矿井变压器谐波耗能机理分析及节能方式研究

刘 峰

（大同煤矿集团同煤晋华宫矿，山西大同 037003）

1 煤矿变压器类型

1.1 普通矿用变压器

此类变压器大多运用在不含有煤气、瓦斯等易爆气体的安全场所，其主要功能是照明和日常低压动力。现阶段应用最广的普通矿用变压器为KS9和KS7，它的主要特征在于能耗较低。从结构上讲，KS7系列的变压器具有较高的机械强度和较坚固的油箱，在油箱的上部安装有油枕，可以避免因油管受堵而产生事故。在油箱的顶端安装了吸油器、吊环及注油塞，有助于吸油及注油的油箱湿气、变压器油的热空气通过注油塞排出[1]。在低压侧及高压侧分别设置了6和3个接线柱，用户可以通过三角形或者星形来进行连接。若低压侧的额定电压为660 V，其380 V变压器的容量通常低于200 kVA，若其额定电压为1 140 V，其660 V变压器的容量通常高于315 kVA。

在变压器的高压侧配置有±5%的分接头，当其二次侧的输出电压长期维持较低时，可将分接头调节到-5%；当输出电压维持较高时，可以将分接头调节到+5%。因分接头未设置相应的有效措施，因此必须在停电之后，才可以进行调节。分接头的转换步骤为：断开低压开关—断开高压电源—切换分接头。采用冷轧硅钢片来制作变压器的铁心，可以避免变压器产生一系列的故障[2]。

1.2 矿用隔爆型变压器

为了使隔爆需求得以满足，矿用隔爆型变压器应当根据隔爆的规范来研制外壳，壳体的内部可以承受高压。目前，煤矿井下移动变电站所运用的变压器为KGSB系列的矿用隔爆型变压器，此类变压器的外壳上端设计为长方形，其两端都配置了高压及低压隔爆接线盒，外壳的底部套管是高低压进出线通道，在接线盒上安装有急停开关、闭锁开关及高低压开关箱。

此类变压器的主要特征是变压器处于隔爆外壳上，铁心及线圈不必浸泡于液态物质中，因不含有可燃油，因此导致其使用过程具备较强的安全性，且便于维修，但其不具备较强的绝缘性及散热性，为了使其具备较强的机械韧性及较好的散热性，外壳应当运用楞状钢材圈[3]。普通变压器与隔爆型矿用变压器的区别如表1所示。

表1 隔爆型矿用变压器和普通型变压器的区别特征

2 变压器的谐波耗能机理分析

作为照明及动力装置，变压器在配电体系中有着广泛的运用，通过对绕组匝数比加以调整，可以有效地改变电流或电压的大小。目前，变压器具有较多的额定电压及容量等级，可以实现矿业的生产需求。通常情况下，矿用变压器的容量是发电机的2～3倍，且前者具有较好的效率，但是因使用量过大，导致其损耗问题日益突出。

2.1 矿用变压器受谐波影响分析

变压器会产生一定的谐波，而谐波对电网有着严重的影响。在煤矿的开采过程中，谐波问题通常会导致矿用电能的质量降低，对其正常运行有着较大的影响。质量较高的电能属于相应的正弦交流电，电压相同，频率的波动幅度较小[4]。当电流受到外部干扰时，其所产生的波形将会产生偏差，电能的质量也会降低。特别是当负荷中存在较多的非线性负载之时，系统的电流将会产生异常变化，进而导致谐波的形成。当存在较大谐波时，配电体系将会受到严重的影响。除了增加损耗之前，也会产生效率较低、设备受损等状况，严重威胁着工作人员的安全。

在配电体系中，谐波主要通过使变压器产生较大的能耗，而导致变压器构造发热。此外，谐波的存在将导致变压器出现震动，进而产生容量降低等状况。在某种程度上，温升问题将会缩短变压器的使用寿命，而铁心的附加温升主要取决于杂散损耗，频率的增加将会导致涡流及磁滞的损耗增多，且前者的损耗高于后者。

变压器所产生的谐波损耗将会导致其容量不断降低，且供配电体系受其影响较大。首先将导致电能的使用效率降低；其次，电气设备因受热问题而迅速老化，降低了使用周期；第三，电气设备使用效率的降低，通常会导致系统产生故障或者设备受到损坏。因此在供电体系中必须对谐波加以有效抑制。

