低壓斷路器檢測用諧波源的分析

廣安電氣檢測中心（廣東）有限公司 田慧超

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低壓斷路器的控制設(shè)備正在逐漸智能化，與老舊低壓斷路器相比，新一代產(chǎn)品具有精確監(jiān)控、動作靈敏、自動恢復(fù)等優(yōu)點。隨著產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展，采樣控制電路將逐漸引入，諧波干擾問題也持續(xù)存在。此外，低壓斷路器在電力系統(tǒng)保護(hù)和控制方面較為重要，如果其保護(hù)特性受到諧波的影響，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)保護(hù)的誤動作，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，研究電網(wǎng)諧波對低壓斷路器工作的影響，以促進(jìn)電力系統(tǒng)安全工作。

2 諧波的危害

諧波是指頻率與交流電路中電力頻率的基頻不同的波?，F(xiàn)代電網(wǎng)中整流器及變頻器的使用會產(chǎn)生高次諧波。作為一種能量污染，諧波可能會引起電機(jī)加熱故障、電力保護(hù)誤動作、通信設(shè)備干擾以及其他異常，進(jìn)而影響設(shè)備的主動輸出。另外，高次諧波對電氣設(shè)備也有較大的影響，容易引起事故。因此，諧波控制尤為重要，在低壓斷路器使用過程中，諧波會導(dǎo)致低壓斷路器無法正常工作。導(dǎo)致斷路器接觸問題主要有以下幾方面。

一是加快電器電源模塊老化。高次諧波頻率高，不僅正弦波清晰，還容易增加電源模塊的滯后和渦流損耗，溫度急劇上升，噪聲增加，電器產(chǎn)品使用年限降低。

二是電器不能正常工作。當(dāng)電氣設(shè)備存在負(fù)載不平衡時，只有去除平衡值后的電流才能流過空檔。這個功能可以去除中性導(dǎo)體容量的一半。但是，由于高次諧波頻率高，中性線經(jīng)常過熱，會導(dǎo)致電氣故障。

三是導(dǎo)致電器損壞。如果有多個高次諧波，高次諧波的存在容易導(dǎo)出電氣設(shè)備的電動機(jī)的振動轉(zhuǎn)矩，則電氣設(shè)備的各種傳感器（電壓和電流等）的測量會產(chǎn)生誤差，有可能無法正確測量。有較大的諧波電流，電器低壓斷路器不正常，容易引起短路、火災(zāi)，進(jìn)一步增加電器損耗。高次諧波電壓較大時，與系統(tǒng)電壓的疊加會導(dǎo)致電容器兩個部分的電壓上升，從而產(chǎn)生過電壓。因此，由于對低壓斷路器的電阻，電力轉(zhuǎn)換器等電力系統(tǒng)的部分設(shè)備與正弦波波形呈現(xiàn)出比較大的偏差。因此，對低壓斷路器的諧波防止能力有嚴(yán)格的要求。

3 低壓斷路器的選擇

低壓斷路器的具體用途主要包括220V和380V的工作電壓，因此為了避免在380V電力線下工作的220V低壓斷路器，必須進(jìn)行匹配選擇。工作電壓的選擇原理是改善低壓斷路器的額定工作電壓，其不得低于電力系統(tǒng)工作電路的額定電壓。

一是選擇額定電流。選擇低壓斷路器時，必須注意額定電流，提高保護(hù)效果，使其超過受保護(hù)電器的額定電流。此外，電流必須考慮短路狀態(tài)，以確保低壓斷路器的極限斷路能力合適，并滿足最大短路電流的要求。因此，可以避免短路狀態(tài)下的低壓斷路器的損傷。

二是反應(yīng)時間的選擇。低壓斷路器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，其反應(yīng)時間與電力系統(tǒng)的作用效果直接相關(guān)，也是避免慢反應(yīng)引起問題的有效途徑。當(dāng)前，許多電力系統(tǒng)在響應(yīng)延遲時，容易引導(dǎo)對相關(guān)保護(hù)對象造成損傷的過載電流，否則不能保證低壓斷路器的靈敏度。但是靈敏度過高可能會導(dǎo)致更多的誤動作，對電力系統(tǒng)動作的威脅也非常明顯。

三是回路的選擇。在低壓斷路器的特定選擇和應(yīng)用中，為了避免電路數(shù)量不匹配引起的明顯干擾威脅，還需要從電路數(shù)量的角度考慮電力線電路的不同性能，可以用低壓斷路器進(jìn)行調(diào)整。在實際應(yīng)用中，低壓電力線的數(shù)量存在一些差異。如家用主開關(guān)低壓斷路器必須選擇三個或更多低壓斷路器，以確保理想的控制效果。為了保護(hù)一般電器，只能選擇一臺低壓斷路器。

4 低壓斷路器檢測用諧波源的分析

4.1 基于等效電路的定位法

諧波狀態(tài)估計的方法可以識別各節(jié)點的諧波電壓及電流，確定各電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的諧波源的位置。

