變電站高頻諧波對繼電器保護的影響分析

摘要：針對目前變電站電力系統中高頻諧波對電網的污染嚴重的現象，本文從高頻諧波的產生源入手分析，在此基礎上，重點對高次諧波對不同的繼電保護類型的影響進行了詳細討論和分析，并有針對性的提出了一些對高頻諧波進行抑制的措施和方法，這些工作對于變電站電力系統抑制高頻諧波和改善設備的電氣特性，在理論上和實踐方面均具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：變電站；高頻諧波；繼電器保護

1 引言

近年來，隨著可控硅整流設備、換流逆變設備裝置的大量使用，導致了電力系統波形嚴重畸變，這些非線性的負荷在系統中產生了大量的諧波，對電力系統和電力設備產生了極大的危害，惡化了電能質量，導致電力系統的經濟效益受損，尤其是在電力系統發生短路故障時，或者電氣設備運行在非正常工作狀態下時，系統波形的高頻諧波分量將進一步增大。

產生高頻諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備（又稱為非線性負荷）供電的結果。這些非線性負荷所產生的電流與所加載的電壓不成線性關系，在工作時間向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形為非正弦波，產生畸變，使電力質量變壞，對電氣設備產生危害影響。

2 高頻諧波對繼電器保護裝置的危害

2.1 高次諧波的來源分析

在電力系統中，產生高次諧波的原因、設備是很多的，很難一次集中概況全面，但是總結現場的經驗來看，能夠產生高頻諧波的主要來源于以下幾個方面：

大大小小的整流設備、逆變設備、交流調壓設備和變頻設備；

電網中的變壓器群；

較大的單相電力電子裝置；

工業用電弧爐；

靜止補償裝置中的可控電抗器和飽和電抗器；

高新技術產品中的元件，如敏感電子器件等等。

2.2 高次諧波的危害分析

保護和控制設備通常都是按照工作于所加電壓或電流為工業頻率和正弦波形而設計的，高頻諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾，嚴重時將造成誤動作，導致生產停頓，甚至有可能引發安全事故。高頻諧波對繼電器的影響表現為使繼電器動作特性畸變或效果降低，其后果常是保護裝置的拒動或誤動，并且由于不同類型繼電器的設計性能和工作原理不同，諧波的影響程度也不盡相同。

高頻諧波對整流型繼電器的影響。整流型繼電保護裝置和晶體管繼電保護裝置都廣泛應用于整流型繼電器。整流型繼電器有反應單一量和反應兩個或多個量之分，整流型繼電器的主要特點是將輸入交流量進行整流，或者將幾個輸入交流量組合后進行整流，繼電器的動作特性取決于整流后的電壓信號(或電流信號) 及其動作判據。在某些情況下，如輸電線路發生接地短路時，由于電流中高頻諧波分量比較大，導致整流型保護裝置拒動。因此，在設計這些繼電器時，必須考慮到高頻諧波的影響。

高頻諧波對感應型繼電器的影響。感應型繼電器的可動部分慣性較大，動作速度慢，高頻諧波轉矩對其影響并不嚴重，這種繼電器中的圓盤或圓筒在磁場的作用下都將產生感應電流，該電流和空間中另一磁場相互作用產生電磁轉矩，推動圓盤或圓筒轉動。由畸變電流產生作用在繼電器磁盤上的轉矩等于該電流中基波分量和各次諧波分量產生的轉矩總和，其中3 次諧波和5 次諧波電流所產生的轉矩對繼電器的靈敏度影響比較大。諧波電流分量產生的轉矩可正可負，因而，繼電器可能產生誤動也可能產生拒動，其后果由各同次頻率諧波間的相位差以及高頻諧波分量的有效值而定。

