摘要:針對選煤廠(chǎng)供電系統設計中諧波對電機等設備的影響，在研究了諧波危害以及諸多諧波治理方法的基礎上，采用有緣濾波器抑制供電系統中的諧波分量，從而進(jìn)一步提高供電系統供電質(zhì)量。應用效果顯示，使用有源濾波器后的系統運行穩定，諧波分量抑制在可接受范圍內，大部分電流諧波被過(guò)濾掉，功率因數由0.92提高到0.97，能夠為以后類(lèi)似的工程項目提供借鑒，改善礦井及選煤廠(chǎng)電網(wǎng)條件差的現狀。

關(guān)鍵詞:選煤廠(chǎng);供電系統;有源濾波器;諧波治理;諧波分量抑制

0引言

現代化的選煤廠(chǎng)一般都采用PLC或DCS進(jìn)行自動(dòng)控制，洗選過(guò)程中，由流量、壓力、密度等參數與變頻技術(shù)結合形成的閉環(huán)控制系統得到更多的應用。在自動(dòng)化程度提高的同時(shí)，由于變頻器等應用增多，非線(xiàn)性的設備接入電網(wǎng)，會(huì )將產(chǎn)生的諧波電流反饋到電網(wǎng)中，進(jìn)而通過(guò)電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，引起電網(wǎng)電壓的畸變，供電系統的電能質(zhì)量下降，不利于系統的安全運行。由于煤礦工業(yè)系統技術(shù)人員對諧波重視程度不夠，沒(méi)有采取有效的諧波抑制措施，導致煤礦供電系統電網(wǎng)質(zhì)量較差，有諧波引起的機電事故屢屢出現。

1諧波產(chǎn)生原因分析

諧波的產(chǎn)生根據其在供電系統中處的位置不同，原因可大致分為3種情況:電源處本身具有的諧波、電源傳輸時(shí)產(chǎn)生諧波及變頻器、電焊機等末端用電設備產(chǎn)生的諧波。廠(chǎng)房中照明使用的氣體放電燈的電路本身含有電弧，電弧的負阻特性也會(huì )產(chǎn)生諧波。

對選煤廠(chǎng)來(lái)說(shuō)負載中諧波主要是由變頻器產(chǎn)生的，現代化的洗煤廠(chǎng)，洗選過(guò)程通常采用“傳感器—控制器—變頻調節"的模式來(lái)進(jìn)行密度、流量、壓力等工藝參數的自動(dòng)調節。許多設備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對正弦波電流進(jìn)行“破壞重組"，即變頻的“整流—逆變"過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì )向電網(wǎng)反饋大量的諧波電流。雖然目前對變頻器的制作有諧波量的限制，有時(shí)還要在變頻器的輸入側增加電抗器，來(lái)降低諧波對電網(wǎng)的影響，但從目前來(lái)看，變頻器仍然是選煤廠(chǎng)供電系統主要的諧波來(lái)源。

2諧波危害

諧波對選煤廠(chǎng)供電系統的危害有以下方面:

(1)對變壓器的危害

諧波電流對變壓器的危害主要表現在會(huì )使變壓器產(chǎn)生附加損耗，變壓器運行時(shí)產(chǎn)生溫度升高、噪聲增大。另諧波中含有的無(wú)功分量會(huì )占據部分變壓器容量，使得變壓器的實(shí)際輸出容量變小。在諧波環(huán)境下運行，加速絕緣老化，變壓器的壽命也會(huì )降低。

(2)對供電線(xiàn)路的危害

諧波電流中含有較大的無(wú)功分量，會(huì )增加線(xiàn)路的損耗，導致電纜過(guò)熱，降低其使用壽命。

(3)對無(wú)功補償裝置的危害

諧波電流會(huì )對系統的無(wú)功補償裝置造成了不同程度的影響，流過(guò)補償裝置的電流過(guò)大會(huì )導致無(wú)功補償裝置中的保險絲燒斷，甚至會(huì )由于電容過(guò)熱導致無(wú)功補償裝置中的電容炸裂。

電力諧波除直接威脅無(wú)功補償裝置的安全外，其對其他電氣設備壽命和線(xiàn)損的影響及對供配電系統安全運行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過(guò)程具有漸進(jìn)性、隱蔽性。另外諧波還會(huì )影響到電力系統中微機自動(dòng)綜合保護裝置的工作，對系統故障做出錯誤判斷，誤動(dòng)作或者不動(dòng)作，影響供電系統的安全運行。因此為保證系統的安全性，應對系統的諧波進(jìn)行治理。

3諧波治理方式

抑制諧波從原理上來(lái)說(shuō)方法較多，例如:采用較高的電壓等級，電壓等級越高，系統的短路容量越大，以某選煤廠(chǎng)為例，洗選系統采用重介洗煤工藝，對諧波的承受能力也就越強;再有就是增加變頻器等變流設備的脈動(dòng)數，理論上變流設備反饋回電網(wǎng)的只有kP±1(k=1、2、3…，P為脈動(dòng)數)次的諧波，可見(jiàn)脈動(dòng)數越多，諧波的產(chǎn)生量越少。

在工程中抑制諧波的手段主要有2種:①無(wú)源濾波即在系統中增加濾波電路;②有源濾波。無(wú)源濾波可根據系統的諧波含量設計濾波電路，可濾掉固定頻次的諧波，主要由電感、電容和電阻等元器件按照一定的設計參數組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，具有容量較大、結構簡(jiǎn)單、經(jīng)濟性好等優(yōu)點(diǎn)，但是受本身原理的制約，其在生產(chǎn)以后就只能濾除某頻率范圍內的諧波。

