煤矿电力系统谐波分析及治理
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摘 要 煤矿电力系统谐波治理对于整个电网的正常运行具有重要意义，因此在规划电力系统建设、采区供电系统建设或设备选型时，必须考虑谐波的影响。我们可以利用先进检测仪器及时分析供电系统的电能质量，找出电网产生谐波的原因，采用灵活的谐波治理方式，综合应用多种谐波治理技术，积极落实相应措施，保证电网系统安全、稳定、可靠、经济运行。
关键词 煤矿电力系统；谐波分析；治理
基于持续提升煤矿生产能力的影响下，增加了一系列的非线性与冲击性装置，这一系列的装置在实现煤矿安全水平与生产效率提升的过程中，也导致煤矿电网注入很多的谐波，不管是为了确保煤矿电网运行的经济性和安全性，还是为了确保煤矿机电装置的安全性，实施有效的对策治理煤矿供电系统的谐波，这都显得十分关键。
1 煤矿供电系统出现谐波的原因
结合工作过程中的电力系统来说，在煤矿生产用电过程与系统的发电装置都可能出现谐波，特别是非电力荷载元件容易出现谐波。在煤矿生产中，主排水泵、煤矿提升机、直流式直升机是重点的非线性供电元件。另外，还涵盖装置外在矿井供电装置当中的输出电力的系统。这一系列的元件都具备一样的特点，即装置可以接收正弦式电波输出电压，从而同步调整频率与基波，进最终使非正弦式波动电流形成[1]。
2 煤矿供电系统谐波的危害
（1）大量谐波电压电流存在于电网中，易导致电网电压降低，增加线路损耗，导致煤矿吨煤成本增加；变频器、变压器以及电动机等这些电气设备处于经常的变动之中，产生的谐波极易构成谐振，致使谐波含量放大，产生过电压或过电流，烧毁电容器、电动机等。
（2）影响供电系统无功补偿设备的正常使用，特别是未采用有源动态无功补偿装置的变电所，谐波注入电网时容易造成变电所高压电容过电流和过负荷，在谐波场合下，电容柜将无法正常投切，更严重的情况是电容柜能够将电网谐波进一步放大。
（3）谐波影响电力系统的稳定运行，尤其是对广泛应用的微机保护装置危害更大，易造成变电所继电保护误动作，导致区域性停电事故[2]。
3 煤矿供配电系统的谐波治理
3.1 分散治理措施
适用于供电距离较远且功率因数较低的大型用电设备，主要可采取以下几个措施：
①对电力电子设备本身进行改造，使其不产生谐波或减少谐波的产生；②变频器和谐波治理设备必须配套使用，严禁安装使用无谐波治理的设备；③加快提高同步电动机在煤矿机电设备中的使用比例，例如同步电动机直驱提升机、同步电动机皮带机在许多煤矿中已经得到很好的应用。
3.2 变电所集中治理措施
通过外加补偿装置等来补偿谐波，例如在电力系统中加无源滤波器或在装置的电网侧加有源滤波器装置及动态无功补偿技术。
①机械式投切的无源补偿装置，属于慢速无功补偿装置，电力系统中应用较早，目前应用已经较少；②晶闸管投切的静止无功补偿器（SVC），该装置产生无功和消除谐波是靠其电容和电抗本身的性质产生的，属无源、快速动态无功补偿装置，在我国煤炭电力系统中应用较为广泛，但受系统谐波影响大，缺点明显。
如某煤矿在35kV变电所10kV母线安装了两套无功补偿滤波装置，每套输出基波补偿容量为3000kvar。该系统具有以下特点：
（1）额定补偿容量较广且连续可调；
（2）响应时间较快，动态响应时间不大于100ms；
（3）受系统谐波影响大，自身产生较大量谐波，例如SR、TCT等易产生5、7、11等高次谐波。此装置在该矿两年的实践应用中，谐波消除效果可满足矿井供电系统需求。
3.3 基于电压源逆变器的静止同步补偿器（SVG）
该装置产生无功和消除谐波是靠其内部电力电子器件产生与谐波电流相反的无功电流，属有源、快速的动态无功补偿装置，应用性能较为先进。此装置主要应用于大型新建矿井，例如神华神东矿区谐波治理配置的就是无功动态补偿装置（SVG），实践证明该补偿装置取得了良好效果。该系统主要有以下优点：
①额定补偿容量广且连续可调，±20Mvar的可调范围已经得到应用；②响应时间快，一般不大于10ms，能够很好地应对各种冲击性负荷的补偿工作；③受系统谐波影响小，可抑制系统谐波。
3.4 选用适宜的变压器
对连接变压器的方式进行合理地选择，可以避免电源配电系统当中传输3N次谐波电流和不平衡电流。在Δ/Y变压器当中，处于原边绕组循环流动的3N次谐波电流和不平衡电流不会往电源配电系统当中传输。Δ/Y形变压器是大部分煤矿供电系统应用的变压器。结合负载对额定电力变压器容量进行确定的情况下，需要兼顾畸变的谐波而留下裕量。在设计矿井的时候，通常需要确保70%—80%负荷率的变压器，此裕量能够避免谐波导致的变压器发热现象。再者，Δ形接法绕阻能够解决此问题，其为3N次谐波和不均衡的循环带来了通路，如此就能夠避免向配电系统传入。
3.5 应用谐波补偿设备
针对煤矿当中的带式运输机的变频装置、通风机、大功率提升机等关键的谐波源，在工作的时候会导致高次谐波污染。为了对工作过程中的变频器形成的谐波进行控制，应当应用谐波补偿设备，确保正弦波的电流输入。传统的是应用LC调谐滤波器的谐波补偿设备，其不但能够对谐波进行补偿，而且能够对无功功率进行补偿。然而，煤矿供电系统工作情况与阻抗会制约到补偿性能，容易跟系统出现并联谐振，从而放大谐波，导致LC滤波器的过载。除此之外，其仅仅可以对频率固定的谐波予以补偿，难以实现显著的效果，然而这种设备具备简单的构造，依旧被普遍地应用。在普及电力电子器件之后，补偿谐波的重要手段是应用有源电力滤波器，有源滤波器的运行原理是检测出补偿对象的谐波电流，再形成跟谐波电流极性相反和大小一样的补偿电流，进而使基波分量仅仅存在于电网电流当中。如此的滤波器可以跟踪补偿幅值与频率都改变的谐波，以及补偿特点不会受到电网阻抗的制约。
4 结束语
综上所述，随着时代的发展，电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。想要确保煤矿生产的安全性和稳定性，就务必高度关注煤矿供电系统的谐波危害，明确其出现的原因，借助有效的治理对策加以疏导，从而使传导与形成的谐波减少，最大限度地保护供电系统，最终大大地提升煤矿生产效率与效益。
参考文献
[1] 沈伯泽，鹿守明.煤矿6kV供电系统谐波治理研究与应用[J].煤炭科技，2011，（03）：7-8.
[2] 赵雪林，周卫伟，王建华，等.煤矿高压供电系统谐波治理技术研究与应用[J].电源技术，2010，（03）：280-283.
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