電網(wǎng)諧波對繼電保護(hù)的影響與預(yù)防措施分析

陳威，李璨，張閣

(1.永州電業(yè)局，湖南 永州 435000;2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中增加了大量的電力電子設(shè)備，其中包括以開關(guān)方式工作的靜止變流器和從低壓小容量民用電器設(shè)備到高壓大容量的工業(yè)交、直流變換裝置，它是一種非線性時變拓?fù)湄?fù)載，不可避免的會產(chǎn)生非正弦周期電流，向電網(wǎng)注入諧波。

各種諧波分量的存在對電力系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染［1-4］，影響了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動裝置的正常工作，危害了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波電流、電壓的出現(xiàn)，會危害繼電保護(hù)設(shè)備的一次和二次設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，會改變繼電保護(hù)設(shè)備的工作特性［5-7］。由于不同類型繼電器的設(shè)計性能和工作原理不同，諧波的影響程度也不同。因此，對諧波污染造成的危害影響進(jìn)行分析并加以限制，是非常必要的。

2 電網(wǎng)的諧波問題

諧波是非正弦周期交流量進(jìn)行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量。一般認(rèn)為是非線性負(fù)荷的用電方式產(chǎn)生了非正弦周期電流，該諧波電流在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波壓降，也就形成了電網(wǎng)電壓的畸變而出現(xiàn)諧波電壓，稱之為諧波“污染”。非線性負(fù)荷實(shí)際上是一種電能轉(zhuǎn)換方式用電，將標(biāo)準(zhǔn)的50Hz額定電壓的交流電源轉(zhuǎn)換為其他形式的電源，以適應(yīng)不同的用電要求，其也是用電技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)。

現(xiàn)以電網(wǎng)中廣泛采用的三相不控整流器為例來分析諧波的特性，這種整流器普遍的應(yīng)用于工業(yè)交直流變換、變頻設(shè)備、城市輕軌和地鐵行業(yè)中，以及目前的新興產(chǎn)業(yè)電動汽車充電站中也采用此種整流器。它的原理是將電網(wǎng)三相交流電經(jīng)過二極管整流變換為直流電，由于二極管的單向?qū)ㄐ裕瑫拐髌鹘涣鱾?cè)的電流波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，含有大量諧波。圖1為三相不控整流器的實(shí)測a相電壓電流波形，分析如下:

將三相不控整流器交流側(cè)的a相非正弦周期電流進(jìn)行傅立葉分解后可得:

式中Id為整流后的直流電流平均值，由上式可得電流基波和各次諧波的有效值為:

根據(jù)以上分析，三相不控整流器交流側(cè)電流的主要諧波次數(shù)為6k±1，(k=1，2，3…)，不含3 的倍數(shù)次諧波，也不含有偶數(shù)次諧波，而且諧波的幅值與其次數(shù)成反比，即諧波次數(shù)越高，其有效值越小。這就說明了非線性負(fù)載對電網(wǎng)的諧波污染相當(dāng)嚴(yán)重。

圖1 三相不控整流器交流側(cè)電壓電流波形

3 諧波的影響場合分析

電網(wǎng)諧波對繼電保護(hù)的影響主要分為兩方面:對輸電線保護(hù)的影響和對變壓器保護(hù)的影響分。

3.1 諧波對輸電線保護(hù)的影響

當(dāng)電網(wǎng)中諧波電流或諧波電流含量較大時，采用工頻變化量或者相電流、相電壓突變量作為起動元件的輸電線保護(hù)就會出現(xiàn)問題，比如會使保護(hù)裝置和收發(fā)信機(jī)不能正常起動。

對于采用以突變量作為起動元件的繼電器，當(dāng)其受到諧波影響時，起動元件會不斷起動，會使程序長時間處在振蕩閉鎖模塊中，如果此時區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響保護(hù)的快速性;對于采用以工頻變化量作為起動元件的阻抗繼電器，其動作速度較快，極易受到諧波電壓、電流的影響。如果諧波含量大于限值，在進(jìn)行整定時必須給予適當(dāng)考慮。

3.2 諧波對變壓器保護(hù)的影響

工程中，變壓器的差動保護(hù)一般以突變量作為其起動判據(jù)，包括采用相電流采樣值的突變量、基于半周積分算法的相電流工頻變化量等，上述兩者都不能完全消除諧波影響，可能導(dǎo)致變壓器差動保護(hù)不正常起動。

