電力系統諧波對繼電保護的影響
［摘要］隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統中的非線(xiàn)性負荷明顯增多，由其產(chǎn)生的高次諧波的危害題目也日益突出。本文闡述了電力系統諧波對電磁式繼電器、整流型繼電器、微機型繼電器及各種自動(dòng)裝置的影響及防止措施，又對微機保護借助硬件（有源濾波器）和軟件（數字濾波器），清除電力系統高次諧波分量進(jìn)行了闡述。 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計
　　
　　1諧波的產(chǎn)生和危害
　　諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。
　　
　　1.1高次諧波的產(chǎn)生
　　隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統中的非線(xiàn)性負荷明顯增多，因而高次諧波的危害題目也日益突出，其中包括：
　　(1)各種閥型換流設備（如電氣化鐵道機車(chē)）。
　　2001年西北電研院在安康地區幾個(gè)帶有牽引負荷出線(xiàn)的變電站，進(jìn)行了諧波分量及負序分量的現場(chǎng)測試，結果表明安康電網(wǎng)由電氣機車(chē)負荷產(chǎn)生的三、五次諧波電流含量超標。
　　(2)耗用電弧能的設備（電弧煉鋼爐和電焊設備等）。
　　(3)鐵磁性設備（電力變壓器、電抗器等）。
　　(4)其它（電解設備和某些家用電器等）。
　　
　　1.2高次諧波的主要危害
　　(1)加強盡緣劣化，縮短電氣設備壽命。
　　(2)增加維修工作量。
　　(3)增多電網(wǎng)損耗。
　　(4)產(chǎn)生干擾使保護及自動(dòng)裝置誤動(dòng)。
　　(5)使計量器件產(chǎn)生誤差。
　　(6)對無(wú)線(xiàn)電通訊系統造成干擾。
　　2諧波對繼電保護和自動(dòng)裝置的影響
　　2.1繼電保護和自動(dòng)裝置受到諧波嚴重影響的條件
　　使得繼電保護和自動(dòng)裝置受到諧波嚴重影響的條件可以列出以下七條，其中第1和第2條之一是必須具備的。
　　(1)在電氣間隔上接近大的諧波源。
　　(2)安裝地點(diǎn)存在諧波嚴重放大或接近諧波諧振條件。
　　(3)裝置的動(dòng)作整定值很小，例如接在差動(dòng)電路、零序電路或負序電路上。
　　(4)裝置的元件或動(dòng)作原理對諧波敏感，例如采用晶體管繼電器、半波比相判定的方式、依靠檢出過(guò)零點(diǎn)等等。
　　(5)諧波損傷了裝置的某個(gè)部分，例如使動(dòng)作接點(diǎn)粘連，導致誤動(dòng)。
　　(6)安裝地點(diǎn)的短路容量太小，例如在海上油井平臺上、自備機組成孤立網(wǎng)運行等。
　　(7)尚有不平衡負荷或涌流的基波負序電流，并且和諧波電流同時(shí)發(fā)生。
　　

繪圖式電力及諧波分析儀PROVA-6300

電力品質(zhì)分析儀6800+3007(3000A)

諧波分析儀PROVA6800+6802(1000A)