2.2 变压器中谐波产生机理分析

变压器铁芯出现的磁饱和问题是导致谐波产生的根本原因。忽略不计磁滞对电压所造成的影响，变压器出现空载的时候，其所形成的端电压为式（1）。

端电压与磁通之间的关系为式（2）。

综上所述，端电压与磁通的波形相似，属于正弦波，并且电压所具有的相位超出其π/2。磁化曲线如式（4）。

其磁通相对电流为式（5）。

式中：n为线圈的转速；ψ为磁通量；u为端电压；U为额定电压；ω为线圈转动的角速度；t为时间；I为额定电流；a为瞬时电流。

通过上式可知，磁通所形成的相对电流包含了3次谐波，电流也出现了异常变化，当励磁电流存在谐波的时候，变压器将会产生大量的谐波。谐波与端电压两者的大小存在一定关系，当电压较小的时候，谐波也较小[5]。在某种程度上，绕组的接线模式也对谐波电流造成了一定影响，同时变压器的构造也是一个影响因素。零序励磁所形成的谐波电流无法流出变压器，因此无法进到大电网内，但大容量的变压器不具有完全对称的三相磁路，因此零序谐波电流将会对系统产生相应的影响。

2.3 变压器因谐波引发的损耗分析

因谐波所产生的变压器损耗存在较多的类型，其中最典型的是铜耗与铁耗。铁耗包含了铁芯之间所形成的局部涡流损耗和铁芯自身产生的涡流及磁滞损耗。因绕组所形成的损耗又称之为铜耗，当存在较大的负载率时，铜耗占据了较大的比例。

（1）磁滞损耗。当变压器的铁芯出现磁化时，由于外磁场的变化速度大于铁磁质，因此产生了磁滞问题，进而出现磁滞损耗。由于铁磁具有一定的磁惯性，当磁化出现饱和之后，磁场的强度将会不断降低。此时磁感应强度B将不断降低，当其降低至0时，由于B的转变较落后于磁场强度，B并非为0，形成磁滞闭合曲线[6]。为了使铁芯的磁矫顽力得以降低，铁芯将会不断磁化，产生相应的磁滞损耗。该损耗将会被传输到外围物质中，导致变压器产生温升问题，进而极大降低了变压器的效率。处于交流条件下，变压器的铁芯将会产生大量的损耗，不仅导致效率降低，而且导致设备受到损坏。因此变压器铁芯所运用的材料具有较好的磁导性，一般运用软磁。当变压器出现谐波之后，磁滞损耗与其基波电压呈现负相关，与谐波电压及功率因素呈现正相关，通过磁滞伸缩反应，磁滞损耗将会对变压器造成严重的损坏。

（2）涡流损耗。当磁感线透过带电导体时，导体内部将会形成相应的感应电动势，进而对带电导体的变化造成阻碍。由于存在电动势，导体将会产生发热的状况，进而形成涡流。一般状况下，变压器铁芯主要由彼此绝缘的薄铁片所构成，这种结构可以降低涡流损耗。根据电磁学的相关知识可知，磁通量的改变将会导致铁芯产生涡流损耗。变压器的漏磁场主要有2种，分别为轴向和辐向，其相对应的损耗分别为轴向和辐向。

（3）绕组损耗。一般指的是铜耗或者可变化的损耗，变压器一、二次侧的绕组电阻产生相应的铜耗，而铜耗会因漏磁场的存在而增加[7]。

3 煤矿变压器节能方式分析

3.1 谐波治理节能

目前，针对谐波所采取的解决措施主要有：选择最恰当的供电模式；增强设备的抗谐波干扰能力；利用变流器来处理谐波源，以降低配电体系中的谐波；加设滤波器，滤波器的运用可以有效避免谐波进入电网体系或者负载侧，在某种程度上不仅可以吸收谐波电流，而且可以补偿供电体系。

在矿山的领域内，谐波源通常包含井下大巷皮带和副井提升机，谐波将会超出允许范围，而相应的治理装置通常安装于变电站。

根据电力系统的相关知识可知，负荷的无功功率将会随着电压的降低而降低。为了使负荷电压保持在正常的范围内，应当对负荷开展有效无功补偿。因此，矿井的供电体系必须保障平衡的无功功率，才能使配电体系有效运行，确保该系统的电压正常。电源与负荷的无功功率及其损耗应当维持平衡状态，否则，当电网不具备充足的无功功率时，必须开展相应的无功补偿。

3.2 电能质量监控节能

因变压器绝缘受损所造成的匝间短路等问题将会对用户的生活造成极大的影响，电力装置也会因此受到破坏。矿用变压器在产生短路问题之后，其相关电流将会出现电弧，轻则破坏设备，重则造成爆炸[8]。

对各个节点的电力运行状况及电能的质量进行长期监测，有助于资源的合理分配，可以有效避免事故的产生，且及时上报，在故障发生之后可以完成数据的分析、原因的确定及治理措施的运用等一系列工作。

4 结束语

在生产生活中，煤炭是其最重要的能源。我国有着巨大的煤炭生产量，其吨煤的能耗也较大。为了满足科学发展观，应当积极采取有效的措施来降低开采过程中的能耗。煤炭开采过程中的电能损耗主要来源于电气设备，因此，矿井节能主要是增强开采设备的节电能力。