煤矿供配电系统中谐波的分布及治理研究

煤矿供配电系统中谐波的分布及治理研究

于铄航

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省常州市 213015

摘要：供电质量由系统电压、频率和可靠性决定。影响系统电压的主要因素有电压偏差、电压波动和闪边、高次谐波和三相不对称。而谐波问题一直是电力质量的主要问题。高次谐波的产生是指非线性电力设备接入电网并投入运行，使电网电压、电流波形发生不同程度的畸变，偏离正弦波。除了电力系统本身的背景谐波外，高次谐波主要是由用户侧的大功率变流器、电弧炉等非线性电气设备引起的。高次谐波的存在会导致供电系统能耗增加，加速电气设备绝缘老化，干扰自动化设备和通信设施的正常运行。与煤矿自动化程度的提高和节能的需要,非线性电力电子设备被广泛使用,已造成了严重的谐波污染，在煤矿供电和配电系统,引起继电保护和自动控制设备供电系统中的错误行为,监控系统异常操作,电气设备损坏引起的谐波过电压由谐波引起的。谐波处理不仅可以降低功率损耗，而且可以延长设备寿命，改善电磁环境，提高产品质量。因此，煤矿企业治理谐波污染迫在眉睫。因此，煤矿企业必须重视谐波的危害，加强防治。

关键词：煤矿；供配电系统；谐波分布；治理

1、谐波的来源

发电、输电、配电是中国电网的基本组成部分。谐波可以在任何环节产生，其中最严重的是电力的使用。随着煤炭工业的快速发展，供配电谐波污染问题越来越严重，相关人员分析了其具体来源。在煤矿供配电系统中，非线性负荷电力设备是谐波的主要来源。最常见的是变压器。在运行过程中，变压器具有磁化曲线和内芯饱和的特性。奇次谐波的产生具有验证性，谐波的大小由堆芯的饱和等因素决定。煤矿电力系统的主要设备是电压互感器。此外，还有非线性负荷的电气设备，如带式输送机、电梯、风机等。电力系统可以驱动这些设备的正常稳定运行，并提供非正弦波电流和正弦波电压引起的谐波。

2、谐波分布

2.1、谐波分布

目前，变频技术已广泛应用于煤矿风机、水泵等设备中。其变频装置一般分为交-直流逆变器和交-交流逆变器。其中，交直流逆变器可通过晶闸管对50HZ工频功率进行整流。然后将其转换为直流电压信号，滤波后将开关元件转换为变频交流信号。交-交变频器将固定频率的交流电源转换成可调频率的交流电源，但转换后会产生谐波成分，造成煤矿供配电系统的谐波污染问题。

2.2、整流与逆变设备

晶闸管整流技术广泛应用于电力机车、充电装置、开关电源等领域。它利用了相移原理。它从电网中吸收半周期正弦波，将剩余的半周期正弦波留在电网中。这种半周期正弦波分解可以产生大量的谐波。统计表明，整流设备产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源。

其电路中的二极管被认为是理想的二极管，即正向阻抗接近于零，反向阻抗为无穷大。因此，电流只能向一个方向流动。从整流器的输出端可以看出，每个相位的电流波形都是矩形波，而不是正弦波。利用傅立叶级数展开矩形波形，你可以看到除了工频正弦波(50Hz的基波)，还有一系列高阶波形——谐波。应该说，电机是用变频器来调节速度的。除了在高水平上完成速度调节，它还可以节省大量的电力。厂区内的电视、音响系统不能正常工作，二次仪表如压力、流量、可编程控制器、智能控制器等必须受到干扰。谐波还会使变压器、电动机、电容器和电抗器过热。

整流和逆变器产生的谐波电压和电流:整流的作用是将交流电源转换成直流电源，而逆变器则将直流电源转换成交流电源。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域。大功率整流逆变器广泛应用于交流变频调速和交直流电机调速。这些高次谐波受到三个通道的干扰。一是通过电容耦合；二是通过高次谐波电流产生的电磁感应；第三种是通过接地回路或电力线。

