1. 概述
据报道，2005年我国煤矿开采耗能5086.81╳104吨标准煤，耗电376.04╳108Kwh，分别占全国总耗能量和总耗电量的3.86%和3.49%。煤矿工业堪称我国第一能源工业，既是产能大户，又是耗能大户，因而也是节能潜力大户。现代煤矿工业中大量使用了各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，如电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增。这些设备都大量地使用了晶闸管，通过变频调速技术来达到节能目的。然而，因为电力电子装置的使用而出现的高次谐波污染问题又使电路的功率因数下降，造成了电气元件及设备的故障和损坏。为了保证所有电气设备的正常工作，各工业国家都对谐波问题开展了深入的研究工作，并制定出了相应的规程标准。我国于1993年发布了国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了电网谐波的允许值。我国《煤炭工业矿井设计规范》第 条规定：“电网中接有非线性用电设备的矿井，应采取措施将谐波电流危害限制在允许的范围内。”。煤矿工业的安全生产维系着煤矿工人的生命安全，为了抑制高次谐波污染，煤矿工业以往通常采用谐波补偿措施，但存在有时欠补，有时过补等不稳定现象，而且在一定条件下，谐波补偿装置本身又是谐波源，无法从根本上消除谐波污染。最新技术的HPD（Harmonic Protective Device）谐波保护装置能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。
2 谐波的危害
电网谐波（分量）的定义为“对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到的频率为基波频率整数倍的分量”。理想的供电应是单一恒定频率与规定幅值的稳定电压。但随着各种新型、高效、多功能用电设备的不断更新,这些非线性电气设备使电网电压、电流波形实际上是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波含有会直接对人体及用户设备产生危害的高次谐波。
电网的谐波主要由具有非线性特性或者对电流进行周期性开闭的电气设备产生，这类设备分为以下两种：
⑴ 装有电力电子器件的设备，例如变流器、变频器、交流控制器、电视机等。
⑵ 具有非线性电流电压特性的设备，例如感应炉、电弧炉、气体放电灯和变压器等。
随着晶闸管电路的广泛应用，上述设备成为主要的谐波源。
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。在谐波电压作用下，电缆的介质损耗也增加。使电力电缆绝缘损坏，电缆发生单相接地故障的次数明显增加。
2.4 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。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。
2.5 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。
2.6 严重干扰感应式电能表计
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。
3. 谐波污染造成煤矿安全存在隐患
煤矿提升机较普遍地采用晶闸管供电的直流拖动，称为提升机晶闸管电控系统（SCR—D）。晶闸管电控系统具有调速平稳准确、效率高、容易维护、可引入计算机监控等优点。由于晶闸管变流器采用相切控制方式调节电压或电流，使电网正弦电压波形受到切割，并由此产生谐波电流，导致供电电网电压波形畸变。SCR—D系统在整个运行期间功率因数偏低（一般在0.02～0.8之间），同时起动无功冲击大，引起电网电压发生波动，尤其对于矿井提升机这类大功率负载频繁起动，无功冲击导致电网电压产生波动，对井上下电气设备产生严重干扰。
现代化的煤矿选煤厂也是谐波源负荷占总负荷比例最大的用户。选煤厂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。为了节约电能，部分设备均大量使用晶闸管，而高次谐波问题又使电路的功率因数下降，造成选煤厂电气元件及设备的故障和损坏。
煤矿用的通风机是重要的耗电设备。煤矿开采遵循以风定产的要求，有多大风量就允许有多大开采量，风量随着煤的产量增加而增加。在采煤作业中瓦斯随着煤的开采不断涌出，涌出瓦斯与煤的开采量成正比，而保障每个煤矿工人正常工作所需的新鲜空气也与煤的开采量成正比。因此为了煤矿生产安全，所需风量、风压随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，以及开采量的增加而增加，通风机需用的功率也随之增加。通风机的耗电量往往占到生产电耗的15%~25%，因此也采用变频调速技术进行节能改造。但高次谐波污染可能造成设备故障和损坏，危及人身安全和生产任务的顺利完成，高次谐波的消除刻不容缓。
4．高次谐波污染的消除
4.1 谐波补偿装置
如图1所示为选煤厂供电采用的谐波补偿装置。
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，这种运行方式不能采用，因为过补易发生谐振过电压。
4.2 谐波保护装置HPD
美国电气控制公司推出的HPD（Harmonic Protective Device）谐波保护器是针对越来越恶劣的电能质量，为用电设备提供谐波保护的设备。HPD谐波保护器采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路,对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰具有抑制和吸收作用；随时跟踪电压波形，瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌（雷电）、杂波，矫正因谐波影响而产生畸变的电压波形；对噪声进行消化并把被吸收的噪声能量部分返回到电网中以矫正电网波形，使电网电源波形变得光滑清洁，既提高了电网质量，又保证了仪器设备的正常运行。
采用HPD谐波保护器解决了设备遇到的众多问题：
自动保护用电设备
由于设备自身产生的接地电流在设备和真实地之间会引发一个电压降，当噪声频率比较高的时候，很容易造成计算机电子设备、PLC、电机电器等电脑死机。
HPD能自动消除具有破坏性的高次谐波，高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等，确保了用电设备的使用寿命。
4.2.2 净化电源
HPD谐波保护器具有很强的抑制和消除能力，最高可消除99%的因各种谐波引起的电压、电流的畸变，防止谐波引发的计算机屏幕频闪，以及由于开关、短路、负载变化引起的灯光频闪。
4.2.3 保护功率因数补偿设备
高次谐波频率可能和杂散的电网电感及功率因数补偿（PFC）设备组合的谐波频率形成并联谐振回路，谐振电路引起的谐波放大使电压和电流波形畸变更为严重，从而导致设备过早出现故障。HPD消除了谐波污染，确保了功率因数补偿设备的使用寿命。
4.2.4 防止保护装置的误跳闸
谐波电流会导致断路器误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳。
5．结束语
现代煤矿工业中由于电力电子以及电子计算机等现代技术的广泛使用，对电能质量造成了很大的影响，危及到煤矿工业的安全生产。针对越来越恶劣的电能质量，美国电气控制公司推出的HPD（Harmonic Protective Device）谐波保护器为设备的正常运行提供了保障。HPD并联在电路中,本身不耗电。HPD的使用减少了仪器设备的故障率和机器误操作，全面克服了由于谐波污染导致用电装置电能利用效率降低，故障率高的问题，保障了设备的安全运行。
本文关键字：谐波 电工文摘，电工技术 - 电工文摘
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