辽宁荣信兴业电力技术有限公司 辽宁鞍山 114001
摘要：煤矿企业供电系统中无功冲击主要产生于网内的非线性负荷用电设备。针对这一问题，本文全面分析了煤矿系统供电系统和其矿井提升机所产生的谐波和无功冲击，探索使用于煤矿供电系统的谐波抑制方式和无功补偿方法—无源滤波器（FC），为其供配电系统管理提供科学的依据。
关键词：无功补偿；无源滤波器；谐波
第一章 谐波
1.1、谐波概念
谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶分解，得到一系列不同频率的分量，其中大于基波频率的部分称为谐波，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。
1.2、谐波的来源
1）、非线性负载，例如斩波直流负载，其工作电流是非正弦波形。
2）、谐波与电力系统中基波叠加，造成波形的畸变。
3）、荧光灯照明系统也是一个重要的谐波源，在普通的电磁整流器灯光电路中，三次谐波的典型值约为基波(50Hz)值的13%-20%。
1.3、谐波的危害
谐波的危害目前，谐波和电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面：
（1）增加输配电设备的附加损耗、降低设备的效率和利用率
（2）影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
（3）使测量和计量仪器的指示和计量不准确
（4）干扰通信系统的正常工作
第二章 谐波治理的措施
2.1、谐波治理方式与选择
外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。主要有以下几种方式：
（1）采用无源滤波器;
（2)采用有源滤波器;
（3)采用混合型有源滤波器。
2.2、无源滤波器（FC）设计原理
2.2.1、无源滤波器（FC）补偿无功功率
无源滤波器可以滤除系统中谐波，并对系统补偿基波容性无功功率。滤波器LC阻抗
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，随ω的增大而减小，至谐振频率时，阻抗达到最小值
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＝
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，之后随着ω的增大，阻抗又渐渐增大，实际工程中，滤波器的谐振点一般低于要滤除的谐波频率。例如：5次谐波滤波器，LC谐振频率约为250Hz，对50Hz呈容性，滤波支路向系统注入容性无功功率。
2.2.2、无源滤波器的基本原理
无源滤波器一般由一组或数组单调消滤波器组成，单调谐滤波器利用L、C电路串联谐振原理构成。
h次单调谐滤波器，在角频率ω＝
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时的阻抗为
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，式中
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为额定工频角频率。
由于谐振谐波次数为h，则
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，显然，在理想调谐状态下，
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＝
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，h次系统电流主要将通过低值电阻
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分流，而很少流入系统中去，因而使该次谐波电压大为降低。
当母线上由短路容量换算得到的基波电抗Xs中，主变压器的电抗（有时包括限流电抗器的电抗）占绝对优势时，可以认为谐波电抗的hXs（h为谐波次数）。在系统等值谐波电阻Rsh一般很小，有时将其忽略，这种处理方法，一般用于6－10kV中小型滤波器参数的选择中。
第三章 无源滤波器（FC）在煤矿供电系统中应用
3.1、现场参数
额定电压：10kV
最高工作电压：12kV
主要参数：SFZ9—12500/110；121±8×1.25/10KV；YN.dll；Ud=10.5%。
10kV侧最大短路容量：105.57MVA；最小短路容量：96.33MVA。
3.2、主要谐波源
主井：电机2600KW，采用电枢可逆、电枢回路并联12脉动晶闸管整流直流调速，共2套。
副井：电机1800KW，采用电枢可逆、电枢回路并联12脉动晶闸管整流直流调速，共1套。
井下中央泵房：异步电动机2240KW，共5套，最多使用三套，采用软启动方式。另有大于10500ＫＷ左右的其他负荷。
3.3、无功功率与谐波的计算
1）、主井绞车最大无功冲击(感性)：绞车在重载提升起动时，起动转矩（启动电流）约为电机额定转矩（额定电流）的1.3倍。电动机额定功率为Pe=2600KW，计算出变压器一次电流为I1=275.8A。起动时最大视在功率为：
Smax1=
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U1I1=4477kVA式中：U1=10kV，绞车供电变压器一次电压。
在起动瞬间有功功率近似为0，故最大的无功冲击约为：Qmax1≈4477kvar。
2）、副井绞车在稳定提升时的无功功率（感性）：副井绞车电动机额定功率为Pe=1800kW，cos=0.7，则在稳定提升时的无功功率为：
Qfj=Pe×tan=1836kvar
3）、其它设备的无功（感性）：其它设备按17220kW，自然功率因数按0.78考虑，负荷利用系数按0.6考虑，无功功率为Qb=k×Pe(tan1-tan2)= 3884.8kvar
4）、电压波动在国标允许值时的允许无功波动：10kV系统允许的电压波动为d=2%，在最小短路容量Skmin=96.33MVA时允许的无功波动为：
ΔQ=d×Skmin=1927Kvar
5）、容性无功补偿容量计算：最严重的情况确定为：主井绞车重载启动，副井绞车处于稳定提升状态，此时为了把电压波动限制在2%以下，应该补偿的容性无功为：
Qmax1+Qfj+Qb-ΔQ=8270.8kvar
因此选取滤波器的基波补偿容量为8.4Mvar；
主井绞车谐波电流计算：主井绞车重载起动时，其供电变压器一次电流I1=275.8A，其各次谐波电流计算值如表一所示。
表一、谐波电流计算值
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3.4、滤波器设计
3.4.1、滤波器设计的基本原则
1）滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动及闪变的要求；
2）选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行；应考虑以下因素：
a)母线电压水平；b)串联电抗器后电容器两端电压升高
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；c)谐波电流通过电容器引起的谐波电压
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；d)电网电压波动引起电压升高；
3）滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求；
4）滤波器设计时应进行充分的计算机仿真计算及数据库选优，经多个方案比较，选择最佳方案；
5）对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振；
6）对滤波器的安全运行应进行仔细校验。
3.4.2、无源滤波器设计参数
根据系统谐波状况分析，遵照无源滤波器的设计原则，无源滤波器设置5、7、11次3个滤波通道，具体参数如下表。
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结论
无源滤波器（FC）技术是一种可靠、经济、实用的无功补偿技术，能够提高电网输电能力和负荷端电压的稳定性，降低网损，改善电能质量。该技术的进一步推广应用将为我国节能降耗，建立节约型社会提供重要的技术支撑手段。无源滤波器（FC）技术减少电网污染，降耗节能的效益明显，其累计节能创造的效益已超过亿元，并将继续发挥节能降耗作用。
参考文献
[1]《钢铁企业电力设计手册》冶金工业出版社
[2]《电能质量公用电网谐波》中华人民共和国国家标准GB/T14549-93
[3]《电力系统谐波》吴竞昌、孙树勤、宋文南、曲涛等编著
[4]《煤矿电工手册》煤炭工业出版社
作者简介
金博（1984—），男，汉族，辽宁鞍山，工程师，工学学士，单位：辽宁荣信兴业电力技术有限公司，研究方向：电力系统无功补偿与谐波治理。