談電力系統(tǒng)諧波對繼電保護自動裝置的影響

摘要：本文從什么是諧波、諧波產(chǎn)生的原因及產(chǎn)生諧波的各種類型用電設備、諧波的危害、電力系統(tǒng)諧波對電力設施及繼電保護自動裝置的影響、以及如何治理諧波使電力設施和繼電保護自動裝置安全可靠運行等方面進行論述電力系統(tǒng)諧波對繼電保護自動裝置的影響。

關鍵詞：諧波 電力系統(tǒng) 繼電保護自動裝置

0 引言

隨著宜陽電網(wǎng)供、配、用電規(guī)模的日益擴大，特別是宜陽局近年來各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，各個工業(yè)園區(qū)的不斷增多以及區(qū)域用電設備類型的多樣化、復雜化等因素存在，宜陽電網(wǎng)中的諧波分量也較嚴重，宜陽電網(wǎng)的電能質(zhì)量已得不到較好保證。由于電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的存在，已對宜陽電力網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行構成了威脅。

1 定義

諧波：指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，這是對諧波做的比較準確的定義。一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，任何與工頻頻率不同的成分都可以看作是諧波，因為交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，這時“諧波”的意義并不是完全與原意一致的。

2 諧波產(chǎn)生的原因及產(chǎn)生諧波的各種類型的用電設備

2.1 諧波產(chǎn)生的原因 當電流和電壓的關系可以用正弦波來表示的時候，可以看作是理想的供電系統(tǒng)。如果電路不復雜只含線性元件的情況下，流過的電流越大，施加的電壓就越大，流過的電流呈正弦波。根據(jù)傅立葉分析原理，可以將非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數(shù)。在電力系統(tǒng)中，之所以會出現(xiàn)諧波，從本質(zhì)上來看就是由于非線性負載。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓并不是一種線性關系，于是出現(xiàn)非正弦電流，即出現(xiàn)了諧波。像是功率轉(zhuǎn)換器這樣的電力系統(tǒng)設備之所以會出現(xiàn)比較嚴重的背離正弦曲線波形的情況，是因為半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管具有非線性的特性。之所以會出現(xiàn)諧波電流，與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)是有聯(lián)系的。

2.2 各種類型的用電設備產(chǎn)生的諧波

2.2.1 晶閘管等電子整流設備：因為我們現(xiàn)在在公司內(nèi)比較普遍的使用晶閘管整流設備如電解槽、充電裝置、開關電源等，這就會使得電網(wǎng)中出現(xiàn)不少的諧波。晶閘管整流裝置主要采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，而饋送給電網(wǎng)的有不少是諧波。例如工廠用的整流裝置、變電站內(nèi)的高頻開關電源裝置、變壓器、UPS、整流器、逆變器等，基本上采用的都是晶閘管、小功率的整流裝置等電力電子元件，其勵磁電流比較多，盡管單個容量不大，但數(shù)量不少且分布的范圍較大，它們產(chǎn)生的高次諧波也會對電力系統(tǒng)造成影響，使電力網(wǎng)出現(xiàn)更多的諧波。據(jù)相關資料獲知：在出現(xiàn)的所有諧波中有大約40%是由電子整流裝置產(chǎn)生的，這是主要的諧波來源。

2.2.2 變頻調(diào)速裝置：變頻調(diào)速裝置簡稱變頻器，一般都是在一些速度調(diào)節(jié)工藝設備中使用，比如水泵、風機等，因為使用的是相位控制，諧波成份不是很簡單，不僅有整次諧波，還含有分數(shù)次諧波。隨著公司內(nèi)各生產(chǎn)區(qū)域變頻器的大量使用，變頻裝置的諧波含量更大了，分布的范圍也更廣了，這樣，在公司電網(wǎng)中將會產(chǎn)生更多的諧波。

2.2.3 氣體放電類電光源：如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等均屬于氣體放電類電光源。隨著公司“綠色照明”工程的進行，公司內(nèi)各種熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈的使用量較多，同樣給公司電力網(wǎng)注入了諧波分量。其諧波特征是主要產(chǎn)生3、5、7次諧波，其諧波量的大小是由燈具的容量決定的，二者成正比關系。

2.2.4 生活用電器：公司生活區(qū)電力網(wǎng)中所掛的大量家用電器，如電視機、各種節(jié)能燈、電冰箱、洗衣機、空調(diào)、微波爐、電磁爐、計算機、充電器、調(diào)光燈具等，這些家用電器均含有非線性元件，會產(chǎn)生諧波電流，其中的調(diào)壓整流裝置，則會產(chǎn)生較深。

3 諧波對電力系統(tǒng)繼電保護的影響

3.1 高次諧波對各種類型繼電保護的影響。電磁諧波對電磁繼電器的影響。電磁型電壓繼電器的動作與流過其線圈的電流有效值平方成比例。阻抗分量會隨著線圈匝數(shù)的增加而變大，其阻抗可看作為R + jωL。頻率不一樣，ωL也是有差別的，高次諧波之所以會使動作值變大，主要就是因為線圈阻抗變大了。當出現(xiàn)大量的諧波，并且各次諧波又沒有快速衰減時，電磁型繼電器就非?？赡艹霈F(xiàn)誤動，最終使系統(tǒng)出現(xiàn)比較嚴重的事故。

