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摘要：我国煤矿的工业化和信息化进程的快速推进，带来的是大型电力电子设备的广泛应用，由此造成的是电网中谐波含量的大量增加，这对电能质量形成了严重的干扰，从而对矿井安全生产埋下了隐患。本文分析了煤矿供电系统中谐波产生的原因及危害，并提出了一些针对性的治理措施。
关键词：煤矿企业 供电系统谐波 治理措施
1 煤矿企业供电系统中的谐波分析
煤矿企业供电网络大量的电力电子功率器件、各种装置在电网中的应用，在促进矿井生产运行中的节能和能量高效转换的同时，也给电网中电能质量造成了严重的污染，其主要原因就是电网谐波含量的普遍存在和不断生成。
谐波广泛分布于供配电系统中的各个环节，谐波电流的拥塞会在主电网系统上引起电压畸变，导致电网系统中的电压和电流波形严重失真，对其他电力设备和装置也会产生扰动，这将严重威胁矿井电网的电能质量和供配电设备的安全运行。
因此，治理好煤矿供电系统中散布的谐波，不仅能从根本上解决因谐波存在导致的电能损耗，提高和稳定电能质量，从而确保矿井安全运行，而且从长远看能延长电气设备的使用寿命，优化电磁环境，进而提高产品质量。
2 煤矿供电系统谐波危害的具体分析
由于煤矿电网中的谐波源主要来自于含半导体材料的非线性元器件，如通风机、矿井提升机、带式输送机等设备以及各种变频器等电力电子设备等。煤矿供电系统中谐波的危害主要表现为谐波含量的增加导致电网功率损耗的增加、供电设备寿命逐渐缩短、接地保护功能丧失、遥控功能失常、供电线路和设备过热，倘若谐波波幅大，还会引起变电站局部的并联或串联谐振，这将导致变电站系统中的元器件产生附加的谐波损耗，从而加速元器件的老化。通过对某企业主井提升设备的电压、电流，副井升降设备电压、电流以及充电设备的测试波形发现，发现在多次的测试过程当中，在一个波段电流谐波值异常偏高，远远超出了国家设定的限值，将此波段对比到矿井实际采用的脉动变流器，发现异常偏高的波段正好與设备实际采用的脉动下测算出的谐波值吻合；而对矿井下充电设备的测试采取与地面充电设备对比的方式，测试发现井下充电设备的各个谐波的含量都高于地面。
通过以上两个测试分析来看，煤矿供电系统中普遍存在的电能质量问题的主要原因是谐波的大量存在。因此，治理煤矿供电系统中的谐波问题还需从改造电力电子装置、过滤谐波的角度出发。
3 煤矿供电系统的谐波治理
3.1 改造谐波源
从电力电子装置本身出发，想方设法使其少产生谐波。前面的测试表明增加变流装置周期内的脉动次数可以有效地削减幅值起伏大的低次谐波特征的谐波，从而技术性地减少谐波源。这种方法需要对装置进行波段测试，然后对异常波段进行技术上的干预。另外，从设备来看，采用高频率的因数整流器也可以自动地进行谐波源改造。
3.2 选择有足够裕量的电缆
在电力电缆的缆截面的选择中，应事先考虑到谐波会引发电缆发热的因素，因此对关键的联接谐波主要扰动源设备的配线选择时，应计算出电缆载流量通过时需要的裕量值。裕量值一般受斜长、弧垂、接续等因素影响。以接续为例，电线搭接引起的裕量增量受导地线制造长度的限制和接线工艺不同的影响，一般接线长度要在1.1m一下，假若按导地线的交货长度2000m计算，由此引起的增量不超过0.06%，从而按照行业公式导出裕量值来。在平地中，电线斜长和弧垂引起的裕量增量基本接近，一般只取1%即可，而在山地或丘陵地区则斜长的影响更突出，应考虑2%～5%左右的线长裕度。
3.3 合理选择变压器
正确合理地选择变压器的接线方式，能阻止不平衡电流和3N次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里，不平衡电流和3N次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。矿井供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有裕量，以防范谐波引起的变压器发热危害。
3.4 装设谐波补偿装置来补偿谐波
矿井中的主要谐波源如大功率提升机、通风机、带式输送机的变频设备等，在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。为了抑制变频器在运行中产生的谐波，需增加谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。如常用的滤波装置方法是在变频器1.14kV母线设立5次单调谐滤波器，电容器安装容量为270kVar，单个电容器安装容量为30kVar，采用角形接线，单相采用一串七并的接线方式；另一种方法是在串级调速0.44kV母线设立5次单调谐滤波器，电容器安装容量为270kVar，单个电容器安装容量为30kVar，采用角形接线，单相采用一串七并的接线方式。
