煤礦提升機(jī)供電系統(tǒng)諧波治理設(shè)計(jì)及應(yīng)用

＊鄯振華

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司 山西 045000）

煤礦供電系統(tǒng)質(zhì)量已經(jīng)成為煤礦供電領(lǐng)域最為重視的課題之一，供電質(zhì)量包括諸多方面，既包括電壓和頻率合格率，又包括峰值以及停電時(shí)間，同時(shí)還包括電網(wǎng)諧波含有量。本文主要從設(shè)備安裝調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大量諧波，提升機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，進(jìn)而判斷電壓諧波，通過(guò)消諧仿真測(cè)試，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用，達(dá)到消除諧波，提升機(jī)正常運(yùn)行。

1.某煤礦立井提升機(jī)前期調(diào)試情況說(shuō)明

（1）供電現(xiàn)狀。某煤礦臨時(shí)10kV供電線路雙回路分別來(lái)自某110kV變電站和某35kV變電站，110kV變電站為主供線路，10kV出線經(jīng)7.6km架空線路輸電至該煤礦10kV臨時(shí)配電室，主立井提升機(jī)供電電源取自該煤礦10kV臨時(shí)配電室。

（2）第一聯(lián)調(diào)情況。主立井提升機(jī)變頻器進(jìn)行第一次調(diào)試，ARU整流二極管模式調(diào)試正常，具備變頻器ARU整流矢量模式調(diào)試條件。第二日，開(kāi)始對(duì)變頻器ARU整流矢量模式調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁風(fēng)機(jī)異常，同時(shí)井上下多處（風(fēng)機(jī)房、鍋爐房、綜掘機(jī)、風(fēng)機(jī)變頻等）用電設(shè)備因過(guò)壓發(fā)生跳閘，部分模塊、儀表等設(shè)備損壞，經(jīng)測(cè)低壓電源380V電壓被拉高至416V，220V電壓被拉高至280V。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)幾次上電試驗(yàn)后，此故障持續(xù)存在，無(wú)法繼續(xù)調(diào)試。

分析認(rèn)為：該煤礦臨時(shí)供電線路供電距離遠(yuǎn)，電網(wǎng)質(zhì)量較差，變頻器運(yùn)行后，致使電網(wǎng)產(chǎn)生諧振，低壓供電電壓升高，造成低壓用電設(shè)備的損壞。

針對(duì)此問(wèn)題第一時(shí)間對(duì)目前電網(wǎng)進(jìn)行24h監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)后結(jié)論為：測(cè)量值7.77%，國(guó)標(biāo)限值4.0%，電壓總諧波畸變率超標(biāo)約2倍。

（3）第二次聯(lián)調(diào)情況。煤礦單位邀請(qǐng)相關(guān)專家對(duì)主立井提升機(jī)會(huì)診后，分析認(rèn)為加裝動(dòng)態(tài)SVG諧波治理裝置對(duì)變頻器諧振情況會(huì)有所改善。組織對(duì)主立井提升機(jī)變頻器進(jìn)行第二次調(diào)試，變頻器ARU整流矢量模式調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)監(jiān)測(cè)低壓電源220V電壓仍會(huì)升高至280V，未能解決變頻器投運(yùn)后電網(wǎng)諧振問(wèn)題。

（4）第三次聯(lián)調(diào)情況。①調(diào)試前措施：A.全礦供電系統(tǒng)采取分列運(yùn)行方式，上級(jí)35kV變電站負(fù)擔(dān)主通風(fēng)、瓦斯機(jī)及井下具備通風(fēng)機(jī)負(fù)荷，上級(jí)110kV站負(fù)責(zé)主立井及其他負(fù)荷。B.更換原2Mvar動(dòng)態(tài)SVG諧波治理裝置為10Mvar動(dòng)態(tài)SVG諧波治理裝置。C.完成主供電源線路增容工程，增設(shè)一臺(tái)12500kVA調(diào)壓變壓器。