在變壓器的差動電流速斷和比率差動保護(hù)中，在微機(jī)保護(hù)的VFC插件中裝設(shè)了濾波電路，而且在軟件計算中采用了全周傅立葉算法，這樣就極大的避免了諧波對保護(hù)的影響。

電網(wǎng)中的諧波既有正序諧波也有負(fù)序和零序諧波，對于負(fù)序和零序諧波對保護(hù)的影響與電力系統(tǒng)中的負(fù)序和零序分量相似。

4 諧波對繼電裝置的影響分析

4.1 諧波對電磁型繼電器的影響

工程中的電磁型電流繼電器以線圈內(nèi)流過的電流有效值作為判據(jù)，其動作轉(zhuǎn)矩與電流有效值的平方成正比。此種方式有個較大的缺點(diǎn)，無論線圈內(nèi)流過基波或諧波電流，都可以使繼電器動作，所以諧波可能會使電流繼電器誤動作。電壓繼電器與電流繼電器相比，其線圈匝數(shù)較多，阻抗也隨之增大，當(dāng)繼電器感應(yīng)到諧波電壓時，如果動作值比基波時整定值大，過電壓繼電器可能拒動，欠電壓繼電器可能誤動。與其它類型的繼電器相比，電磁型繼電器的響應(yīng)時間較長，對整定值的誤差要求也相當(dāng)較低，在電網(wǎng)諧波含量較小時，諧波對其影響不大，但是如果諧波含量較大，而且衰減較慢，此時就會對電磁型繼電器產(chǎn)生嚴(yán)重影響，繼電器誤動造成電網(wǎng)事故。例如:變壓器在空載狀態(tài)下投切時，就會產(chǎn)生諧波含量很高的勵磁涌流，以2次諧波為主的高次諧波會造成繼電器誤動。

4.2 諧波對感應(yīng)型繼電器的影響

感應(yīng)型繼電器可動部分慣性較大，諧波轉(zhuǎn)矩對其影響不嚴(yán)重。在磁場的作用下，這種繼電器的圓盤或圓筒將會產(chǎn)生電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩，它會推動圓盤或者圓筒。工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明;隨著流入繼電器頻率的上升，其啟動靈敏度降低，這是由于畸變電流中的諧波電流產(chǎn)生的附加諧波轉(zhuǎn)矩造成的，因?yàn)榛冸娏鳟a(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等于基波轉(zhuǎn)矩和各高次諧波轉(zhuǎn)矩的總和。電網(wǎng)中含量較多的諧波為3次、5次和7次諧波，其產(chǎn)生的附加諧波轉(zhuǎn)矩對感應(yīng)型繼電器的靈敏度影響最大。對于各次諧波而言，其產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)，這就造成了繼電器有可能誤動也有可能拒動。

4.3 諧波對整流型繼電器的影響

整流器繼電器的是將輸入的交流量或者幾個輸入的交流量進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)換為直流量，其動作特性由整流后的直流電壓、電流信號決定。例如在某系列的方向阻抗繼電器中，其以兩個電氣量的環(huán)形整流比相器構(gòu)成，如果電網(wǎng)含有諧波時，其動作特性呈現(xiàn)為一個不規(guī)則的封閉曲線，不再是一個圓，封閉曲線上有許多凹凸不平點(diǎn)，每隔一個周期都會出現(xiàn)凸點(diǎn)或者凹點(diǎn)，隨著諧波含量的增大，凹凸幅值越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是諧波電流流入電流回路時，環(huán)形整流比相器輸出的交流分量增大，就會造成繼電器動作特性損壞不光滑。

4.4 諧波對靜態(tài)型繼電器的影響

靜態(tài)型繼電器主要由電子器件構(gòu)成，不包含機(jī)械運(yùn)動，其最大的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾和消除了諧波影響，所以靜態(tài)型繼電器越來越受到人們的關(guān)注。靜態(tài)型繼電器是按相位比較原理構(gòu)成的繼電器，被比較的兩個交流電流用積分比相器或者微分比相器進(jìn)行比較。