有源電力濾波器是一種主動(dòng)性的電流補償諧波治理濾波裝置，可通過(guò)互感器對系統電流進(jìn)行采樣，通過(guò)控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小一樣、方向相反的電流反饋到電網(wǎng)中，抵消電網(wǎng)中的諧波。有源電力濾波器可濾除系統中多次及高次諧波，治理效果好，但容量一般不大，且經(jīng)濟性不如無(wú)源濾波器。

4有源濾波器的應用

設有兩套重介洗選流程，自動(dòng)化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥泵、加壓過(guò)濾機入料泵、壓濾機入料泵等設備均需要變頻控制。根據設備分布，其主要諧波源生產(chǎn)車(chē)間為主洗車(chē)間，該車(chē)間設有3臺10/0.69kV變壓器，變壓器容量為1600kVA，其中2臺各自變壓器負擔一套重介系統的所有設備供電，另一臺則負責為2套重介系統配套的共用設備提供電源。其中1臺變壓器下面帶有6臺變頻器(所帶的電機容量*大為350kW)，設有1套480kVar的電容補償裝置。

在工程調試過(guò)程中，由于350kW變頻電機啟動(dòng)時(shí)，使選煤廠(chǎng)內一臺2.2kW的小電機燒毀，更換電機后又出現同樣的現象。根據現場(chǎng)的情況進(jìn)行分析，初步判斷是系統的諧波較大引起的，隨后對系統的諧波進(jìn)行了檢測，系統的電壓、電流波形如圖1、圖2、圖3所示，系統A、B、C三相電壓、電流及諧波的數據見(jiàn)表1。

可見(jiàn)，系統電流波形已發(fā)生嚴重畸變，電流畸變率已超過(guò)30%，其中以5次、7次諧波為主。

圖1電壓波形

圖2電流波形

圖3各次諧波分布

表1三相電壓及電流數據

由表1中基本數據可知，B相諧波電流*大，把B相電流Irms=574.5A，B相基波電流IH1=545.6A，B相電流畸變率THDIb=32.6%代入計算公式:

選擇1套YD-APF有源濾波器進(jìn)行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設計，可根據需補償的電流容量，自由的選擇模塊數量。根據式(1)的計算結果可知，系統的諧波電流約177.9A,選擇有源濾波器容量為225A,含有3個(gè)75A濾波模塊有源濾波器在低壓配電室內與低壓柜并排安裝，取樣互感器取自變壓器低壓出線(xiàn)側，根據系統取樣數據,有源濾波器控制系統能自動(dòng)計算出系統的諧波分量,并生成一個(gè)大小一樣、方向相反的補償電流補償至供電系統中，從而抵消供電系統中的諧波分量,使系統恢復平滑的正弦波形態(tài)。有源濾波裝置具有以下功能:

(1)實(shí)時(shí)監測。YD-APF全功能監控系統實(shí)時(shí)監測配電系統的電能質(zhì)量，通過(guò)監控系統，可實(shí)時(shí)讀取電網(wǎng)側、負載側的THD,和THD.各相電流大小.補償前后效果波形圖及有源電力濾波器發(fā)出的補償電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數據,操作簡(jiǎn)單，讀取數據方便。

(2)系統設置。YD-APF全功能監控系統可設置工作模式、日期、CT變比及補償模式等一系列功能。設置系統需要密碼才可以操作，保證機器獨立安全運行，所有設置項會(huì )記憶并保存在系統中。

(3)后臺監控。YD-APF有源濾波器RS485和網(wǎng)口,通過(guò)數據線(xiàn)或網(wǎng)線(xiàn)可與計算機進(jìn)行通訊。在計算機終端安裝后臺監控軟件，即可實(shí)現對有源濾波器的遠程操作和控制,為了解有源濾波器的運行提供了很大的便利。

其工作原理如圖4所示

4有源濾波器工作原理

通過(guò)安裝在低壓母線(xiàn)上的電流互感器對母線(xiàn)電流進(jìn)行采樣,通過(guò)YD-APF有源濾波器內置控制器對采樣信號進(jìn)行分析,找出其中的諧波成分,然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小一致、方向相反的電流反饋到母線(xiàn)上,抵消電網(wǎng)中的諧波

5治理效果分析

投入濾波器后電網(wǎng)電流諧波絕大部分被濾除掉,波形顯示為正弦波，總的電流畸變率由32%降為3.3%，補償率達到87%，功率因數由0.92提高到0.97,350kW變頻電機啟動(dòng)時(shí)燒毀小電機的情況沒(méi)有再出現?？梢?jiàn)投入有源電力濾波器后,電網(wǎng)中的諧波得到了顯著(zhù)的抑制，并可以快速對變頻器等在運行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波快速響應，消除諧波，提高系統的電能質(zhì)量。

6安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

7安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

7.2型號說(shuō)明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無(wú)功補償裝置智能電容方案

8結語(yǔ)

隨著(zhù)選煤技術(shù)的發(fā)展,變頻器等非線(xiàn)性設備在選煤廠(chǎng)供電系統中得到越來(lái)越多的應用，提升了選煤廠(chǎng)的控制水平,但是其在工作過(guò)程中也產(chǎn)生了更多的諧波，為供電系統的運行帶來(lái)了新的問(wèn)題，在現代工程中應重視對諧波的治理，維護供電系統安全可靠的運行。

參考文獻

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