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摘?要 谐波对煤矿供电系统及电气设备的影响直接危及煤矿企业的安全生产，其主要表现为引起电气设备和输电线路附加损耗和发热，效率降低，缩短使用寿命，甚至损坏，降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性等。研究分析谐波产生的原因及其造成的危害，以及研究制定抑制谐波的措施具有重要的现实意义。
关键词 谐波；供电系统；治理
中图分类号 TM72 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0232-02
1 概述
煤矿作为高危行业，为保障安全生产，对各项工作都有严格要求和标准。按照国家法规、政策和标准、规程等落实各项系统保障工作后，随着整个系统的投入运行，在运转过程中又会不断产生各种新的不安全因素，谐波就是一种。一般情况，电力供应提供的是正弦波形的电压，电力输入矿区后，由于供电系统中存在的各种非线性负荷的影响，使电压的波形偏离正弦波形产生谐波，这些频率为基波频率整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。谐波的存在，对在运转中的煤矿造成了危害，其表现为引起电动机、变压器和电容器等附加损耗和发热，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，损坏降低继电保护装置、控制装置、检测装置的工作精度和可靠性，干扰通信线路，甚至引发并联或串联谐振，损坏电气设备等。因此，对于煤矿企业，研究分析谐波产生的原因及其造成的危害、研究制定抑制谐波的措施具有重要的现实意义。
2 煤矿企业供电系统谐波的产生
在煤矿企业传输、转换和使用电力的各个环节中都会产生谐波，通过分析归纳，谐波的产生主要来自具有下列特性的设备：
1）具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如井上、下各种电力变压器、箱变、电抗器、接触器、合闸线圈、镇流器、测试仪表等。
2）以强烈非线性特性电弧为工作介质的设备，如交流电焊机、气体放电灯等。
3）以电力电子元件为基础的各种开关电源设备，如高压变频器、低压变频器、电机车充电机、整流器、逆变器、矿井提升系统中具有相控调速和调压装置的设备、大容量的电力晶闸管可控开关设备等。
4）以晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、直流传动装置、晶闸管串级调速的电动机等。
另外，企业办公、生活电器如激光打印机、绘图仪、复印机、电脑、电视机、空调器、洗衣机、微波炉、通讯设备、节能灯、烤箱等都会产生各次谐波。随着煤矿企业各项生产和管理工作的发展，不断增置使用的各类电力电子设备都在源源不断的向供电系统提供着谐波，增添新的谐波源。
3 谐波对煤矿企业供电系统及用电设备的影响
煤矿企业不得不使用的各类设备向供电系统注入的谐波电流，使得谐波问题日渐突出，不但使系统中的设备不能正常工作，甚至造成某些设备故障，严重威胁生产安全，因此必须高度关注谐波问题。谐波对供电系统及用电设备的影响和危害主要表现如下：
3.1 对输配电及用电设备的影响和危害
3.1.1 对输电线路的影响
输电线路的电阻随频率的升高而增加，因集肤效应，谐波电流使输电线路的附加损耗增加，线损增大，还可导致中性线过载。输电线路上分布的线路电感和对地电容与产生谐波的设备形成串联或并联回路时，在一定参数下会发生串联或并联谐振，而并联谐振对相关设备有较大危害性。当谐波频率位于网络谐振点的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大，造成很大的谐波损耗，使电缆发热、缩短绝缘寿命，且极易导致绝缘击穿引起短路、火灾，以及保护装置误动、设备损坏等。
3.1.2 对继电保护和自动装置的影响
谐波会引起变压器复合电压启动过电流保护装置，负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动，以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器等误动，整流型和晶体管型继电器对谐波也较为敏感，严重威胁供电系统运行安全。
3.1.3 对开关设备的影响
谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关误动。全电磁型断路器易受谐波电流影响使铁耗增大而发热，由于对电磁铁及涡流的影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；当系统中含有大量谐波电流使电流过零点处的di/dt比基波电流时增大很多时，会降低热磁型断路器的分断能力，并加重接触器触头的烧蚀；谐波还会降低电子型断路器的额定电流，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。
谐波电流能造成漏电断路器异常发热，出现误动作或不动作；能使电磁接触器磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低；也会使热继电器额定电流降低；干扰变频装置、软启动器等设备的控制系统，严重时可使可控硅装置不能正常运行；对于采用晶闸管的变速装置，会使晶闸管误动作或使控制回路误触发。
