需要相關(guān)人員進(jìn)一步的研究分析[3]。通過(guò)仿真模型的構(gòu)建，便于研究人員更好地制定諧波的治理方案，并提出一些建設(shè)性意見(jiàn)，確保最終有效解決諧波問(wèn)題，促進(jìn)供電系統(tǒng)更好地滿足礦區(qū)作業(yè)要求。

2.4.2供電系統(tǒng)諧波密度分析

研究人員在進(jìn)行具體操作過(guò)程中，需要一切按照《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，開(kāi)展探究活動(dòng)，并將諧波概率密度控制在合理的范圍內(nèi)，減少計(jì)算上的偏差，并對(duì)具體得出的結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，促使煤礦地面諧波值，符合施工作業(yè)要求。在具體計(jì)算過(guò)程中，研究人員采取的是函數(shù)計(jì)算方法，并通過(guò)各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，具體分析故障產(chǎn)生的原因，更好為仿真模型的構(gòu)建，提供可靠的依據(jù)明確試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性[4]。由于煤礦的開(kāi)采頻率，不斷增加，開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大，增加了煤礦開(kāi)采企業(yè)難度，各項(xiàng)供電設(shè)備、設(shè)施隨之增加，諧波的密度值變化規(guī)律更加明顯。煤礦企業(yè)，需要不斷提升礦區(qū)各項(xiàng)信息化技術(shù)，提升數(shù)字化水平，為治理供電系統(tǒng)諧波問(wèn)題夯實(shí)基礎(chǔ)。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新時(shí)代發(fā)展下，電能質(zhì)量問(wèn)題是社會(huì)各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，在煤礦企業(yè)中，為更好提升供電的穩(wěn)定性、合理性，必須加快采取對(duì)諧波治理的措施，從多方面控制諧波產(chǎn)生的電流量，從而更好保護(hù)供電系統(tǒng)，促進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不斷提升煤礦企業(yè)開(kāi)采效率，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提升煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)，推動(dòng)煤礦企業(yè)健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，為相關(guān)企業(yè)樹(shù)立榜樣。

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