煤矿井下是个特殊的作业环境, 受瓦斯、煤尘、水、火、热等影响, 作为现代化矿井生产的基础, 供电必须安全、可靠。随着矿井装备自动化、信息化技术水平的提高, 矿井采区不断延伸, 谐波源不断增多, 广泛使用大功率变频节能减排设备如主副井绞车、抽风机、皮带机电控装置等, 而这些电力电子器件大部分都是非线性的, 并随着非线性负荷容量的不断增大, 供电线路长而复杂, 在特定情况下容易发生谐振;电网发生谐振后, 产生大量的谐波, 使得正常的交流波形发生畸变, 产生高电压, 由于电气设备所承受谐波的能力是有限的, 电网中的电气设备绝缘受到损害。因此, 有效预防和抑制电网谐振, 是保证矿井安全生产所必须的。
1 谐振产生的条件及危害性
矿井变压器中心点不允许直接接地, 以免产生较大的接地电流。矿井电网中, 既有感性电流, 又有容性电流, 接地后;
感性电流:IL=U/XL=U/ωL
电容电流:IC=3ωCU
感性电流与容性电流相位相反,
当IL>IC线路线路是感性的;
当IL
当IL=IC线路或接近相等最易发生谐振。
当感性负载接近于容性负载时, 便产生谐振, 可造成熔断器熔断、用电设备绝缘损害、相间短路、母线跳闸、避雷器损坏、电容器爆炸, 甚至会让整个矿井供电系统摧毁, 造成人身安全威胁和较大的经济损失。
2 煤矿电网谐振的种类及典型案例分析
2.1 煤矿电网谐振种类
电网谐振的类型有很多, 总结起来通常有如下几类。
(1) 空载合母线或线路。当空合带电压互感器的母线或线路, 巨大的励磁涌流可能会造成互感器的某一相或两相绕组发生磁饱和。
(2) 断线或者断路器三相不同期操作。当系统出现输电线路断线落地、断路器非全相运行、电压互感器的高压熔断器一相或二相熔丝熔断等情况时, 可能会导致系统中的电感、电容元件形成谐振回路。
(3) 系统发生间歇性弧光接地故障。此时非故障相对地瞬间升至线电压, 而在接地消失后故障相又瞬间恢复至相电压, 导致电压互感器暂态励磁涌流的急剧增大和铁芯的磁饱和, 这类谐振发生的概率最为普遍。
(4) 传递过电压。当系统中发生不对称接地故障或断路器不同期操作时, 将会出现零序电压和零序电流分量, 通过静电和电磁耦合, 在相邻输电线路之间或变压器绕组之间会产生工频电压传递现象, 从而危及低压侧电气设备绝缘的安全, 并且可能与低压侧的电压互感器等铁磁元件组成谐振回路, 有时也会发生从低压侧到高压侧的传递过电压。
(5) 电网补偿回路中的电容器和消弧线圈。在电力系统中, 为了线路中的功率因数, 常常在输电线路的首端、中间或者末端串联电容器补偿装置。当有串联电容补偿装置的线路末端接有空载或轻载变压器时, 由于其励磁电感较大, 在与线路的正序电感相加后, 可与串联电容补偿装置组成谐振回路。另外在某些补偿电网中, 当消弧线圈处于全补偿或接近全补偿时, 如果系统三相对地电容不平衡比较大时, 可能会产生串联谐振过电压。
(6) 雷击或雷电波入侵, 造成系统三相电压升高、电压互感器铁芯饱和。
2.2 煤矿电网典型案例
(1) 间歇性弧光接地诱发的谐振。
2003年6月13日, 淮南某矿变电所6kV二段, 发生电容器爆炸、电压互感器熔断器熔断事故。
原因分析如下。
当天阴雨天气, 空气湿度较大, 矿井变电所正常运行, 在供该矿居民区650架空线路第五号杆处由于瓷瓶老化绝缘性能较低, C相发生间隙性弧光接地, 当C相发生接地后各相间相电压发生变化, 电压升高, 但线电压大小和相位没有发生变化, 电压的对称性也没有遭到破坏, 按照规程规定一点接地后还可以运行允许2h, 便于查找故障, 使井上下重要负荷的供电可靠性提高。但是, 单相接地后, 通过的电流为容性的, 其大小约为原来相对地电容电流的3倍, 这种电容电流不易熄灭, 而周期性的弧光接地会诱发谐振过电压;该事故正是由于这种谐振过电压, 引起该线路上杆电缆处绝缘击穿, 再次对地放电, 再次触发谐振, 这种谐振产生的谐波与原电网上的谐波相叠加产生较高的过电压, 这种过电压对该电网中的其它电气设备绝缘进行损坏击穿, 由于并联电容器的容性阻抗特性, 以及阻抗和频率成反比的特性, 使得电容器容易吸收谐波电流而引起过载热量积聚进而发生爆炸, 650线路电缆头处放电形成BC两相弧光短路跳闸。