交流電力及諧波分析儀PROVA6605
　　2.2高次諧波對各種類(lèi)型繼電保護的影響：
　　
　　2.2.1諧波對電磁繼電器的影響
　　(1)DL-11型電流繼電器是常用的電流保護元件，在不同頻率下其動(dòng)作是反映通進(jìn)電流有效值的平方，當有諧波電流時(shí)，電流的有效值是：
　　
　　其中I1，I2……In分別為基波和各次諧波的有效值。
　　經(jīng)試驗，在不同頻率下DL-11電流繼電器，動(dòng)作電流時(shí)誤差很小。試驗結果見(jiàn)表1
　　表1DL-11電流繼電器在各次諧波下的動(dòng)作電流
　　基波2次3次4次5次6次7次
　　動(dòng)作值(A)1.51.511.511.521.521.521.53
　　
　　當在基波上疊加30不同相角的3次諧波時(shí)，動(dòng)作值則如表2。
　　表2疊加30不同相角的3次諧波下的動(dòng)作電流
　　相位角(度)0°60°30°-30°
　　動(dòng)作值(A)1.521.471.511.47
　　顯然，當繼電器的電流含有諧波時(shí)，按基波整定的電磁型繼電器在諧波作用下也能啟動(dòng)。
　　(2)電磁型電壓繼電器的動(dòng)作還與流過(guò)其線(xiàn)圈的電流有效值平方成比例。線(xiàn)圈匝數很多，阻抗分量很大，其阻抗看作為R jωL。因對不同頻率而言，ωL也不同，高次諧波使動(dòng)作值增大的原因是線(xiàn)圈阻抗增大。當含有諧波的電壓接進(jìn)繼電器時(shí)，動(dòng)作值誤差一般為正誤差，低壓繼電器這時(shí)很輕易動(dòng)作。
　　電磁型繼電器的動(dòng)作速度較慢，對定值誤差也要求不高，在諧波含量小于10時(shí)，諧波對其影響不太大。但是，在諧波含量很大并且各次諧波衰減又較慢的場(chǎng)合，電磁型繼電器誤動(dòng)也會(huì )造成大的系統事故。
　　
　　2.2.2諧波對整流型繼電器的影響
　　整流型間隔保護裝置（如LH-21型）的振蕩閉鎖經(jīng)常動(dòng)作，產(chǎn)生這些現象的原因是利用負序濾波器將三相電流轉變?yōu)閱雾楇妷海ㄕ�比于負序電流），該濾序器由接在一相內的電流互感器和接在兩相內的電抗互感器構成（如圖1）。當系統電流中含有諧波，并且三相諧波并不相等也不對稱(chēng)時(shí)，負序濾波器就有很大的諧波輸出，加之裂相回路對諧波的進(jìn)一步放大作用，使整流出的直流脈動(dòng)很大，因而使保護誤啟動(dòng)。
　　
　　圖1負序濾波器
　　2.2.3諧波對計算機產(chǎn)生影響的可能途徑有二:(1)電源供給系統；(2)計算機的模擬量輸進(jìn)回路。
　　當模擬量的輸進(jìn)回路含有諧波時(shí)，將影響計算機的正常工作，所以在丈量和控制用的計算機系統均毫無(wú)例外地在A(yíng)/D轉換器前裝設模擬式低通濾波器，以抑制諧波，增加有用信號與干擾信號之比。
　　
　　2.2.4諧波對間隔保護的影響
　　間隔保護裝置中的測距元件，通常按線(xiàn)路的基波阻抗整定。在故障情況下，當有諧波電流時(shí)（特別是三次諧波），所測的阻抗相對于基波阻抗值可能會(huì )有相當大的誤差。因而當故障電流流經(jīng)高阻性的阻抗接地時(shí)，接地阻抗將是主要的。假如電流中諧波分量較大，應采取濾波措施，否則造成繼電器誤動(dòng)的可能性很大。通過(guò)試驗，諧波含量在5以下，則諧波對繼電器的影響不大。
　　
　　2.2.5諧波會(huì )引起故障錄波器誤啟動(dòng)、頻率儀測試不準，準同期裝置合閘誤差角超過(guò)答應值等自動(dòng)裝置的誤動(dòng)。
　　3繼電器保護采取抑制諧波畸變的一般措施
　　評價(jià)保護繼電保護性能時(shí)通常使用三個(gè)指標：靈敏度、選擇性、速動(dòng)性。導致這些性能惡化的主要原因之一，就是輸進(jìn)電流和電壓的波形產(chǎn)生畸變。
　　
　　3.1繼電器保護采取抑制諧波畸變的一般措施
　　3.1.1采用按基波動(dòng)作的回路。
　　采用濾波器是將直流分量和高次諧波分量濾掉，剩下的基波分量在檢測回路里進(jìn)行檢測。
　　(1)使用共振型電流互感器的帶通濾波器。
　　(2)使用運算放大器的帶通濾波器，由于它具有體積小和精確度高的優(yōu)點(diǎn)，現在已廣泛使用。
　　3.1.2使用限時(shí)回路。
　　3.1.3檢測畸變波形的正負非對稱(chēng)性。
　　3.2諧波的運用
　　3.2.1變壓器差動(dòng)保護利用二次諧波。
　　變壓器勵涌流中的高次諧波成分很大，并以二次諧波為主。所以開(kāi)發(fā)了具有利用二次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)繼電器，二次諧波越大，繼電器的制動(dòng)特性越強，故可防止勵磁涌流引起的誤動(dòng)作。