一是有功功率法。作為以往的諧波源檢測方法，在實際的檢測工藝中廣泛使用有效電力方式。主要原理是使用諾頓等效電路圖確定諧波源的位置，具體定位方法是根據(jù)諧波電流對公共連接點的影響來確定諧波源的位置。

二是無功功率法。除了用于確定諧波源的有功功率法之外，無功功率法還被用于確定諧波源的位置。電力系統(tǒng)運行時，有功功率受相位角的影響，而無功功率主要受電壓幅度的影響。一般來說，為了確定無功功率的諧波源的位置，需要使用電路，說明了主要工作原理比較電壓振幅，確定諧波源的位置。此時，基于無功功率法的諧波源的位置決定會受到諧波阻抗的影響，導(dǎo)致結(jié)果的精度降低。一般來說，需要假定主要的阻抗系數(shù)不變，但是針對這種多諧波問題的方法誤差較大，不容易確定諧波源的位置[1]。

4.2 諧波源檢測分析

作為電力系統(tǒng)的核心，低壓斷路器的主要功能是使其工作更可靠、更安全，以避免故障引起的電源明顯偏差，形成理想的控制效果，減少故障的發(fā)生率。隨著低壓斷路器的實際應(yīng)用和技術(shù)手段的不斷成熟，有越來越多的種類和功能。低壓斷路器的選擇要求進(jìn)行仔細(xì)比較，以加強(qiáng)管理和控制，確保低壓斷路器與特定電力系統(tǒng)匹配，避免所有類型的可能問題。低壓斷路器工作中的諧波源非線性、隨機(jī)且不穩(wěn)定。因此，找到諧波源較為困難。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有越來越多的諧波檢測方法，檢測精度不斷提高。根據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)要求的分析，一些常見的諧波檢測方法通?？梢詸z測諧波控制器的補(bǔ)償效果，分析系統(tǒng)工作條件，檢查電器選擇，檢查接地設(shè)計合理性等。改善效益掌握電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置戰(zhàn)略，斷路器被廣泛使用，需要優(yōu)化繼電保護(hù)配置，確認(rèn)設(shè)定值，如果突然發(fā)生故障，那會引起巨大的損失。斷路器的可靠性非常重要，急需研究斷路器更有針對性的故障診斷技術(shù)。

目前，多數(shù)研究都集中在低壓斷路器上，低壓斷路器的故障主要由機(jī)械故障引起，定期檢查能滿足實際需要。低壓斷路器故障時，斷路器可以切斷電源電路，防止設(shè)備過熱導(dǎo)致?lián)p傷和人身傷害。因此，斷路器的科學(xué)選擇，可以有效地保護(hù)用戶的財產(chǎn)和個人安全。如果選擇了低壓斷路器的設(shè)定值，則電路斷路器會錯誤動作。在配電系統(tǒng)中，一般負(fù)載為配電線、電機(jī)、照明電路[2]。

一是低通濾波器提取基波分量法。提取基本成分的低通濾波器的方法由來已久，基本成分首先是通過獨自的高通濾波器檢測高次諧波電流而得到的。然而，該方法在實際應(yīng)用中存在局限性。例如，如果濾波器的信號失真，則補(bǔ)償效果變小，實用值不高。目前，技術(shù)人員通過組合各種先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)了從低通濾波器中提取基波成分的方法，并應(yīng)用DSP微處理器提高了檢測精度。

二是自適應(yīng)檢測法。該方法以電壓波形失真、簡單的應(yīng)用、優(yōu)異的性能和優(yōu)異的適應(yīng)性為特征，但其缺點是慢動態(tài)響應(yīng)、算法長和穩(wěn)態(tài)精度低，因此技術(shù)人員需要持續(xù)改善檢測精度。

三是基于頻譜的FFT法?；陬l譜的FFT檢測方法可以分解檢測信號，確定各諧波的振幅和相位，通過帶通濾波器去除諧波成分，對信號執(zhí)行FFT，得到補(bǔ)償指定次數(shù)的諧波補(bǔ)償信號。在靈活的時間內(nèi)，在“高中心頻率”下自動變窄，在“低中心頻率”下放大。目前，諧波的FFT檢測以波形穩(wěn)定周期性、使用頻率為整數(shù)為前提，并改進(jìn)算法。

四是小波變換。小波變換檢測的研究時間比較晚，直到近年來才取得了較大的進(jìn)步。目前，將小波變換應(yīng)用于高次諧波檢測通過小波變換的多重分辨率分析，將含有高次諧波的原始信號分解為頻率不同的塊信號，其結(jié)果以低頻帶為基本成分，高頻帶為高次諧波。

五是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)降噪技術(shù)相結(jié)合，用于檢測諧波。用于高次諧波檢測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算較少，經(jīng)過適當(dāng)干預(yù)和預(yù)防。標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法要求大量的學(xué)習(xí)樣本，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度很大程度上取決于樣本。但是，研究和應(yīng)用的時間短，要求提高設(shè)置技術(shù)。

