電氣系統(tǒng)中諧波對(duì)繼電器保護(hù)的影響

楊光倫　曾乾嶸

[摘? ? 要]現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，整流晶閘管、變頻設(shè)備以及換相逆變裝置的大量使用，導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染問(wèn)題呈現(xiàn)出加重趨勢(shì)，高次諧波的存在對(duì)各類電氣設(shè)備均造成不同程度的損害。文章以繼電器為例，首先概述了諧波對(duì)整流型、電磁型以及感應(yīng)型繼電器帶來(lái)的具體危害;隨后介紹了瞬時(shí)無(wú)功功率法、傅里葉變換法和小波變換法3種常用的諧波檢測(cè)方法;最后結(jié)合工作實(shí)踐，分別從加裝濾波器、改進(jìn)諧波抑制技術(shù)，以及設(shè)計(jì)消諧回路等總結(jié)了可用于抑制諧波、保護(hù)繼電器的可行性策略，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了支持。

[關(guān)鍵詞]電氣系統(tǒng);諧波;繼電器;濾波器

[中圖分類號(hào)]TM611 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]In modern power systems， the large-scale use of rectifier thyristors， frequency conversion equipment， and commutation inverter devices has led to an aggravation of the problem of harmonic pollution in the power grid. The existence of high-order harmonics has caused various degrees of damage to various electrical equipment. . Taking relays as an example， this article first summarizes the specific harm caused by harmonics to rectifier， electromagnetic， and induction relays; then introduces three common harmonics： instantaneous reactive power method， Fourier transform method， and wavelet transform method. Wave detection method; Finally， combined with work practice， from the aspects of installing filters， improving harmonic suppression technology， and designing harmonic elimination loops， summarized the feasible strategies that can be used to suppress harmonics and protect relays， which are for the stability of the power system. Operational support is provided.

[Keywords]electrical system; harmonics; relays; filters

研究表明，電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)故障，排除繼電器自身故障原因外，諧波破壞是一種常見(jiàn)因素。由于高次諧波來(lái)源復(fù)雜，不可能完全杜絕諧波的產(chǎn)生。一種思路是通過(guò)外加特殊裝置來(lái)抑制諧波，使其危害可控;另一種思路則是加強(qiáng)對(duì)繼電器的保護(hù)，提高其抗諧波干擾能力。除此之外，還要結(jié)合繼電器的具體類型，以及檢測(cè)電力系統(tǒng)中諧波分量的大小，制定具體可行的方案，確保達(dá)到抑制諧波、使繼電保護(hù)功能正常發(fā)揮的效果。

1 諧波對(duì)不同類型繼電器造成的危害

1.1 對(duì)整流型繼電器的危害

整流型繼電器的作用是把輸入的交流電、直流電進(jìn)行整流，并根據(jù)整流后輸出的電壓、電流信號(hào)，決定接下來(lái)的動(dòng)作。如果出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流的情況，則繼電器自動(dòng)斷開(kāi)，起到保護(hù)電路的效果。當(dāng)繼電器所在的電力系統(tǒng)中出現(xiàn)輸電線路的接地短路故障時(shí)，流經(jīng)繼電器的電流中存在較高的高次諧波分量，另外，諧波經(jīng)過(guò)裂相回路時(shí)還會(huì)受到放大作用，使得諧波產(chǎn)生的危害進(jìn)一步加劇，此時(shí)整流型繼電器有較高的概率出現(xiàn)誤動(dòng)。

1.2 對(duì)電磁型繼電器的危害

此類型的電流繼電器，其轉(zhuǎn)速與電流有效值的平方成正比。通過(guò)判斷電流有效值的大小作為動(dòng)作的依據(jù)。其特點(diǎn)是對(duì)整定值要求不高，當(dāng)電網(wǎng)中存在少量諧波時(shí)，由于電磁型繼電器內(nèi)部線圈匝數(shù)較多，具有較強(qiáng)的阻抗，因此在諧波不大的情況下，并不影響繼電器正常動(dòng)作。但是如果電網(wǎng)中高次諧波的產(chǎn)生量較大，會(huì)引起保護(hù)拒動(dòng)。此類型的電壓繼電器，如果諧波的動(dòng)作值大于基波的整定值，則會(huì)因?yàn)檫^(guò)電壓導(dǎo)致繼電器拒動(dòng);相反，在欠電壓的情況下，繼電器又會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)。