　　3.3.3利用三次諧波電壓構成100定子接地保護。
　　利用三次諧波電勢構成的定子接地保護，用以消除基波零序電壓元件保護不到的死區。
　　
　　4微機保護采用抑制諧波的措施
　　
　　微機保護借助硬件（有源濾波器）和軟件（數字濾波器），清除了電力系統直流分量和高次諧波分量的數據，可進(jìn)行高精度的各種保護運算。
　　數字濾波用軟件實(shí)現，因此不受外界環(huán)境（如溫度）的影響，可靠性高，具有高度的規范性。它不像模擬濾波器那樣會(huì )因元件的差異而影響濾波效果，也不存在元件老化和負載阻抗匹配題目。另外，數字濾波器還具有高度的靈活性，當需要改變?yōu)V波器的性能時(shí)，只需重新編程即可。
　　
　　4.1微機保護的基本構成（如圖2所示）
　
　　圖2微機保護的基本構成
　　微機保護從系統引進(jìn)電流和電壓二次，借助內裝的中間變換器，將它們轉換為適合于用電子回路進(jìn)行處理的大小，接著(zhù)用濾波器使輸進(jìn)電流和電壓里的諧波分量和直流分量衰減，再在模數轉換部分進(jìn)行模/數轉換。然后在數字運算處理部分用數字化的數據進(jìn)行保護運算，最后向外部輸出信號。
　　
　　4.2數字信號處理的基本組成
　　此系統先把模擬信號變換為數字信號，然后用數字技術(shù)進(jìn)行處理，最后再還原成模擬信號。這一系統的方框圖見(jiàn)圖3所示。 
　　
　　圖4表示了框圖中的各有關(guān)信號波形，輸進(jìn)模擬信號χa（t）（見(jiàn)圖4（a））先經(jīng)過(guò)前置預濾波器，作用是將輸進(jìn)信號χa（t）中高于某一頻率（稱(chēng)折疊頻率，即是抽樣頻率的一半）的分量加以濾除，然后在模擬-數字變換器（A/D變換器）中每隔T秒（抽樣周期）取出一次χa（t）的幅度，抽樣后的信號稱(chēng)為離散時(shí)間信號，它只表示一些離散時(shí)間點(diǎn)O，T，2T，…nT，…上的信號值χa（O），χa（T），…，χa（nT），…，如圖4（b）所示，抽樣過(guò)程即是對模擬信號的時(shí)間量化的過(guò)程。隨之在A(yíng)/D變換器的保持電路中將抽樣信號進(jìn)一步變換成數字信號，一般采用有限位二進(jìn)制碼，所以它所表示的信號幅度就是有一定限制的，例如4位碼，只能表示16種不同的信號幅度，把這些幅度稱(chēng)為量化電平，當離散時(shí)間信號幅度與量
　　
　　化電平不相同時(shí)，就要以最接近的一個(gè)量化電平來(lái)近似它。所以經(jīng)A/D變換器后，不但時(shí)間量化了，而且幅度也量化了，這種信號就被稱(chēng)為數字信號，它是數的序列，每個(gè)數則用有限個(gè)二進(jìn)制數碼來(lái)表示（如圖4（c）所示），我們用χ（n）來(lái)代表輸進(jìn)數字化后的序列，自變量n是整型變量，它表示這個(gè)數在序列中的次序，為了形象起見(jiàn)，用一個(gè)垂直線(xiàn)段來(lái)表示其數值大小，如圖4（d）所示。隨后，數字信號序列通過(guò)數字信號處理系統的核心部分，即數字信號處理器，按照預定的要求，在處理器中將信號序列χ（n）進(jìn)行加工處理，得到輸出數字信號y（n）（如圖4（e）所示）。再后，y（n）通過(guò)數字模擬（D/A）變換器，將數字序列反過(guò)來(lái)變換成模擬信號，這些信號在時(shí)間點(diǎn)O，T，2T，…，nT，…上的幅度應即是序列y（n）中相應數碼所代表的數值大小。最后還要通過(guò)一個(gè)模擬濾波器，以濾除掉不需要的高頻分量，平滑成所需的模擬輸出信號Ya（t），如圖4（f）所示。

電力測量?jì)x3167

單相電力計3332

高性能3項電力計3331

單相電力計3333

電力質(zhì)量分析儀3196
　　
　　5結束語(yǔ)
　　抑制諧波的真實(shí)物理意義是將諧波具有的能量盡可能的用一個(gè)裝置吸收，不讓諧波進(jìn)進(jìn)系統或只有很少量的進(jìn)進(jìn)系統。最好在諧波源就地安裝濾波裝置，以減少諧波對電網(wǎng)的影響。
　　電網(wǎng)中應公道利用各站的補償電容器組，采取適當串聯(lián)5~6電抗器，選擇重要變電站進(jìn)行安裝相控電抗型動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)SVC），改善供電系統的穩定性，抑制系統過(guò)電壓和改善其動(dòng)態(tài)特性，抑制諧波、進(jìn)步負荷的功率因素，快速無(wú)功調節，抑制電壓閃變，解決電網(wǎng)負荷不對稱(chēng)等題目。
　　繼電保護和自動(dòng)裝置應公道利用硬件濾波器和數字濾波軟件，對進(jìn)進(jìn)TA、TV二次側的諧波量進(jìn)行濾波處理，來(lái)預防諧波的干擾使其穩定、可靠的運行。