諧波對繼電保護的影響

摘 要：隨著電網中非線性、沖擊性負荷的大量增加，電網中波形畸變現象越來越嚴重，電網中不僅含有高次諧波，還含有許多非整次諧波分量。本文通過分析非整次諧波的產生，對微機繼電保護裝置的影響，指出影響微機保護裝置算法的實質是非整次諧波。并在此基礎上，提出了一些應對措施。

關鍵詞：電力系統；諧波；繼電保護裝置；算法

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

隨著電力系統的迅速發展和新型電氣設備的出現，電力系統的諧波問題日趨嚴重。新型的繼電保護設備，特別是微機保護在電力系統中被大量采用，電力系統諧波對繼電保護的影響，需要給予足夠的重視。

一、電力系統的諧波及產生

諧波被稱為“電力系統污染”，它降低了系統電壓正弦波的質量，而且干擾電網的正常運行。根據IEEE的定義，諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。

式中，a0為f（ωt）的直流分量；cnsin（nωt+φn）為n次諧波分量（n=2，3，……）。

應該注意，電力系統所指的諧波是穩態的工頻整數倍數的波形，電網暫態變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇；諧波與不是工頻整倍數的次諧波（頻率低于工頻基波頻率的分量）和分數諧波（頻率非基波頻率整倍數的分數）有定義上的區別。

諧波主要由諧波電流源產生：當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發生了畸變，由于負荷與電網相連，故諧波電流注入到電網中，這些設備就成了電力系統的諧波源。系統中的主要諧波源可分為兩類：含半導體的非線性元件，如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、PWM變頻器等節能和控制用的電力電子設備；含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源，如日光燈、交流電弧爐、變壓器及鐵磁諧振設備等。

二、諧波對電力系統繼電保護的影響

諧波電流和諧波電壓的出現，會危害系統中的一次和二次設備，干擾設備的正常工作。電力系統諧波會改變繼電保護設備的工作特性。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同。

（一）諧波對常規繼電保護的影響

1.對于由電壓或電流信號啟動動作的繼電器或啟動元件，當基波動作量并未達到整定值時，由于較大的諧波量和基波量疊加后的綜合量超過動作定值，使裝置動作。諧波對電磁型繼電器的影響不大，在諧波含量<40%時，其整定值誤差將≤10%。感應型繼電器的可動部分慣性較大，動作速度慢，諧波轉矩對其影響并不嚴重。但是對于應用積分比相器原理構成的整流型繼電保護裝置，當波形出現諧波畸變時，過零檢測易于出錯，從而造成保護不正確動作。

2.當電壓和電流繼電器或元件配合差動電路、零序電路或負序電路，構成差動、零序或負序繼電器或啟動元件時，則對諧波影響都很敏感。因為這些電路輸出的基波量都很小，相應的元件整定值都很低，所以輸出量中的諧波含有率，諧波量在動作量中占的比重可能會很高。

3.穩態諧波對“增量型”元件的影響很小，但暫態和動態的諧波，如變壓器涌流所產生的諧波，仍會嚴重干擾“增量型”元件的工作，電力機車變壓器在運行中要頻繁發生涌流，其干擾特別嚴重。

（二）諧波對微機繼電保護的影響

微機型繼電保護裝置通過在硬件中采用濾波單元，在軟件中采用數字濾波技術，可以削弱諧波的影響，但是對于一些采用快速算法的高速保護，諧波的存在仍然會帶來一定的不利影響。突變量起動元件、半周積分算法兩者都無法完全消除諧波的影響。所以采用相電流采樣值的突變量作為起動判據和采用基于半周積分算法的相電流工頻變化量作為判據都可能導致保護不正常起動。系統中3次及其倍數次的諧波三相相位一致，與零序分量相序相同。3k-1次（k為正整數）諧波相序反轉，與系統負序分量相似，可能對各類采用零序、負序分量組成啟動元件的保護產生一定的影響。因此對于實測諧波含量較大的線路，建議適當提高高頻零序、負序保護的門檻值，或利用阻抗元件把關。

距離保護中的測距元件是按照線路或變壓器的基波阻抗整定的。在故障情況下，當有諧波電流存在時（特別是三次諧波）所測得的阻抗值相對于基波阻抗值有誤差。因此動作區的邊緣可能出現一定的誤差。

三、諧波的應用

雖然電力系統存在諧波，干擾危害了自動裝置的安全運行，但是在某些情況下，諧波能靈敏地反應出故障的特征，如果能夠加以利用，就能夠轉害為益。

變壓器差動保護關鍵的問題是如何防止空載合閘時的誤動作。在勵磁涌流中，除基波和非周期電流外，高次諧波電流以及二次諧波電流為最大。因此利用二次諧波電流可用來鑒別勵磁涌流。中性點不接地或經電阻、消弧線圈接地系統單相接地故障選線問題，曾是電力系統中的難疑之一，有些文獻提出了用諧波分析法將該問題解決了。另外，還有用三次諧波電壓檢測發電機定子繞組是否接地，用零序諧波電流方向決定故障線路等。

四、結束語

結合電網的實際情況及出現的問題，本文討論了諧波對電力系統繼電保護的影響。為確保繼電保護安全穩定運行，可靠地工作，應采取以下的措施：

（1）參照國內外相關的諧波標準，對各諧波源參照國內外相關的諧波標準進行考核。建議對主要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，從根本上減少諧波對電網的污染。

（2）通過增加諧波監測和分析裝置，建立電網諧波監測系統，監視并統計系統中的諧波水平和潮流分布。

（3）對運行于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。

參考文獻：

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]呂潤馀.電力系統高次諧波[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]陳德樹.計算機繼電保護原理與技術[M].北京：水利電力出版社，1992.

[作者簡介]湯海霞（1982-），女，本科，主要從事電網運行管理、繼電保護管理工作。