3.1.4 对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，尤其3次及其倍数次谐波会在三角形连接的绕组中形成环流，导致绕组过热；使变压器的铁耗增大，主要是增加磁滞损耗，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，易形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。总之，谐波会使电力变压器减少实际使用容量，加速绝缘老化，增加噪音。
3.1.5 对电动机的影响
谐波会使电动机产生显著的脉冲转矩和噪音，可能出现电机转轴扭曲振动，造成机械疲劳。当谐波频率接近某零件固有频率时会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。频率越高使铁芯和绕组中产生的附加损耗会越大，严重时使电动机过热。按电机能承受的谐波电压折算成等值基波负序电压来考虑，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，将使绝缘寿命减半。负序谐波产生的负序旋转磁场，形成与电机旋转相反的转矩，起制动作用，将降低电动机的出力。
3.1.6 对电力电容器的影响 谐波电压的增高，会增加附加损耗，加速电容器的老化缩短寿命；当电容器与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，会使谐波电流放大几倍至几十倍，使得电容器过热、过电压不能正常运行，甚至鼓肚、击穿或爆炸。
3.2 使测量仪器计量不准确
谐波会造成电流、电压、功率、电能及电量变送等测量误差。常见的感应式电能表频率响应很差，记录三次谐波功率时约差20%，五次谐波时相差可达40%左右。在谐波源处，负载可向电网反送谐波有功功率，使电度表计量偏小；在线性负荷处，负载会产生额外的谐波损耗，使电度表计量偏大。
3.3 干扰通信系统的工作
供电线路中3、5、7、11等奇次低频谐波电流通过磁场耦合后，不仅会影响邻近通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，会触发电话铃响，甚至在严重情况下，还会威胁通信设备和人员安全。
3.4 对弱电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变、画面亮度波动、机内元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，使部分超声波传感器无法正常工作；使电压突变造成电子设备损坏、误动作，影响计算机程序正常运行；干扰交换机电源、楼控系统DDC现场电源，严重时可烧毁电源模块；在谐波电压含量较高时，会使各类以电源电压过零点为基准的计时器出现正误差。带有镇流器、电容器的荧光灯及汞灯与谐波在一定参数下会形成谐振产生过热缩短寿命。
3.5 对人体的影响
人体细胞受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率若与谐波相近，谐波的电磁辐射就会直接影响人的心脑磁场，造成人员头昏、心慌、身体不适，长期影响身心健康，对工作安全和效率造成不利。
4 谐波的治理措施
在煤矿供电系统中对谐波的治理即是消除或减少注入系统的谐波电流，主要有以下措施：
4.1 减少谐波源的产生
企业选购设备时，要注意谐波对供电系统及用电设备的影响，尽量选用产生谐波最少的设备，或者在选用设备的同时配套安装切实可行的治理装备。
4.2 在谐波源处进行治理
查找谐波源进行有效抑制是最为实际的方法，通常采取过滤或隔离电路中传导的高频电流、屏蔽辐射源或被干扰的线路、合理布置干扰源和被干扰线路避免产生耦合等方式，其具体方法主要有以下几种：
4.2.1 加装无源滤波器
无源滤波器由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一谐波频率相同时，即可阻止该次谐波流入供电系统。该方法投资少、结构简单、运行可靠、维护方便。缺点是不能对谐波和无功实现动态补偿；补偿特性受电网及负载影响大，滤波特性差；储能元件的体积大；可能与供电网络发生串、并联谐振。本方法主要适用于煤矿低压供电系统。
4.2.2 加装有源滤波器
有源滤波器是利用可控的功率半导体器件向供电网络注入与原谐波幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。这种方法有效的解决了无源滤波器的缺点，还可抑制串并联谐振的发生；可对一个或多个谐波和无功源进行单独或综合补偿。缺点是投资大、结构复杂。可用于对谐波治理要求较高的一些通讯、控制系统。
4.2.3 加装静止无功补偿装置
在快速变化的谐波源处并联装设静止无功补偿装置，减小谐波量波动，抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，并可补偿功率因数。
4.3 改善供电系统环境
合理布局分配负荷，尽力保持三相电压平衡，减小谐波对供电系统的影响；采用专用线路对谐波源负荷供电，减少谐波对其它负荷的影响，并集中进行谐波治理；采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。
4.4 监督掌握谐波情况
定期对企业内供电系统进行谐波普查测试，全面掌握谐波水平和负荷的谐波特性；当谐波源设备、电容器（或滤波器）组接入系统前后，进行专门的谐波测试以确定影响，并制定实施相应的治理措施。
5 结束语