(2) 电压互感器、空载变压器、空载线路分合闸等引起的铁磁参数谐振。
2010年5月16日10时13分淮南某矿发生一起高压跳电事故, 造成抽风机30min恢复供电, 主副井停运, 人员在井眼中卡罐2h, 矿井变电所电压互感器炸裂。事后对此次事故进行认真分析排查这是一起电网谐振故障。
事故原因分析如下。
当日9时望井变电所正进行一次线路强制性检修, 约10时5分线路检修完毕, 遥测绝缘正常, 解除地线, 闭锁, 送电;由于该线路空载, 并且电压互感器的激磁特性不好发生饱和, 引发高频谐振, 电压互感器激磁电流上升很快, 形成匝间短路, 电压互感器爆裂, 并且有流质流出, 电压互感器一次熔断器熔断。同时对于由变压器、电压互感器、架空线电容及供电电容器组成的谐振网络, 可以组成一系列不同振荡频率的振荡回路, 这种谐振产生的非正弦瞬变过程中含有一系列的谐波, 加上电网原来已有的谐波, 在某自振频率的谐振过电压。这种谐振过电压又是一种准稳态现象, 其过电压持续时间可能较长, 并且会引发新的谐波过电压条件。这种谐振过电压不断积累迭加, 其过电压可能达到数倍相电压。而运行中的10kV的二段母线, 因谐振过电压波形迭加和终端末梢回波折射效应, 电压峰值更大, 造成终端的穿墙瓷瓶爆炸, 并形成三相弧光短路, 10kV二段母线总开关跳闸, 10kV二段所带母线重要负荷, 抽风机, 副井提升机, 包括井下部分负荷全部掉电, 造成抽风机30min才恢复运转, 人员在罐笼卡罐2h, 井下四处瓦斯超限, 对矿井造成重大的安全威胁。
(3) 开关非全相合闸 (含非同期动作) 或刀闸, 熔断器非全相作引起的基波谐振, 电容传递 (采用电容器串并联补偿时) 产生分频谐振。
2006年7月, 淮南某矿居民区线路发生网络谐振造成该小区大部分在用电器烧坏, 该母线段所带绞车房电机损毁。
事故原因分析:由于该小区是棚户区改造小区, 居民比原有增加负荷也增加, 夏季正值用电高峰, 而变压器还是原变压器, 容量不能满足用电负荷要求, 该变压器一次保险为跌落式熔断器, 变压器在用电高峰时, 熔断器发生两相熔断, 由于供往该小区的线路较长, 电容较大, 变压器在三相非全相熔断的情况下发生谐振, 产生过电压, 经变压器传递给二次侧造成, 低压侧电压升高, 使得电器设备绝缘击穿。
该线路同母线段的绞车电机绝缘被损坏定子线圈短路烧毁, 该段母线总开关跳闸。
3 谐振的抑制及防范措施
综合上述3类典型的事故案例, 在矿井生产中, 消除或减少供电系统发生谐振过电压现象是非常必要的。消除诱发谐振因素和谐波污染, 应该引起高度重视。
在电网中, 既有感性电流, 又有容性电流。
感性电流:IL=U/Xl=U/ωL
电容电流:IC=3ωCU
感性电流与容性电流相位相反,
当IL>IC线路线路是感性的;
当IL
当IL=IC线路或接近相等最易发生谐振。
中心点不接地系统, 抑制谐振措施。
(1) 尽量使容性负载和感性负载参数匹配, 两者参数不能接近。
(2) 消耗谐振能量, 阻尼抑制或消除谐振发生。如在电压互感器高压侧中性点串接电阻器;电网中加装谐波滤波装置和改中性点不接地供电系统为中性点经消弧线圈接地。采用滤波装置能够有效的滤除高次谐波, 同时向电网提供容性无功功率, 提高功率因数, 优化用电环境, 降低线路损耗, 消除谐振过电压对电气设备绝缘的冲击, 延长使用寿命。
(3) 加强煤矿电力系统的监控和完善电力系统监控设施也是很有必要的, 发生谐振后能够及时准确地预警和查找故障点, 避免事故的扩大化, 提高供电的安全与可靠性。
摘要：电网谐振一直是矿井供电的威胁, 鉴于煤矿工作特殊性, 安全供电的重要性, 本文分析了电网谐振产生的因素及危害性, 列举了典型的事故案例, 提出了预防措施。
关键词：煤矿电网,谐振,分析,措施
参考文献
[1] 邱关源.电路[M].高等教育出版社, 2000:210～216.
[2] 王丽芬.矿井供电系统中谐波与谐振过电压现象分析[J].煤COAL, 2010 (7) :101～103.