電力系統(tǒng)諧波對繼電保護的影響

袁有香

摘要：隨著中國社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，居民、企業(yè)對電力的需求越來越大，安全用電越來越重要，大規(guī)模停電會影響社會穩(wěn)定，影響人民正常生活，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，繼電器保護技術(shù)必須受到重視，因為它是確保電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運行的重要組成部分。本文分析了電力系統(tǒng)諧波對繼電保護的影響，而且提出了消除舉措，希望可以給電網(wǎng)保護提供參考。

關(guān)鍵詞：電力;諧波;繼電保護;影響

一、引言

隨著新的電氣設(shè)備的不斷出現(xiàn)與電氣系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，生活、生產(chǎn)中越來越多的非線性負載連接到了電網(wǎng)上。 這些都會在電網(wǎng)中引起大量諧波，而這些諧波會損害經(jīng)濟效益，降低電能質(zhì)量，嚴重危害電網(wǎng)系統(tǒng)與設(shè)備。 電力系統(tǒng)的諧波問題，在高壓直流電力傳輸?shù)膽?yīng)用中尤為突出。系統(tǒng)波形的高次諧波分量，在家電異常動作、電力系統(tǒng)短路時將進一步增加。 高次諧波會引起導(dǎo)線的絕緣惡化，加速電力設(shè)備的損耗，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞、絕緣破壞。自動化裝置與繼電保護也可能由于這種干擾導(dǎo)致失效或拒絕工作，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行無法得到保護。因此，了解自動化裝置與繼電保護中諧波的影響，將諧波的影響降到最小是非常重要的。

二、諧波的概述

（一）電力系統(tǒng)中的諧波

“諧波”一詞來源于聲學。諧波在國際專業(yè)基準的定義中，其頻率是基波的整數(shù)倍，是周期性電能的正弦波分量。近年來，有學者稱基波的非整數(shù)頻率成分為中間諧波或分數(shù)諧波。雖然將頻率低于頻率中間諧波定義為二次諧波，但本文不分析其他諧波，主要研究基波的積分倍數(shù)諧波。非線性負載在電力系統(tǒng)中是硬件故障的根本原因，而在當前電力系統(tǒng)中，由于辦公室電子設(shè)備、電力機車、電弧設(shè)備、可控硅整流裝置等的大量的非線性負載連接，這些設(shè)備連接電網(wǎng)時，系統(tǒng)的電流、電壓會產(chǎn)生高級諧波，諧波的出現(xiàn)影響了部分用戶的正常生產(chǎn)，威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行，嚴重惡化了電力質(zhì)量。因此，電力的諧波“污染”在國際上被認為是電力系統(tǒng)的公害。

（二）繼電保護的重要作用

電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護裝置，在輸電線路、變壓器、發(fā)電機等設(shè)備出現(xiàn)故障時會自動啟動。設(shè)備如果短暫出現(xiàn)故障問題，重新連接后，電力也會繼續(xù)供應(yīng)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運行。設(shè)備問題假如持續(xù)下去的話，采取一定的措施，清除故障后，電力仍然可以繼續(xù)供應(yīng)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全。

三、諧波對繼電保護的影響

（一）諧波對電磁型繼電器的影響

如果諧波含量小于40%，則設(shè)置誤差為10%或更小。但在非靜態(tài)條件下，基波電流或基波電壓必須由繼電保護裝置進行調(diào)節(jié)，因此會產(chǎn)生一定的影響。如果存在電流繼電器保護，則硬件拒絕工作。當接在諧波上的應(yīng)變電壓作用在繼電器上時，電壓繼電器動作值的調(diào)整值總是遠遠高于基波的調(diào)整值，因此過電壓繼電器可能拒絕動作，無電壓繼電器可能發(fā)生故障。特別是，接通空載變壓器時，會產(chǎn)生高諧波的沖擊電流，高次諧波成分主要有兩個諧波，斷路器很快被切斷，會引起繼電器的誤動作。

