煤矿变电所随着电子技术的迅速发展,大量采用整流供电的渣浆泵,真空泵,压风机,振动筛等这些非线性电气设备产生的谐波流入到电网中,造成了电网的污染。就现代化煤矿变电所而言,也是喈波源负荷占总负荷比例最大的用户。为了节约电能,渣浆泵,真空泵,压风机,振动筛等部分设备均大量使用晶闸管,通过部分设备变频调速达到节能目的。然而,同时会产生以下危害:
1、谐波的增加使供电系统可能发生谐振。最常见的谐波谐振是在接有谐波源的用户母线上,因为母线上除谐波源外还有电力电容、电缆、供电变压器及电动机等负载,而且这些设备处于经常性的变动中,容易构成谐振条件。一旦发生谐振,将会发生系统过电压而跳闸甚至绝缘击穿。
2、对变压器的影响。谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加,使绝缘材料承受的电气应力增大,而谐波电流使变压器的铜耗增加,这种危害对换流变压尤为严重,因为交流滤波器通常装在交流侧,谐波电流仍通过换流变压器,滤波器对它不起作用。
3、对电容器和电缆的影响。在谐波电压作用下,使电容器产生额外的功率损耗。电容器对供电系统其它部分产生串联、并联谐振,可能发生危险的过电压及过电流,这往往引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏,使电力电缆绝缘损坏,尤其变电所整流负荷,电缆发生单相接地故障的次数有明显增加,在谐波电压作用下,电缆的介质损耗增加。
4、对断路器运行的影响。谐波含量较多的电流将使断路器的遮断能力降低。这是因为当电流有效值相同时,波形畸变严重的电流与工频电流相比,在电流过零点处di/dt可能较大,当存在严重的谐波电流时,某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。
5、对输电线的影响。当谐波电流流过输电线(电缆)时,导线的直径愈大,因集肤效应而使谐波频率下的电阻增大,谐波产生的附加损耗也愈大,同时引起无功功率增大,功率因数下降。
6、严重干扰感应式电能表计量。在谐波源的情况下,电能表记录的是基波电能扣除一小部分谐波电能,因此谐波源虽然污染了电网,反倒少交费,在畸变电源供线性负荷时,电能表记录的是基波电能及部分谐波电能,后者将使得用电设备性能变坏,因此用户不但多交电费,而且受到损害。
原因:
1、采用三相桥式整流器产生的特征谐波。整流变压器的一次和二次绕组接成Yy、Yd 、Dy、Dd形,只有接成D、d三相桥式整流电路,可以使励磁电流的3次谐波或零序分量能够流通,即在交流侧的3倍次谐波不流人电网。理沦分析得出其特征谐波的阶次为:
h = 6K±1 k = 1.2A
应当指出,整流变压器的一次和二次侧的容量并不相等。二次侧电流的谐波含量大,而
谐波电流与基流电压只构成瞬时功率,其平均功率等于零,即一次侧的功率因数低。多相整
流变压器的一次侧电流谐波含量较二次侧小,即一次侧功率因数比二次侧高,因而一、二次
侧的容量不相等。
2、12相整流器的特征谐波。整流变压器可以做成三绕组变压器,一次侧为一个公共绕组。二次侧两绕组的基波电压幅值相等,但相角差30º,两组三相桥式整流电路直流侧的电流相等时,便构成l2相整流器。两组三相桥交流侧的基波电流相位差30º,则奇次谐波的符号相反,互相抵消。所以构成反相整流器,茌l2相整流器中5、7、l7、l9等次谐波电流只在两组整流变压器二次绕组之间环流,并不流入交流电网。
3、控制角的影响。从桥式整流器的主电路看,二极管整流相当干品闸管整流器控制角
a=0的情况。品闸管整流电路在电阻负荷的情况下,a越大电流比电压的基波越滞后,而且谐波含量越大,功率因数越低。目前半控桥式整流被广泛应用,当满负荷运行时(q=0),运行效率较高,在轻负荷运行时,半控式电流波形其正、负半周期波形不对称,不仅功率数低,而且波形畸变严重,并含有偶次谐波。
4、整流器的谐波。实际应用中的整流器会引起非特征谐波。当三相交流供电电压不完全对称,正弦波形有畸变,整流变压器三相阻抗也不会完全相等,这将引起负荷电流和非特征谐波电流;当控制系统的触发角出现一定的误差,由于触发脉冲的间隔不等,尤其是触发脉冲丢失,同样会引起非特征谐波电流,尤其是偶次谐波电流;直流负荷电流不会恒定不变,而受负荷的调制。如整流器供电的直流电气设备,在交流侧都会引起由直流负荷特性所调制的非特征谐波和冲击性变化。
对策:
原变电所供电采用的谐波补偿装置见图1。
该补偿滤波装置存在如下问题:当大型电机停止运行时投入H5(250Hz),功率因数为COSΦ =0.94;当大型电机运行时,功率因数急剧下降为COSΦ=0.9,此时出现欠补(滞后运行)。当大型电机停止运行时,投入H7(350Hz),功率因数超前,COSΦ=0.94;当大型电机运行时功率因数滞后,COSΦ=0.9,这种运行方武不能采用,因为过补易发生谐振过电压;并且这种补偿谐波方式只能对上一级电网起到保护和隔离作用,而变电所供电系统或者谐波源回路的电气设备仍然遭到污染和损坏;由于没有考虑3次谐波,而对流入负荷的3次谐波有所放大,造成总电压畸变也有所上升。
因此在系统改造时采取以下措施:1、增加换流装置的相数或脉动数,有效地减小谐波量;2、整流变压器采用Dynll联结,这种联接组别使其3n次谐波激磁电流在接线的一次绕组形成环流,不注入公共的高压电网中;3、增加系统承受谐波能力。大容量的非线性负荷由短路容量愈大的电网供电,它承受非线性负荷的能力越高;4、避免电容器对谐波的放大,改变电容器的串联电抗器,或将电容器组的某些支路变为滤波器,限定电容器组的投入容量;5、对于连续运转的谐波源负荷,装设静止无功补偿装置。采用TCR、TCT或SR型,可有效减小谐波量。该装置可安装强变电所变电所母线上;6、对于频繁启动的谐波源负荷(大型电机如:渣浆泵,真空泵,压风机等),可在用户末端装设静止无功补偿装置(SVC)吸收由随机的冲击性负荷产生的谐波。该装置随着负荷运行而运行。
效果:
变电所电网系统的谐波冶理,不能单一地在变电所变电所6kV(10kV)母线装设滤波和补偿装置,这样只能对上一级电网起到保护作用,而变电所6kV母线及以下用户仍受到谐波污染,只有综合治理才能达到目的。