4.3 諧波源治理分析

目前，為了通過增加脈沖數(shù)來有效地控制高次諧波，有很多技術(shù)手段來控制低壓斷路器的高次諧波，如轉(zhuǎn)換器件的適當(dāng)轉(zhuǎn)換和特定相移角的轉(zhuǎn)換器變壓器的選擇，這將增加器件的復(fù)雜性集中式諧波互補(bǔ)器件可以展開、分散或交錯，通過調(diào)整諧波源的作用模式，可以有效地降低諧波的影響。添加不同類型的靜態(tài)var補(bǔ)償設(shè)備（TCT、TCR、SR等）也有助于減少和抑制諧波量。此外，最終分析還需要加強(qiáng)技術(shù)研究和創(chuàng)新，不斷改善低壓斷路器，特別是對諧波敏感的電路斷路器的反諧波性能。

一是采用裝設(shè)并聯(lián)電容器。電網(wǎng)中有高次諧波時，電容器的端子電壓上升，流過電容器的電流也增加，電容器的電力損失增加。電介質(zhì)為不同電容器時，高次諧波下的功率損耗可能比不使用高次諧波時更大。但是，高次諧波劇烈時，電容器膨脹甚至爆炸。諧波測試數(shù)據(jù)表明，在機(jī)器運行過程中，電網(wǎng)中將生成大量的低次諧波和高次諧波。使用直接并聯(lián)電容器時，公共電網(wǎng)往往會發(fā)生局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，產(chǎn)生諧波放大，危害擴(kuò)大，甚至引起電容器、開關(guān)和其他設(shè)備的燃燒。經(jīng)過仔細(xì)研究，為了保證分流電容器的安全工作，相關(guān)人員決定用有源功率濾波器對諧波進(jìn)行濾波。通過分析和比較，相關(guān)人員決定使用低壓斷路器的動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置使電網(wǎng)諧波電流保持在指定范圍內(nèi)。

二是從供電源頭加強(qiáng)治理。高次諧波主要在電源部產(chǎn)生，加強(qiáng)電源管理是降低諧波對電器影響的基本解決方案。傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置不便維持單一結(jié)構(gòu)、固定裝置設(shè)定和低空間使用，無法靈活變更補(bǔ)償模式或增減補(bǔ)償容量。低壓斷路器動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置采用了組裝和分解靈活、易于維護(hù)的單元結(jié)構(gòu)無功功率補(bǔ)償模塊，每個無功功率補(bǔ)償模塊由電容器、電抗器、開關(guān)、保險絲等組成，組裝成小的安裝結(jié)構(gòu)，形成單元。低壓模塊化動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置具有可靠性高、自動化程度高、容量控制算法、保護(hù)及故障診斷的優(yōu)點，同時還具有顯示、事件記錄和統(tǒng)計功能，便于安裝和維護(hù)，確保電網(wǎng)安全[3]。

三是濾波器的使用。具體而言，無源濾波器簡單經(jīng)濟(jì)，便于維持，相對穩(wěn)定，但其體積較大，容易使電網(wǎng)電壓老化。其用于低壓斷路器的整流器入口側(cè)，即100kW電力的無源濾波器用于吸收和控制固定系統(tǒng)諧波，還考慮到無功功率補(bǔ)償?shù)谋匾?，可以阻斷高次諧波，確保負(fù)載設(shè)備的正常工作。該方法易于實現(xiàn)，電器總是在不同的工作環(huán)境下具有較強(qiáng)的諧波濾波能力，保證電源質(zhì)量，使電器在所有條件下穩(wěn)定工作。

四是接入有源諧波濾除裝置。有源諧波濾波器可以在不受電網(wǎng)阻抗影響的各種頻率和幅度的同時補(bǔ)償諧波，以確保濾波效應(yīng)。也就是說，分析基于電容性阻抗的諧波抑制的原理。但是，由于有源諧波濾波器成本高、便攜性低，一般只適用于辦公樓上的計算機(jī)控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。有源諧波濾波裝置具有動態(tài)諧波補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點，不受電網(wǎng)阻抗及電網(wǎng)頻率的變化容易影響。此外，無功功率可以動態(tài)補(bǔ)償，能量存儲元件所需容量不大，有源諧波濾波裝置由低壓斷路器支撐，具有大幅降低設(shè)備故障率的良好的諧波濾波特性，因此被廣泛應(yīng)用于低壓斷路器。

5 結(jié)語

諧波會影響低壓斷路器的安全穩(wěn)定工作，需要驗證具有高次諧波抑制或濾波功能的低電壓完全無功功率補(bǔ)償裝置。具備電子過電流及電流保護(hù)的低壓斷路器，必須通過高次諧波電流耐受性試驗。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)測試要求，必須分析低壓斷路器的諧波抑制或濾波功能，以及諧波承受性測試要求，以便為諧波源的設(shè)計提供技術(shù)支持。諧波的存在會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，降低電能質(zhì)量。為了滿足低壓斷路器的需求，需要極力解決高次諧波問題，滿足低壓斷路器諧波耐受試驗的要求。