（二）諧波對感應(yīng)型繼電器的影響

感應(yīng)繼電器和磁場的磁盤產(chǎn)生感應(yīng)電流，其他磁場與感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生磁扭矩，使磁盤旋轉(zhuǎn)。繼電器的作用部分較慢，具有較強的慣性，諧波對扭矩幾乎沒有影響。根據(jù)專家的計算，繼電器的開始靈敏度受流經(jīng)繼電器面板的失真電流的諧波分量的附加扭矩的影響，隨著輸入電流頻率從50Hz增加到250Hz，逐漸變化，特別是由第五和第三路徑的諧波電流產(chǎn)生的扭矩、由各諧波成分產(chǎn)生的扭矩和失真電流對繼電器面板的扭矩起作用，因此成為電流的基本成分之和。由于諧波電流成分產(chǎn)生的扭矩可能為負或正，因此繼電器可能拒絕或故障。結(jié)果的決定取決于同一頻率下硬件要素的有效值與硬件的相位差。

（三）諧波對整流型繼電器的影響

整流器繼電器的主要特征是多輸入或全輸入電流的組合。繼電器的作用特性取決于整流電流信號及其作用準則。基本上，諧波的內(nèi)容越高，影響越大。以由雙環(huán)整流電路構(gòu)成的定向阻抗繼電器為例，當電路中的電流包括諧波分量時，操作特性不是不規(guī)則的多波段，而是閉環(huán)曲線。在某些情況下，可能會因電力線接地短路等大電流硬件組件而整流器保護裝置拒絕動作。主要原因是，如果電路中電流含有諧波成分，則繼電器動作特性會因為從環(huán)狀整流器的相位比較器輸出的交流成分增加，而造成不穩(wěn)定。因此，繼電器在設(shè)計時，需要考慮硬件的影響。

四、電力系統(tǒng)中諧波的消除方法

（一）限制諧波振蕩過電壓產(chǎn)生

這個問題可以從兩個方面解決。一是為了避免與諧波振動參數(shù)匹配，將功率網(wǎng)格的電容性電抗改為接地或變壓器的感應(yīng)。另一方面，零相電路的衰減變大，抑制諧波振動波的過電壓和諧波振動的發(fā)生和產(chǎn)生。有六種設(shè)計方法。第一，要提高電網(wǎng)的接地能力。第二種是將電阻器連接到一個開放的三角繞組盤口。第三，選擇性能優(yōu)良的電容性變壓器或電磁變壓器。第四中性點高電壓側(cè)的大容量接地。第五是電力網(wǎng)的中性點經(jīng)由脫弧環(huán)接地。第六是變壓器的中性點消弧圈接地。雖然以上設(shè)計各有特點，但是考慮到便利性、可靠性、經(jīng)濟性及應(yīng)用效果，消磁裝置或者在變壓器開口處的三角形繞口處連接電阻具有無可比擬的優(yōu)點。

（二）互感器開口三角繞組端設(shè)置消諧裝置

連接到儀表用變壓器的三端雙向可控硅開關(guān)元件通過斷續(xù)觸發(fā)瞬間啟動，儀表用變壓器開口的三角繞組端瞬間短路，利用系統(tǒng)的零階電阻與零階電壓放出諧波的振動能量，增加諧振電路的衰減。實際上，去除諧波的效果會隨著外部衰減電阻的減小而增高，電阻為零時最有效。三端雙向可控硅開關(guān)元件瞬間短路時，外部電阻為零，繼電器或其他自動檢測裝置的動作不會受到影響。當前系統(tǒng)中的多頻硬件的振動問題該裝置可以解決?？梢粤⒓礄z測識別硬件振動的頻率，繼電器或其他設(shè)備的正常動作不受影響。這種裝置與電網(wǎng)的一次設(shè)備無關(guān)，也適用于無人的綜合自動變電站，具有安全可靠，安裝簡單的優(yōu)點。

結(jié)語

對于配電系統(tǒng)尤其是繼電器保護，隨著配電系統(tǒng)中電力電子設(shè)備越來越多的應(yīng)用，可能發(fā)生諧波放大與諧波諧振現(xiàn)象，產(chǎn)生了不利影響。另外，系統(tǒng)阻抗結(jié)構(gòu)的變更和增加的電子設(shè)備等，都可以變更電流和電壓的等效阻抗。因此，未來繼電保護開發(fā)的必然趨勢是，繼電器保護本身有正確區(qū)分異常、故障和正常操作狀態(tài)的能力，其操作性能可以從外部干擾中解放出來。

參考文獻

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