抑制谐波的影响，提高供电系统电能质量，保障企业安全生产是煤矿企业面临的重大课题。总之，对谐波进行治理后，降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，提高了设备的安全运行，还起到节能降耗的目的，为企业创造了安全和经济价值。谐波的治理，是一个长期的、动态的工作，需要煤矿企业长期关注。
关键词 谐波；供电系统；治理
中图分类号 TM72 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0232-02
1 概述
煤矿作为高危行业，为保障安全生产，对各项工作都有严格要求和标准。按照国家法规、政策和标准、规程等落实各项系统保障工作后，随着整个系统的投入运行，在运转过程中又会不断产生各种新的不安全因素，谐波就是一种。一般情况，电力供应提供的是正弦波形的电压，电力输入矿区后，由于供电系统中存在的各种非线性负荷的影响，使电压的波形偏离正弦波形产生谐波，这些频率为基波频率整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。谐波的存在，对在运转中的煤矿造成了危害，其表现为引起电动机、变压器和电容器等附加损耗和发热，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，损坏降低继电保护装置、控制装置、检测装置的工作精度和可靠性，干扰通信线路，甚至引发并联或串联谐振，损坏电气设备等。因此，对于煤矿企业，研究分析谐波产生的原因及其造成的危害、研究制定抑制谐波的措施具有重要的现实意义。
2 煤矿企业供电系统谐波的产生
在煤矿企业传输、转换和使用电力的各个环节中都会产生谐波，通过分析归纳，谐波的产生主要来自具有下列特性的设备：
1）具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如井上、下各种电力变压器、箱变、电抗器、接触器、合闸线圈、镇流器、测试仪表等。
2）以强烈非线性特性电弧为工作介质的设备，如交流电焊机、气体放电灯等。
3）以电力电子元件为基础的各种开关电源设备，如高压变频器、低压变频器、电机车充电机、整流器、逆变器、矿井提升系统中具有相控调速和调压装置的设备、大容量的电力晶闸管可控开关设备等。
4）以晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、直流传动装置、晶闸管串级调速的电动机等。
另外，企业办公、生活电器如激光打印机、绘图仪、复印机、电脑、电视机、空调器、洗衣机、微波炉、通讯设备、节能灯、烤箱等都会产生各次谐波。随着煤矿企业各项生产和管理工作的发展，不断增置使用的各类电力电子设备都在源源不断的向供电系统提供着谐波，增添新的谐波源。
3 谐波对煤矿企业供电系统及用电设备的影响
煤矿企业不得不使用的各类设备向供电系统注入的谐波电流，使得谐波问题日渐突出，不但使系统中的设备不能正常工作，甚至造成某些设备故障，严重威胁生产安全，因此必须高度关注谐波问题。谐波对供电系统及用电设备的影响和危害主要表现如下：
3.1 对输配电及用电设备的影响和危害
3.1.1 对输电线路的影响
输电线路的电阻随频率的升高而增加，因集肤效应，谐波电流使输电线路的附加损耗增加，线损增大，还可导致中性线过载。输电线路上分布的线路电感和对地电容与产生谐波的设备形成串联或并联回路时，在一定参数下会发生串联或并联谐振，而并联谐振对相关设备有较大危害性。当谐波频率位于网络谐振点的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大，造成很大的谐波损耗，使电缆发热、缩短绝缘寿命，且极易导致绝缘击穿引起短路、火灾，以及保护装置误动、设备损坏等。
3.1.2 对继电保护和自动装置的影响
谐波会引起变压器复合电压启动过电流保护装置，负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动，以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器等误动，整流型和晶体管型继电器对谐波也较为敏感，严重威胁供电系统运行安全。
3.1.3 对开关设备的影响
谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关误动。全电磁型断路器易受谐波电流影响使铁耗增大而发热，由于对电磁铁及涡流的影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；当系统中含有大量谐波电流使电流过零点处的di/dt比基波电流时增大很多时，会降低热磁型断路器的分断能力，并加重接触器触头的烧蚀；谐波还会降低电子型断路器的额定电流，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。
谐波电流能造成漏电断路器异常发热，出现误动作或不动作；能使电磁接触器磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低；也会使热继电器额定电流降低；干扰变频装置、软启动器等设备的控制系统，严重时可使可控硅装置不能正常运行；对于采用晶闸管的变速装置，会使晶闸管误动作或使控制回路误触发。
3.1.4 对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，尤其3次及其倍数次谐波会在三角形连接的绕组中形成环流，导致绕组过热；使变压器的铁耗增大，主要是增加磁滞损耗，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，易形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。总之，谐波会使电力变压器减少实际使用容量，加速绝缘老化，增加噪音。
