矿山电力系统谐波的危害与治理

    潘博 王健

    摘 要：随着工业生产和电力电子技术的飞速发展，硅整流设备及变频设备的应用为电力系统带来了大量的谐波污染，已成为威胁电力系统和其它用电负荷安全运行的电力公害，电力谐波影响了电能的质量和设备工作的效能，干扰导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，造成的经济损失和安全隐患不可估量，从谐波的产生及危害分析，使得我们在生产中能够有针对性地进行处理，使损失减到最低。

    关键词：谐波的危害；谐波抑制；无功补偿装置

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.087

    1 什么是谐波

    供电系统的电压工业频率是50Hz，是系统中正常工作频率。该频率电量称为基波。由于非线性器件的使用还存在数倍于基波频率的交流电量，对系统正常工作造成危害，通常称为谐波，向电网注入谐波的设备称为谐波源。谐波次数一般为2≤n≤40。谐波的存在影响了电能质量，对系统运行造成的危害和损失不可忽视。

    2 谐波的危害

    （1）谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于集肤效应和邻近效应，谐波使线路阻抗随频率增加而提高浪费电能；使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾，较大高次谐波电流延缓电弧熄灭，限制自动重合闸的动作速度，甚至导致自动重合闸失败。

    （2）谐波影响各种电气设备的正常运行。谐波会使变压器、接触器、电动机等感性负荷引起附加耗损局部过热，使电机输出转矩不足，谐波过电压威胁电机绝缘产生谐振，产生机械震动、噪声，引起较大的谐波轴电压击穿轴承油膜，缩短电机的寿命，甚至损坏电机；谐波电流使变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，使变压器噪声增大。

    （3）谐波会干扰附近的通信系统。一般是会出现噪声，降低通信质量的情况，严重的就是丢失信息，让通信系统无法正常运行，甚至可能会威胁通信设备和人员的安全。

    （4）谐波影响电力测量的准确性。电力测量仪表按50Hz标准的正旋波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响电力测量仪表的正常工作，使电能计量和电力指标测量出现较大误差，给供电部门或电力用户带来经济损失。

    （5）谐波会导致继电保护和自动装置拒动或误动作。

    （6）谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振。从而使谐波放大几倍甚至数十倍，特别是对电容器和系统电抗发生电网谐振损坏电容器。

    （7）使自然功率因数过低，电压降低。浪费电能，直接影响经济效益。

    （8）谐波还会影响电子设备工作精度。使电子设备工况变坏，寿命缩短等。

    （9）交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等。并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。

    （10）谐波会影响某些机电设备的工作性能。尤其影响无线电发射系统、雷达系统等设备的工作性能，引起噪声干扰和图像紊乱。

    3 諧波治理的重要性

    由于煤矿生产中调速性能和节能要求，供电系统普遍采用电力电子器件完成整流和变频，这样的器件产生了大量的谐波释放到电网中，使电网供电质量下降，我们必须充分认识，及时治理。

    3.1 技术规定

    电网中谐波含量与电压、频率等电能质量指标一样，是电力系统一项重要指标，国际电工委员会规定发电机实际的端电压波形在任何瞬间与基波波形之差不得大于基波幅值的一定比例，其中：380/660V不超过5%，6kV/10kV不超过4%，63kV不超过3%，110kV不超过1.5%。

    3.2 谐波抑制的直接经济效益分析

    以年产500万吨国有煤矿为例，按每年生产用电4000万度计算，谐波造成的损耗增加约为2%，每度用电0.75元人民币，这样，每年所造成的经济损失约为75万元。

    谐波造成电动机等设备每年损坏5台，所造成的经济损失约为10万元。

    谐波造成系统高压变压器或电容器、电抗器等高压供电设备每年损坏一台，所造成的经济损失约为25万元。

    谐波造成煤矿生产用电继电保护每年误动作一次，所造成的经济损失约为40万元。

    从以上结论可以看出，若重视谐波的危害，加强对谐波的治理，每年生产节约的成本可达150万元以上。

    4 地面变电所补偿方式抑制谐波

    大型煤矿地面变电所，安装了TBB-Z高压无功补偿装置，补偿无功功率的同时，抑制了谐波。安装前谐波使供电系统出现电压低，功率因数低等不正常现象，安装该补偿装置后，无功自动控制器检测电网电压及功率因数，通过对电网电压和功率因数的综合判定，控制主变得自动有载调压及母线上的无功补偿电容的自动投切，通过中和电容投切时的容性电流和功率，平衡系统电压电流，补偿功率因数，为了防止补偿电容及滤波电容器的损坏，使系统并联谐振频率降到变流器所产生的最低次谐波频率以下，防止补偿电容器与系统电抗之间在某次谐波附近产生并联谐振，同时滤除了一些高次谐波，使谐波受到抑制，含量降低。

    功率因数由原来的0.2～0.8左右升高到了0.17～0.93左右，并且随着煤矿主副井提升机等大型设备的启动，电压和负荷电流都呈现了运行稳定的趋势，经过谐波测试仪检测，5次谐波由原来的18.1%降低到9.68%，7次谐波由原来的11.4%将为5.86%，13、17、19次谐波含量，变电所供给煤矿负荷电流由安装谐波抑制电抗前在300A～900A间剧烈波动，安装后波动幅度在600A～900A，负荷运行平稳了很多，不但谐波得到了有效的抑制，无功补偿效果也比较显著，实践证明，由于谐波含量过高造成的系统电压不稳定现象基本避免，由于谐波干扰造成的继电保护无故跳闸现象基本杜绝，运行比较可靠平稳，但是谐波电抗含量仍然没有达到国家标准规定值。并且谐波电抗器由于消耗了大量的谐波功率来滤除谐波，油浸式或干式铁芯电抗器在运行当中铁芯励磁要产生磁滞振动必然要发出一定的声音，对工作环境构成噪声污染，随着容量增大，铁芯气隙增多声音越大，谐波产生的损耗很大，噪声也越严重，正常运行时的温度也越高。

    综上所述，谐波治理的任务很艰巨，要引起高度重视，科学施治。谐波干扰问题在通信领域里已经具有很深的研究，取得了很多抗干扰的成熟技术，值得借鉴、扩展应用。

    参考文献：

    [1]张文荣.矿山供电技术[M].机械工业出版社，2014（07）.