1.3 對(duì)感應(yīng)型繼電器的危害

此類型的繼電器具有動(dòng)作速度慢，但是可動(dòng)部分慣性大的特點(diǎn)。在磁場(chǎng)影響下，通入電流的繼電器圓盤(pán)會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)的影響，沿著磁場(chǎng)方向做定向的轉(zhuǎn)動(dòng)。并且，其動(dòng)作靈敏性與繼電器的頻率呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在大量的5次、7次諧波時(shí)，附加的諧波轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致繼電器頻率大幅度上升，動(dòng)作靈敏度也隨時(shí)下降。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)載情況時(shí)，很難第一時(shí)間響應(yīng)并做出保護(hù)動(dòng)作，繼電器出現(xiàn)拒動(dòng)情況，失去了保護(hù)控制功能，給電氣系統(tǒng)的運(yùn)行增加了隱患。

2 電氣系統(tǒng)中諧波檢測(cè)方法

2.1 瞬時(shí)無(wú)功功率法

以三相三線制電路為例，若電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變、出現(xiàn)高次諧波，首先通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)消除畸變量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，從而保證最終測(cè)得的諧波電流值能夠準(zhǔn)確反映當(dāng)前電力系統(tǒng)中存在的諧波分量。其檢測(cè)方法為：采用低通濾波器擴(kuò)大增益，從而得到瞬時(shí)有功電流的幅值（ip）和瞬時(shí)無(wú)功電流的幅值（iq）。由此易得某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)電流值ip（t）和iq（t）。然后可以求得瞬時(shí)諧波電流ih（t）。：

該檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，基本上不存在延時(shí)問(wèn)題，對(duì)提高檢測(cè)結(jié)果的精確性和可信度有積極作用。

2.2 傅里葉變換法

現(xiàn)階段使用FFT（傅里葉變換）檢測(cè)諧波，是一種比較常用的方法。其特點(diǎn)是通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字域開(kāi)展諧波檢測(cè)，從而消除干擾，以量化結(jié)果的方式直觀表達(dá)電氣系統(tǒng)中的諧波。當(dāng)然，使用FFT法檢測(cè)諧波，也有一定的缺陷，例如數(shù)據(jù)處理工作量大，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性稍差。而延時(shí)情況比較嚴(yán)重的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致采樣周期與信號(hào)周期無(wú)法做到同步，由此導(dǎo)致頻譜泄漏并影響檢測(cè)結(jié)果的可信度。因此，在使用FFT法時(shí)，通常會(huì)采取同步采樣法來(lái)抑制頻譜泄漏，或者增加窗函數(shù)提高諧波分析的分辨率和幅值相位精度。

2.3 小波變換法

由于電力系統(tǒng)中若干種電氣設(shè)備都可產(chǎn)生諧波，因此諧波具有隨機(jī)性、復(fù)雜性特點(diǎn)，這也是導(dǎo)致常規(guī)檢測(cè)結(jié)果精度不高的重要原因。但是小波變換對(duì)控制諧波測(cè)量誤差具有明顯優(yōu)勢(shì)。一方面，小波變換的頻帶屬于非均勻劃分，既有狹窄的低頻頻帶，也有較寬的高頻頻帶。因此無(wú)論是電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的平穩(wěn)信號(hào)還是瞬時(shí)信號(hào)，都能夠被小波變換的頻帶捕捉，從而杜絕了頻譜泄漏問(wèn)題，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。另一方面，小波等同于一個(gè)雙窗函數(shù)，而根據(jù)上文介紹的FFT法可知，通過(guò)增加窗函數(shù)有助于提高檢測(cè)精度。因此對(duì)某一信號(hào)進(jìn)行小波變換，等同于從該時(shí)頻窗內(nèi)的信息提取信號(hào)，保證了檢測(cè)結(jié)果的精度。

3 電氣系統(tǒng)中諧波抑制措施

3.1 加裝濾波器

濾波器的諧波抑制原理是清除電力系統(tǒng)中直流分量與高次諧波分量數(shù)據(jù)，從而使得運(yùn)算結(jié)果更加精確，讓繼電器的各項(xiàng)動(dòng)作更加規(guī)范、及時(shí)，達(dá)到保護(hù)效果。根據(jù)組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的不同，又可以分為電力濾波器、數(shù)字濾波器等類型。近幾年，電力濾波器（PF）逐漸成為抑制諧波的常規(guī)措施，其特點(diǎn)如下。