5 預(yù)防措施分析

預(yù)防電網(wǎng)諧波對繼電保護(hù)的影響應(yīng)該從兩方面入手:主動性措施和被動性措施。主動性措施即諧波抑制措施，就是將電網(wǎng)中的諧波徹底消除，使繼電保護(hù)運(yùn)行在工頻狀態(tài)下;被動性措施即改進(jìn)繼電保護(hù)的措施，在電網(wǎng)諧波無法得到有效抑制的狀態(tài)下，被迫的進(jìn)行繼電保護(hù)的改進(jìn)，以增強(qiáng)對諧波的抵抗性。

5.1 諧波抑制措施

目前，在諧波處理上通常采用兩種方法:一是采取措施減少電力電子設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波;二是增設(shè)濾波裝置濾除電網(wǎng)中的諧波。對于第一種方法，一般采用的是多脈動整流方法，是按一定的規(guī)律將兩個或多個(通常為偶數(shù)個)變流器進(jìn)行組合，通過移相變壓器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行移相，使得各個整流橋輸入電壓存在一定的相位差，從而獲得整流負(fù)載電流之間的相位差，不同相位差的整流負(fù)載電流在電網(wǎng)側(cè)的疊加，可以使某些次諧波相互削弱或抵消，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流的正弦化矯正。圖2為12脈動整流器交流側(cè)的電壓電流波形，與圖1相比，其電流波形畸變率下降，各次諧波含有率也明顯減小。

圖2 12脈動整流器交流側(cè)電壓電流波形

此時，電流中只含有少量的 12k±1，(k=1，2，3…)次諧波。可見，12脈動整流變壓器電網(wǎng)側(cè)的諧波電流較6脈動整流變壓器有較大改善。

將12脈動整流器交流側(cè)的a相非正弦周期電流進(jìn)行傅立葉分解后可得:

對于諧波抑制的第二種方法，在工程中裝設(shè)的濾波裝置包括無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器價格相對低廉，采用電容C和電感L元件組成濾波電路，在諧振頻率下合成阻抗為零，迫使該次諧波電流流向?yàn)V波支路，不能傳播到電網(wǎng)造成危害，但是其濾波效果有限;有源濾波器在工程應(yīng)用時要備有諧波發(fā)生源和大功率晶閘管元器件，還要配有跟蹤控制和脈寬調(diào)制系統(tǒng)，其濾波效能優(yōu)越，但成本稍高。

5.2 改進(jìn)繼電保護(hù)的措施

對于改進(jìn)繼電保護(hù)主要由兩方面的措施:輔助措施和自主措施。如選擇輔助措施，可采用配電系統(tǒng)中自帶的頻率測試儀對諧波頻率進(jìn)行測試，以輔助繼電保護(hù)裝置對電壓、電流進(jìn)行測量和值的比較;也可以以使保護(hù)中的輸入信號正常為目的，增加濾波裝置;也可以以使繼電保護(hù)裝置只反應(yīng)突變量，且僅反應(yīng)突變量為目的，接入一個微分電路于繼電保護(hù)裝置的執(zhí)行元件前，也就是說，使用反映增量的裝置;或者加裝諧波閉鎖環(huán)節(jié)于配電系統(tǒng)中的各類保護(hù)間。對于自主措施，是以繼電保護(hù)裝置自身為基礎(chǔ)，通過對繼電保護(hù)裝置的動作整定值進(jìn)行合理設(shè)定，以使繼電保護(hù)裝置的動作正確、可靠。

6 總結(jié)

電網(wǎng)中的諧波對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重的危害，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(hù)動作的延時，從而導(dǎo)致繼電器在某些情況下誤動作或拒動作。基于此，提出以下建議:

(1)參照國標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB/T14594-93的諧波標(biāo)準(zhǔn)，對各諧波源負(fù)荷進(jìn)行評價。對于不達(dá)標(biāo)的諧波源必須采取相應(yīng)的諧波抑制措施后才允許接入電力系統(tǒng);

(2)增加電網(wǎng)中的諧波監(jiān)測和分析設(shè)備，嚴(yán)密監(jiān)視電網(wǎng)中的諧波水平和潮流分布;

(3)對于運(yùn)行在高諧波含量環(huán)境中的繼電保護(hù)裝置，要運(yùn)行中要加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，采取一定的手段提高其抗干擾性。

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