②調(diào)試過(guò)程：主立井提升機(jī)變頻器開(kāi)始上電調(diào)試，變頻器廠家利用變頻器自帶電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)程序?qū)ΜF(xiàn)有電網(wǎng)和啟動(dòng)變頻器兩種狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，研究后決定將10Mvar動(dòng)態(tài)SVG諧波治理裝置改為調(diào)壓模式投運(yùn)；調(diào)壓變壓器電壓調(diào)整電壓至10.2kV后，變頻器進(jìn)行上電再次調(diào)試。本次上電后變頻器ARU整流矢量模式下運(yùn)行正常，具備調(diào)試條件。

（5）通過(guò)三次調(diào)試反映出的電網(wǎng)質(zhì)量、出線問(wèn)題、調(diào)試狀態(tài)，如表1所示。通過(guò)三次調(diào)試情況對(duì)比分析如下：

表1 三次調(diào)試對(duì)比情況

①造成低壓電源升高的根本性原因是由于電網(wǎng)質(zhì)量差，在變頻器運(yùn)行過(guò)程中造成諧振，致使低壓電壓升高。

②調(diào)壓變壓器對(duì)阻隔電網(wǎng)諧波有一定作用，但由于調(diào)壓變壓器反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)造成與變頻器電壓需求不匹配，需調(diào)整到手動(dòng)檔位，人員實(shí)時(shí)調(diào)整電壓，并且保持SVG不能跳閘。

③動(dòng)態(tài)SVG諧波治理裝置對(duì)諧波具有抑制作用，但需根據(jù)容量相匹配，否則抑制諧波的同時(shí)也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。

為保證主立井提升機(jī)調(diào)試和后續(xù)運(yùn)行正常，需繼續(xù)收集完善前期矢量調(diào)試和后期帶載調(diào)試中的相關(guān)數(shù)據(jù)和波形曲線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，及增加相匹配的電抗器來(lái)為后期運(yùn)行提供保障。

2.諧波治理設(shè)計(jì)方案

（1）項(xiàng)目概述。某煤礦10kV配電系統(tǒng)主變12500kVA，整流變壓器容量7000kVA，回路最大基波電流為447A，變壓器短路阻抗為14.4%；上級(jí)電網(wǎng)短路容量為估值300MVA。10kV配電系統(tǒng)電機(jī)測(cè)試，四象限變頻器帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。配置見(jiàn)圖1：當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，10kV側(cè)電網(wǎng)中含有大量的23次等諧波，致使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

圖1 系統(tǒng)一次接線圖

（2）電能質(zhì)量現(xiàn)狀分析。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況。通過(guò)測(cè)量電壓波形有很多毛刺，這是說(shuō)明有高次電壓諧波。高次諧波主要是23次、37次、41次、49次。通過(guò)HMXB測(cè)試儀測(cè)量的數(shù)據(jù)看出測(cè)量點(diǎn)的總畸變率為7.32%。

（3）設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，總電壓諧波含有率為7%以上，通過(guò)濾波裝置的投入，使諧波降到國(guó)標(biāo)T14593的范圍之內(nèi)，即：23次諧波的含有率在2.1%、49次 1.55%以內(nèi)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（4）方案設(shè)計(jì)。①工況分析：由于變頻器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，輸出是以電壓形式并入電網(wǎng)，故諧波是電壓諧波。所有的諧波電流是諧波電壓通過(guò)系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生的。所以，治理該諧波需按照治理電壓源型諧波治理。②設(shè)計(jì)方案：采用LCL電路，串入變壓一次側(cè)，如圖2所示。

圖2 加入濾波電路后的一次圖

設(shè)計(jì)考慮：A.滿負(fù)荷時(shí)的L1和L2產(chǎn)生的壓降不能對(duì)變頻器有影響。B.諧波的濾除達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。C.對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生諧波放大或諧振。

③設(shè)計(jì)參數(shù)。電抗器L1：三相，2.2mH/630A，一只；電抗器L2：三相，2.8mH/355A，一只；電容器C：?jiǎn)蜗啵?6uf/7.2kV，六只。