3.1.5 对电动机的影响
谐波会使电动机产生显著的脉冲转矩和噪音，可能出现电机转轴扭曲振动，造成机械疲劳。当谐波频率接近某零件固有频率时会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。频率越高使铁芯和绕组中产生的附加损耗会越大，严重时使电动机过热。按电机能承受的谐波电压折算成等值基波负序电压来考虑，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，将使绝缘寿命减半。负序谐波产生的负序旋转磁场，形成与电机旋转相反的转矩，起制动作用，将降低电动机的出力。
3.1.6 对电力电容器的影响 谐波电压的增高，会增加附加损耗，加速电容器的老化缩短寿命；当电容器与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，会使谐波电流放大几倍至几十倍，使得电容器过热、过电压不能正常运行，甚至鼓肚、击穿或爆炸。
3.2 使测量仪器计量不准确
谐波会造成电流、电压、功率、电能及电量变送等测量误差。常见的感应式电能表频率响应很差，记录三次谐波功率时约差20%，五次谐波时相差可达40%左右。在谐波源处，负载可向电网反送谐波有功功率，使电度表计量偏小；在线性负荷处，负载会产生额外的谐波损耗，使电度表计量偏大。
3.3 干扰通信系统的工作
供电线路中3、5、7、11等奇次低频谐波电流通过磁场耦合后，不仅会影响邻近通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，会触发电话铃响，甚至在严重情况下，还会威胁通信设备和人员安全。
3.4 对弱电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变、画面亮度波动、机内元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，使部分超声波传感器无法正常工作；使电压突变造成电子设备损坏、误动作，影响计算机程序正常运行；干扰交换机电源、楼控系统DDC现场电源，严重时可烧毁电源模块；在谐波电压含量较高时，会使各类以电源电压过零点为基准的计时器出现正误差。带有镇流器、电容器的荧光灯及汞灯与谐波在一定参数下会形成谐振产生过热缩短寿命。
3.5 对人体的影响
人体细胞受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率若与谐波相近，谐波的电磁辐射就会直接影响人的心脑磁场，造成人员头昏、心慌、身体不适，长期影响身心健康，对工作安全和效率造成不利。
4 谐波的治理措施
在煤矿供电系统中对谐波的治理即是消除或减少注入系统的谐波电流，主要有以下措施：
4.1 减少谐波源的产生
企业选购设备时，要注意谐波对供电系统及用电设备的影响，尽量选用产生谐波最少的设备，或者在选用设备的同时配套安装切实可行的治理装备。
4.2 在谐波源处进行治理
查找谐波源进行有效抑制是最为实际的方法，通常采取过滤或隔离电路中传导的高频电流、屏蔽辐射源或被干扰的线路、合理布置干扰源和被干扰线路避免产生耦合等方式，其具体方法主要有以下几种：
4.2.1 加装无源滤波器
无源滤波器由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一谐波频率相同时，即可阻止该次谐波流入供电系统。该方法投资少、结构简单、运行可靠、维护方便。缺点是不能对谐波和无功实现动态补偿；补偿特性受电网及负载影响大，滤波特性差；储能元件的体积大；可能与供电网络发生串、并联谐振。本方法主要适用于煤矿低压供电系统。
4.2.2 加装有源滤波器
有源滤波器是利用可控的功率半导体器件向供电网络注入与原谐波幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。这种方法有效的解决了无源滤波器的缺点，还可抑制串并联谐振的发生；可对一个或多个谐波和无功源进行单独或综合补偿。缺点是投资大、结构复杂。可用于对谐波治理要求较高的一些通讯、控制系统。
4.2.3 加装静止无功补偿装置
在快速变化的谐波源处并联装设静止无功补偿装置，减小谐波量波动，抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，并可补偿功率因数。
4.3 改善供电系统环境
合理布局分配负荷，尽力保持三相电压平衡，减小谐波对供电系统的影响；采用专用线路对谐波源负荷供电，减少谐波对其它负荷的影响，并集中进行谐波治理；采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。
4.4 监督掌握谐波情况
定期对企业内供电系统进行谐波普查测试，全面掌握谐波水平和负荷的谐波特性；当谐波源设备、电容器（或滤波器）组接入系统前后，进行专门的谐波测试以确定影响，并制定实施相应的治理措施。
5 结束语
抑制谐波的影响，提高供电系统电能质量，保障企业安全生产是煤矿企业面临的重大课题。总之，对谐波进行治理后，降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，提高了设备的安全运行，还起到节能降耗的目的，为企业创造了安全和经济价值。谐波的治理，是一个长期的、动态的工作，需要煤矿企业长期关注。