高頻諧波對電磁型繼電器的影響。由于電磁型繼電器是按基波電壓或電流整定的，因此，在動態情況下會有很大影響。對電流繼電器而言，高頻諧波存在時，將引起保護拒動；對電壓繼電器而言，線圈多，阻抗大，當含有高頻諧波的畸變電壓作用于繼電器時，動作值總是比基波時的整定值要大，因而對過電壓繼電器可能會拒動，對欠電壓繼電器卻又可能會誤動。

3高頻諧波抑制措施分析

高頻諧波的抑制可以從高頻諧波源本身出發，對產生高頻諧波的諧波源進行改造，使其不產生高頻諧波或少產生高頻諧波，同時設法提高功率因數。一般通過科學合理地采用不同材料，選擇合適參數，對電力設備進行合理的設計，并提高工藝質量，將高頻諧波對電力設備的影響減少到最低程度。

解決高次諧波的污染和干擾，從技術上實現對諧波的抑制，從工程現場的實際來看，已經有很多行之有效的解決方法，概括起來主要可以采取下面的兩種方法：

增加換流裝置的相數。換流裝置是供電系統主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk+1和pk（p為整流相數或脈動數，k為正整數），當脈動數由p＝6增加到p＝12時，其特質諧波次數分別為可以有效的清除幅值較大的低頻項，從而大大的降低了諧波電流的有效值。

無源濾波法和有源濾波法。為了減少諧波對供電系統的影響，從根本上實現對電氣設備的保護，最根本的方法是從諧波的產生源頭抓起，設法在諧波源附近防止諧波電流的產生，從而有效降低諧波電壓。

近年來，電力濾波器(Power Filter-PF) 越來越成為抑制高頻諧波的一個重要趨勢。在電力系統中運用的又分為有源和無源兩種，無源是利用諧振原理，為高頻諧波提供并聯低阻通路，避免高頻諧波注入電網，，而達到抑制高頻諧波的目的。有源是一種用于動態抑制高頻諧波和補償無功功率的新型電力裝置，它能對幅值大小和頻率都變化的高頻諧波成份和無功功率進行自動跟蹤補償，具有高度的可靠性和快速響應性。有源濾波法則徹底改變了無源濾波法的缺陷，由于采用了關斷電力電子器件，產生反諧波電流來消除諧波電流的影響，因此具有無源濾波器不可比擬的優勢：

作為高次諧波電流源，不受系統阻抗的影響；

沒有共振現象，系統結構的變化不會影響補充效果；

原理上比LC濾波補償更為優越，用一臺關斷電力電子裝置就可以實現各次諧波的補償；

由于關斷電子器件本身能夠實現輸出限制功能，因此不存在由于高次諧波量增大而導致補償元件過載的現象。

在實際的電網運行中，為消除或抑制高次諧波對繼電保護的影響，通常采取以下幾個措施：根據國內外相關的諧波標準，對各高頻諧波源進行綜合考慮，對主要高頻諧波源采取必要的措施，如裝設相應的濾波裝置，改善控制手段，從根本上減少高頻諧波對電網的污染； 通過增加高頻諧波監測和分析裝置，建立電網高頻諧波監測系統，監視并統計系統中的高頻諧波水平和潮流分布；對運行于高頻諧波含量較高的系統中的繼電保護設備，在運行中應加強監視，在軟、硬件中采用一定的手段提高抗干擾水平，并在整定計算中適當加以考慮。

結束語

高次諧波是電能質量的一大問題，數據丟失、計算機誤動作、短路器無故跳閘、設備過早失效和電氣設備過熱等等電氣故障都是由高次諧波造成的。產生高次諧波的原因是多方面的，諧波對于電網、電氣設備的危害也是多方面的，畸變的電流、電壓波形既可以降低繼電器動作的靈敏度，也可以增加保護動作的延時，從而導致繼電器在某些情況下誤動作或拒動作。為提高電力系統繼電保護動作可靠性，應該充分重視電力系統高次諧波對繼電保護的影響，采取切實有效的措施，確保電力系統運行的穩定性。

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