④仿真試驗(yàn)。PSIM是專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的一款仿真軟件。仿真的目的是輔助設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的預(yù)判。該仿真是根據(jù)提供的系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)以及濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)在各次諧波下的電壓電流計(jì)算。最終以圖表形式輸出結(jié)果。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)經(jīng)過(guò)多次的設(shè)計(jì)、仿真、再設(shè)計(jì)、再仿真這樣的過(guò)程，最終達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化。

基于PSIM的仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)了如圖2所示的LCL電路圖，根據(jù)該煤礦的實(shí)際情況，仿真參數(shù)：系統(tǒng)短路容量計(jì)算為100MVA，23次、29次、49次電壓諧波源為基波的7.8%（與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)一致）。變壓器二次側(cè)阻抗等效到一次側(cè)的阻抗為6mH。系統(tǒng)阻抗2.2mH。電抗器L1取2.2mH，L2取2.8mH，電容器C取26uf。

A.諧波治理前的仿真。圖3（a）為濾波裝置投入前的電路。圖3（b）10kV側(cè)電壓波形。其中相電壓總畸變率為7.77%，23次諧波含有率為3.1%，49次3.2%與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基本一致。

圖3 初始電路及仿真電壓波形

B.諧波治理后的仿真。加入濾波裝置后電路及10kV側(cè)電壓波形如圖4所示。10kV母線側(cè)相電壓總畸變率為2.38%，23次諧波含有率為1.67%，49次1.32%。

圖4 仿真電路

（5）方案實(shí)施，所需設(shè)備材料如表2所示。

表2 材料清單

3.主立井提升機(jī)濾波裝置調(diào)試

設(shè)備安裝就位，第一次送10kV整流變電源。合閘后故障跳閘，合閘掉電連續(xù)三次之后，高壓柜無(wú)法合閘，恢復(fù)原供電模式生產(chǎn)。相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)排查原因，根據(jù)變頻器保護(hù)記錄為零序電壓高、相位閉鎖錯(cuò)誤，判斷可能電纜相序接錯(cuò)，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查發(fā)現(xiàn)L1電抗器出線A、C相不對(duì)。更換電纜相序后送高壓，濾波設(shè)備L1投入運(yùn)行，但低壓較高變頻器低壓變壓器電壓過(guò)壓，變頻器故障分閘。準(zhǔn)備接入23次濾波支路，合閘送電SVG跳閘，調(diào)試失敗。次日，第一步通過(guò)儀器檢測(cè)10kV系統(tǒng)SVG、ABB變頻器、高壓柜各點(diǎn)的諧波分量。退出SVG之后再次檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)。最終確定送電方案：變頻器啟動(dòng)期間由二極管模式轉(zhuǎn)為矢量模式投入，運(yùn)行期間投入23次濾波支路，合閘成功。主提升系統(tǒng)正常運(yùn)行，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓正常。因變頻器、濾波設(shè)備沒(méi)有實(shí)現(xiàn)保護(hù)互鎖，恢復(fù)SVG穩(wěn)壓模式生產(chǎn)狀態(tài)，連鎖變頻器、濾波器保護(hù)互鎖后合閘運(yùn)行調(diào)試完成，達(dá)到預(yù)期效果。

濾波器投入前后的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比THD畸變率：L1投入5.5%，L1、L2投入＜2%，低壓250V下降到230V。

4.結(jié)論

目前煤礦單位使用變頻器越來(lái)越普遍，變頻器主電路一般為交-直-交組成，外部輸入的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，其中高次諧波將干擾供電系統(tǒng)。變頻器輸出端產(chǎn)生的諧波將會(huì)使電網(wǎng)中繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出線誤動(dòng)作，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生大的干擾。本次調(diào)試工作，在變頻器前段串入濾波裝置，很好地抑制了高次基波，消除了對(duì)電網(wǎng)的干擾，保證煤礦提升機(jī)正常調(diào)試運(yùn)行。建議基建礦井在110kV/35kV系統(tǒng)未正式投入運(yùn)行前，臨時(shí)電源使用高壓變頻器的大動(dòng)力設(shè)備提前考慮諧波治理方案，或者選購(gòu)帶高次濾波裝置的高壓變頻器，以保證大型固定設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。