3.5 并联电容器无功补偿的配置
并不是任何一种供电系统都可以采取诸如无源或有源滤波器等传统补偿装置来进行无功补偿。在有大量谐波存在于供电系统的情况下，考虑到为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，通常要采用调谐式电容器组。调谐式电容器组即在补偿电容器中加串调谐电抗器。电抗器的主要作用是避开谐波电流可能出现的频率。使用调谐电容器组的目的并不是为了显著地降低谐波畸变，而是为了确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振，进而确保电能不大量损耗。
3.6 运用PSCAD/EMTDC仿真软件
在电力系统中，仿真是分析复杂电路的重要手段。由于电力电子装置的非线性和时变性特点，传统的谐波分析方法已不能适应静、动态特征分析的要求，而计算机仿真以其投资少、周期短和方便灵活的优势而逐渐成为一种有效的谐波源和谐波的分析方法。仿真中最重要的部分是构造电气接线图，通过构造谐波源电路的仿真模型，建立完整的电气接线图，在运行通过的基础上提取最能反映谐波源对电网影响程度的初级测电流波形，然后对其加以分析，以验证仿真的有效应和精确性。建立仿真模型实际是一个复杂的实际电路简化过程，因此在仿真前必须对实际电路的线路状况、负载类型及参数进行精确的考察，以确保取得最佳的仿真效果。随着PSCAD/EMTDC理论的日渐完善以及实际应用的成熟，其在谐波分析、谐波预测和谐波治理等方面的优势越来越突出，其应用价值也逐渐在大型煤矿企业得到认可。
参考文献：
[1]王崇林，侯坤，唐会祥，王俊士.煤矿企业供电系统谐波治理研究[J].煤炭工程，2009(04).
[2]李宗强.煤矿供电系统的谐波及抑止对策[J].煤矿现代化，2008
(01).
[3]吕东霞.对煤矿供配电系统谐波危害及治理的探讨[J]，煤炭工程，2008
(08).
[4]刘东晓，王伟京.矿井供电系统谐波质量方案的研讨[J].《平顶山工业职业技术学院》，2010(06).
关键词：煤矿企业 供电系统谐波 治理措施
1 煤矿企业供电系统中的谐波分析
煤矿企业供电网络大量的电力电子功率器件、各种装置在电网中的应用，在促进矿井生产运行中的节能和能量高效转换的同时，也给电网中电能质量造成了严重的污染，其主要原因就是电网谐波含量的普遍存在和不断生成。
谐波广泛分布于供配电系统中的各个环节，谐波电流的拥塞会在主电网系统上引起电压畸变，导致电网系统中的电压和电流波形严重失真，对其他电力设备和装置也会产生扰动，这将严重威胁矿井电网的电能质量和供配电设备的安全运行。
因此，治理好煤矿供电系统中散布的谐波，不仅能从根本上解决因谐波存在导致的电能损耗，提高和稳定电能质量，从而确保矿井安全运行，而且从长远看能延长电气设备的使用寿命，优化电磁环境，进而提高产品质量。
2 煤矿供电系统谐波危害的具体分析
由于煤矿电网中的谐波源主要来自于含半导体材料的非线性元器件，如通风机、矿井提升机、带式输送机等设备以及各种变频器等电力电子设备等。煤矿供电系统中谐波的危害主要表现为谐波含量的增加导致电网功率损耗的增加、供电设备寿命逐渐缩短、接地保护功能丧失、遥控功能失常、供电线路和设备过热，倘若谐波波幅大，还会引起变电站局部的并联或串联谐振，这将导致变电站系统中的元器件产生附加的谐波损耗，从而加速元器件的老化。通过对某企业主井提升设备的电压、电流，副井升降设备电压、电流以及充电设备的测试波形发现，发现在多次的测试过程当中，在一个波段电流谐波值异常偏高，远远超出了国家设定的限值，将此波段对比到矿井实际采用的脉动变流器，发现异常偏高的波段正好與设备实际采用的脉动下测算出的谐波值吻合；而对矿井下充电设备的测试采取与地面充电设备对比的方式，测试发现井下充电设备的各个谐波的含量都高于地面。
通过以上两个测试分析来看，煤矿供电系统中普遍存在的电能质量问题的主要原因是谐波的大量存在。因此，治理煤矿供电系统中的谐波问题还需从改造电力电子装置、过滤谐波的角度出发。
3 煤矿供电系统的谐波治理
3.1 改造谐波源