3.2 諧波對整流型繼電器的影響。因為在負序濾波器的作用下，可以將三相電流轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嚯妷?，導致整流型距離保護裝置如LH-21型的振蕩閉鎖經(jīng)常動作產(chǎn)生，正比于負序電流該濾序器包括兩部分，即接在一相內(nèi)的電流互感器和接在兩相內(nèi)的電抗互感器。當系統(tǒng)電流中含有諧波，同時三相諧波是不一樣的，也不對稱。負序濾波器會產(chǎn)生較多的諧波，再加上裂相回路可以放大諧波，造成不小的整流出的直流脈沖的出現(xiàn)，從而使保護誤動作。

3.3 諧波對微機保護產(chǎn)生影響。微機電源系統(tǒng)和微機的模擬量輸入回路是導致諧波對微機保護產(chǎn)生影響的兩個主要因素。微機保護工作出現(xiàn)異常時，很可能是微機模擬量的輸入回路含有諧波，所以，為了使諧波不會影響有用信號與干擾信號之比，在測量和控制用的微機系統(tǒng)中都會在A/D轉(zhuǎn)換器前裝設模擬式低通濾波器。

3.4 諧波會導致頻率儀不能進行準確的測試、準同期裝置合閘誤差角超過允許值、故障錄波器誤啟動等自動裝置的誤動。評價繼電保護性能時通常使用3個指標即靈敏度、選擇性、速動性。

3.5 諧波給變壓器保護造成影響。變壓器差動保護的起動判據(jù)一般都是選擇突變量。LFP900系列變壓器保護的判據(jù)選擇的是基于半周積分算法的相電流工頻變化量，而CST141，CST140型保護的起動判據(jù)選擇的是相電流采樣值的突變量，在這兩種情況下依然可能會受到諧波的影響，出現(xiàn)保護異常起動的情況就非常大。

3.6 諧波給電網(wǎng)造成影響。如果系統(tǒng)中含有諧波分量，繼電保護工作就很可能出現(xiàn)異常，并聯(lián)或串聯(lián)諧振可能會出現(xiàn)在二次系統(tǒng)的諧波感抗與容抗間，因此無法保障二次回路的安全。這樣就要求我們在進行設計的時候，慎重的選擇二次設備，不要讓二次系統(tǒng)固有頻率靠近系統(tǒng)中含量較多的整次諧波頻率；要注意設計好消諧回路，努力不要讓諧波造成諧振過電壓。為了避免鐵磁諧振，在500kV系統(tǒng)中使用電容式電壓互感器CVT，系統(tǒng)運作時監(jiān)視好二次回路，空中線路要短。

3.7 諧波電流和諧波電壓都將對系統(tǒng)中的一次和二次設備造成不利的影響，使設備在工作中出現(xiàn)異常。電力系統(tǒng)諧波的出現(xiàn)將不會使繼電保護設備保持原來的特性。因為各種繼電器在類型上是有差異的，必然會在設計性能和工作原理上表現(xiàn)出差異性來，而且諧波對其影響也是有差異的。

輸入的電流和電壓波形的不正常變化會使這些性能惡化。保護裝置之所以能夠進行高精度的各種保護運算，是因為它清除了電力系統(tǒng)直流分量和高次諧波分量的數(shù)據(jù)，當然這需要硬件模擬濾波器和軟件數(shù)字濾波器的幫助。運算放大器的帶通濾波器和共振型電流互感器的帶通濾波器是比較常見和普遍使用的兩種模擬濾波器，二者相比較而言，運算放大器的帶通濾波器的適用范圍更廣，更受歡迎，因為它體積小和精確度高，而數(shù)字濾波器的可靠性非常好，它不受諸如溫度這樣的外界環(huán)境影響，主要是通過軟件實現(xiàn)的。它的優(yōu)點是，不會因元件的不同而導致不同的濾波效果，避免了由于元件老化和負載阻抗匹配的問題。

4 結論

根據(jù)繼電器電路的要求，而能模擬實際波形的試驗裝置是很有用處的。它將鼓勵人們將諧波問題納入正軌，為改進電力系統(tǒng)繼電保護裝置的特性確定改進的繼電器參數(shù)，提出標準的試驗波形，最終提出具有更好性能的繼電保護裝置。

結合宜陽電網(wǎng)的實際情況及實際中遇到的一些問題，我們主要分析了電力系統(tǒng)繼電保護受諧波影響的問題。要想讓繼電保護的運行狀態(tài)是安全穩(wěn)定的，還需要做到以下三點：第一，依據(jù)國內(nèi)外相關的諧波標準，考核各個諧波源。第二，在對諧波進行多次監(jiān)測的條件下，仔細的分析裝置，不斷的完善電網(wǎng)諧波監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)視并統(tǒng)計系統(tǒng)中的諧波水平和潮流分布。第三，如果某一系統(tǒng)中有較大量的諧波存在，我們要特別注意監(jiān)視好繼電保護設備的運行情況。

參考文獻：

[1]華中電網(wǎng)事故分析報告.

[2]宜陽縣電業(yè)局關于諧波相關制度，材料.

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31888-0.