（1）運(yùn)行時(shí)無(wú)共振現(xiàn)象，不會(huì)受到電力系統(tǒng)阻抗的影響，保證了穩(wěn)定的諧波抑制效果。

（2）結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，只需要1臺(tái)關(guān)斷電子器件就能夠完成對(duì)于3次、5次和7次諧波的補(bǔ)償，提高了響應(yīng)速度。

（3）關(guān)斷電子裝置自身也有輸出限制的功能，這樣即便是電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了較多的高次諧波，也會(huì)通過(guò)限制輸出防止補(bǔ)償裝置過(guò)載。

數(shù)字濾波器是基于軟件算法對(duì)輸入的離散型號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)整信號(hào)頻譜、抑制諧波的功能。其優(yōu)勢(shì)在于可靠性好，不會(huì)受到磁場(chǎng)、高溫等外界條件的干擾。另外，實(shí)用性強(qiáng)，解決了因?yàn)樵匣斐蔀V波效果減弱的問(wèn)題。

3.2 改進(jìn)諧波抑制技術(shù)

為了減弱諧波對(duì)電力系統(tǒng)造成的危害，諧波處理技術(shù)也在不斷的創(chuàng)新、發(fā)展?，F(xiàn)階段來(lái)看，應(yīng)用較為廣泛的主要有調(diào)諧濾波、無(wú)源濾波和有源濾波等幾種。前2種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)較為成熟，尤其是無(wú)源濾波技術(shù)，可以對(duì)電力系統(tǒng)中5次、7次等特定高次諧波進(jìn)行抑制。但是也存在一些缺陷，例如，只能針對(duì)某個(gè)特定的諧波，如果電力系統(tǒng)中同時(shí)存在2個(gè)及以上的高次諧波，則技術(shù)的實(shí)用性會(huì)受到限制。有源濾波是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種諧波抑制技術(shù)，其特點(diǎn)是可調(diào)整任意階次的諧波。并且能夠利用前端的傳感監(jiān)測(cè)裝置，隨時(shí)掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況，并識(shí)別諧波電流，然后自動(dòng)調(diào)整并產(chǎn)生與諧波電流相反、等量的電流，達(dá)到抑制甚至是消除諧波的效果。3種諧波抑制技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

3.3 減小諧波對(duì)繼電器保護(hù)影響的措施

除了抑制電氣系統(tǒng)中的諧波，還可以嘗試以下措施削弱諧波對(duì)繼電器保護(hù)的負(fù)面影響，從而確保繼電保護(hù)裝置能夠正常動(dòng)作。首先要做好電氣系統(tǒng)諧波檢測(cè)，并嚴(yán)格執(zhí)行《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)間諧波（GB/T 14549—1993）》中對(duì)于不同電網(wǎng)電壓下，諧波電壓含有率的要求，見(jiàn)表2。一旦檢測(cè)到電氣系統(tǒng)中實(shí)際含有的諧波超出了標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)采取諧波抑制和消除措施。

此外，在選擇繼電保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮對(duì)諧波不敏感的器件，例如弱電繼電器，或者在電力系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)零檢測(cè)電路。在變壓器差動(dòng)保護(hù)中，選擇差動(dòng)繼電器，利用速飽和變流器以及二次諧波制動(dòng)，都可以起到減弱諧波對(duì)繼電器保護(hù)影響的效果。諧波感抗和電容之間出現(xiàn)諧振，是導(dǎo)致電力二次系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波的重要原因，基于此，設(shè)置消諧回路可以有效抑制諧波，從而避免諧振引起電力系統(tǒng)過(guò)載的情況，也會(huì)間接起到對(duì)繼電器的保護(hù)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、電力設(shè)備種類多樣化的背景下，諧波污染問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也給電力設(shè)備造成了損害。為了保障電網(wǎng)穩(wěn)定、安全供電，必須要采取諧波抑制措施，使繼電器保護(hù)功能順利實(shí)現(xiàn)。利用小波變換、傅里葉變換等方法，檢測(cè)當(dāng)前電力系統(tǒng)中諧波分量，然后采取加裝電力濾波器、數(shù)字濾波器，以及使用有源濾波技術(shù)，設(shè)計(jì)消諧回路等措施，能夠?qū)χC波起到明顯的抑制效果，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)凈化。

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