从电力电子装置本身出发，想方设法使其少产生谐波。前面的测试表明增加变流装置周期内的脉动次数可以有效地削减幅值起伏大的低次谐波特征的谐波，从而技术性地减少谐波源。这种方法需要对装置进行波段测试，然后对异常波段进行技术上的干预。另外，从设备来看，采用高频率的因数整流器也可以自动地进行谐波源改造。
3.2 选择有足够裕量的电缆
在电力电缆的缆截面的选择中，应事先考虑到谐波会引发电缆发热的因素，因此对关键的联接谐波主要扰动源设备的配线选择时，应计算出电缆载流量通过时需要的裕量值。裕量值一般受斜长、弧垂、接续等因素影响。以接续为例，电线搭接引起的裕量增量受导地线制造长度的限制和接线工艺不同的影响，一般接线长度要在1.1m一下，假若按导地线的交货长度2000m计算，由此引起的增量不超过0.06%，从而按照行业公式导出裕量值来。在平地中，电线斜长和弧垂引起的裕量增量基本接近，一般只取1%即可，而在山地或丘陵地区则斜长的影响更突出，应考虑2%～5%左右的线长裕度。
3.3 合理选择变压器
正确合理地选择变压器的接线方式，能阻止不平衡电流和3N次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里，不平衡电流和3N次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。矿井供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有裕量，以防范谐波引起的变压器发热危害。
3.4 装设谐波补偿装置来补偿谐波
矿井中的主要谐波源如大功率提升机、通风机、带式输送机的变频设备等，在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。为了抑制变频器在运行中产生的谐波，需增加谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。如常用的滤波装置方法是在变频器1.14kV母线设立5次单调谐滤波器，电容器安装容量为270kVar，单个电容器安装容量为30kVar，采用角形接线，单相采用一串七并的接线方式；另一种方法是在串级调速0.44kV母线设立5次单调谐滤波器，电容器安装容量为270kVar，单个电容器安装容量为30kVar，采用角形接线，单相采用一串七并的接线方式。
3.5 并联电容器无功补偿的配置
并不是任何一种供电系统都可以采取诸如无源或有源滤波器等传统补偿装置来进行无功补偿。在有大量谐波存在于供电系统的情况下，考虑到为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，通常要采用调谐式电容器组。调谐式电容器组即在补偿电容器中加串调谐电抗器。电抗器的主要作用是避开谐波电流可能出现的频率。使用调谐电容器组的目的并不是为了显著地降低谐波畸变，而是为了确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振，进而确保电能不大量损耗。
3.6 运用PSCAD/EMTDC仿真软件
在电力系统中，仿真是分析复杂电路的重要手段。由于电力电子装置的非线性和时变性特点，传统的谐波分析方法已不能适应静、动态特征分析的要求，而计算机仿真以其投资少、周期短和方便灵活的优势而逐渐成为一种有效的谐波源和谐波的分析方法。仿真中最重要的部分是构造电气接线图，通过构造谐波源电路的仿真模型，建立完整的电气接线图，在运行通过的基础上提取最能反映谐波源对电网影响程度的初级测电流波形，然后对其加以分析，以验证仿真的有效应和精确性。建立仿真模型实际是一个复杂的实际电路简化过程，因此在仿真前必须对实际电路的线路状况、负载类型及参数进行精确的考察，以确保取得最佳的仿真效果。随着PSCAD/EMTDC理论的日渐完善以及实际应用的成熟，其在谐波分析、谐波预测和谐波治理等方面的优势越来越突出，其应用价值也逐渐在大型煤矿企业得到认可。
参考文献：
[1]王崇林，侯坤，唐会祥，王俊士.煤矿企业供电系统谐波治理研究[J].煤炭工程，2009(04).
[2]李宗强.煤矿供电系统的谐波及抑止对策[J].煤矿现代化，2008
(01).
[3]吕东霞.对煤矿供配电系统谐波危害及治理的探讨[J]，煤炭工程，2008
(08).
[4]刘东晓，王伟京.矿井供电系统谐波质量方案的研讨[J].《平顶山工业职业技术学院》，2010(06).