2.3、换流设备

换流设备在高压直流输电系统中占有非常重要的地位。它可以增加交流电压和交流电压的相位差为12脉冲和30度的交直流，以减少交流侧的谐波电流。同时，它还可以为交流电源和直流电源提供空气隔离，并使用逆变变压器调节交流电压，使直流系统能保持最佳的运行状态。摘要非线性元件是高压直流输电的关键设备，根据其谐波原理，可以产生大量的谐波来保护换流变压器，保护设备的正常运行。

3、谐波的影响及危害

近年来，电能在煤矿生产中的应用越来越广泛，煤矿生产正逐步走向工业化和现代化。然而，由于煤矿生产环境的特殊性和复杂性，煤矿供配电系统在输配电和用电过程中可能会受到谐波的影响。煤矿供配电系统中的谐波主要来自于半导体非线性元件，如各种逆变器、风机等。这些非线性元素非线性磁化曲线的特点,在铁芯饱和操作,这将导致磁化电流夏普和含有大量的谐波,这将增加电流和电压负载和偏离线性的操作点轨道产生谐波电流。谐波电流的产生会对供电、配电系统和电气设备产生不利影响。电网元件受谐波影响后，电力消耗和输电设备的性能会大大降低，甚至会导致电网瘫痪。长时间存在会使电路升温，电缆会因过载而过热，导致绝缘层损坏，进而引起火灾事故。

4、谐波的治理与防范

4.1、变压器选择

为了有效地防止3N谐波电流和不平衡电流进入煤矿供配电系统，有关人员应正确合理地选择变压器的接线方式。在过去，变压器采用星形/星形接线方式，3N谐波电流会在中性点引起电压纹波问题。为了避免电压畸变，中性点与中性点之间应采用四线一次侧连接，但此时中性点处会产生谐波电流，容易造成电力系统的畸变问题。为了有效克服这种情况，需要增加三个三角形绕组，为3N次谐波和电源电流提供通路，防止其进入供配电系统。使用三角变压器时，供配电系统不进入3N次谐波电流和不平衡电流。星形/三角形变压器是最好的选择。

4.2、无功补偿电容器

当煤矿供配电系统存在谐波问题时，此时无功补偿不能采用通用的补偿系统，及时对电容器与供配电系统的串联谐振问题采取合理的解决方案。为避免谐波电流频率的产生，补偿电容设备应增加串联稳压电抗器。电容器是调节电容器组的主要设备。电容器在基频的影响下会产生电容，保证了功率因数的补偿。电抗器可以消除谐波放大问题，有效避免谐波污染。同时，带调谐电抗器的电容器可以吸收电网中的部分谐波，并根据矿井供配电系统的谐波含量选择特定的电抗率。当系统谐波主要为3倍时，14%的电抗器应串联。当系统谐波为4倍时，反应堆的容量应为7%或8%。

4.3、谐波管理实时网络化

电网谐波失真率是表征电网治理最重要的指标。为了动态、准确地掌握电网接入点的谐波变化，相关人员应该对电网进行深入的监测和诊断，为谐波管理提出更多的建议。参考。为了保证谐波的实时监测，电网公司首先应在相关区域建立在线监测网络，建立谐波在线监测系统，对谐波源用户的实际情况进行实时监测和管理。同时，应在所处变电站安装在线供电质量监测装置。为了保证数据的同时性，需要采用MIS网络系统来保证电压指标的动态统计，将电网的谐波电流内容注入用户的供电线路中，为有效管理谐波提供实时参考数据。

总之，在我国社会经济发展的过程中，煤矿企业发挥着非常重要的作用，在供配电系统中谐波的防治也成为相关部门普遍关注的问题。为了保证煤矿供配电系统能够保持正常的运行模式，相关人员应分析谐波产生的原因和危害，采取更有针对性的措施，更好地促进电力系统的安全稳定运行。促进中国煤矿企业的可持续发展。

作者简介：于铄航（1986—），男，汉族，黑龙江省大庆市，工程师，研究生，天地（常州）自动化股份有限公司，煤矿供配电与嵌入式开发。

参考文献：

[1]任浩鹏,施文俊,戴新月.煤矿供配电系统的谐波危害及防治对策分析[J].科技与创新,2016(02):154.

[2]范红娟,王利民.煤矿供配电系统中谐波的分布及治理对策研究[J].山东工业技术,2013(12):94+97.

[3]孟涛.对煤矿供配电系统谐波危害及治理的几点思考[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2013(09):248.