電力系統(tǒng)諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響

袁有香

摘要：隨著中國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民、企業(yè)對(duì)電力的需求越來(lái)越大，安全用電越來(lái)越重要，大規(guī)模停電會(huì)影響社會(huì)穩(wěn)定，影響人民正常生活，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，繼電器保護(hù)技術(shù)必須受到重視，因?yàn)樗谴_保電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要組成部分。本文分析了電力系統(tǒng)諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響，而且提出了消除舉措，希望可以給電網(wǎng)保護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：電力;諧波;繼電保護(hù);影響

一、引言

隨著新的電氣設(shè)備的不斷出現(xiàn)與電氣系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，生活、生產(chǎn)中越來(lái)越多的非線性負(fù)載連接到了電網(wǎng)上。 這些都會(huì)在電網(wǎng)中引起大量諧波，而這些諧波會(huì)損害經(jīng)濟(jì)效益，降低電能質(zhì)量，嚴(yán)重危害電網(wǎng)系統(tǒng)與設(shè)備。 電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，在高壓直流電力傳輸?shù)膽?yīng)用中尤為突出。系統(tǒng)波形的高次諧波分量，在家電異常動(dòng)作、電力系統(tǒng)短路時(shí)將進(jìn)一步增加。 高次諧波會(huì)引起導(dǎo)線的絕緣惡化，加速電力設(shè)備的損耗，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞、絕緣破壞。自動(dòng)化裝置與繼電保護(hù)也可能由于這種干擾導(dǎo)致失效或拒絕工作，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)法得到保護(hù)。因此，了解自動(dòng)化裝置與繼電保護(hù)中諧波的影響，將諧波的影響降到最小是非常重要的。

二、諧波的概述

（一）電力系統(tǒng)中的諧波

“諧波”一詞來(lái)源于聲學(xué)。諧波在國(guó)際專(zhuān)業(yè)基準(zhǔn)的定義中，其頻率是基波的整數(shù)倍，是周期性電能的正弦波分量。近年來(lái)，有學(xué)者稱基波的非整數(shù)頻率成分為中間諧波或分?jǐn)?shù)諧波。雖然將頻率低于頻率中間諧波定義為二次諧波，但本文不分析其他諧波，主要研究基波的積分倍數(shù)諧波。非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中是硬件故障的根本原因，而在當(dāng)前電力系統(tǒng)中，由于辦公室電子設(shè)備、電力機(jī)車(chē)、電弧設(shè)備、可控硅整流裝置等的大量的非線性負(fù)載連接，這些設(shè)備連接電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)的電流、電壓會(huì)產(chǎn)生高級(jí)諧波，諧波的出現(xiàn)影響了部分用戶的正常生產(chǎn)，威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，嚴(yán)重惡化了電力質(zhì)量。因此，電力的諧波“污染”在國(guó)際上被認(rèn)為是電力系統(tǒng)的公害。

（二）繼電保護(hù)的重要作用

電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護(hù)裝置，在輸電線路、變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。設(shè)備如果短暫出現(xiàn)故障問(wèn)題，重新連接后，電力也會(huì)繼續(xù)供應(yīng)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。設(shè)備問(wèn)題假如持續(xù)下去的話，采取一定的措施，清除故障后，電力仍然可以繼續(xù)供應(yīng)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全。

三、諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響

（一）諧波對(duì)電磁型繼電器的影響

如果諧波含量小于40%，則設(shè)置誤差為10%或更小。但在非靜態(tài)條件下，基波電流或基波電壓必須由繼電保護(hù)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如果存在電流繼電器保護(hù)，則硬件拒絕工作。當(dāng)接在諧波上的應(yīng)變電壓作用在繼電器上時(shí)，電壓繼電器動(dòng)作值的調(diào)整值總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波的調(diào)整值，因此過(guò)電壓繼電器可能拒絕動(dòng)作，無(wú)電壓繼電器可能發(fā)生故障。特別是，接通空載變壓器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高諧波的沖擊電流，高次諧波成分主要有兩個(gè)諧波，斷路器很快被切斷，會(huì)引起繼電器的誤動(dòng)作。

（二）諧波對(duì)感應(yīng)型繼電器的影響

感應(yīng)繼電器和磁場(chǎng)的磁盤(pán)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其他磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生磁扭矩，使磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)。繼電器的作用部分較慢，具有較強(qiáng)的慣性，諧波對(duì)扭矩幾乎沒(méi)有影響。根據(jù)專(zhuān)家的計(jì)算，繼電器的開(kāi)始靈敏度受流經(jīng)繼電器面板的失真電流的諧波分量的附加扭矩的影響，隨著輸入電流頻率從50Hz增加到250Hz，逐漸變化，特別是由第五和第三路徑的諧波電流產(chǎn)生的扭矩、由各諧波成分產(chǎn)生的扭矩和失真電流對(duì)繼電器面板的扭矩起作用，因此成為電流的基本成分之和。由于諧波電流成分產(chǎn)生的扭矩可能為負(fù)或正，因此繼電器可能拒絕或故障。結(jié)果的決定取決于同一頻率下硬件要素的有效值與硬件的相位差。

（三）諧波對(duì)整流型繼電器的影響

整流器繼電器的主要特征是多輸入或全輸入電流的組合。繼電器的作用特性取決于整流電流信號(hào)及其作用準(zhǔn)則。基本上，諧波的內(nèi)容越高，影響越大。以由雙環(huán)整流電路構(gòu)成的定向阻抗繼電器為例，當(dāng)電路中的電流包括諧波分量時(shí)，操作特性不是不規(guī)則的多波段，而是閉環(huán)曲線。在某些情況下，可能會(huì)因電力線接地短路等大電流硬件組件而整流器保護(hù)裝置拒絕動(dòng)作。主要原因是，如果電路中電流含有諧波成分，則繼電器動(dòng)作特性會(huì)因?yàn)閺沫h(huán)狀整流器的相位比較器輸出的交流成分增加，而造成不穩(wěn)定。因此，繼電器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮硬件的影響。

四、電力系統(tǒng)中諧波的消除方法

（一）限制諧波振蕩過(guò)電壓產(chǎn)生

這個(gè)問(wèn)題可以從兩個(gè)方面解決。一是為了避免與諧波振動(dòng)參數(shù)匹配，將功率網(wǎng)格的電容性電抗改為接地或變壓器的感應(yīng)。另一方面，零相電路的衰減變大，抑制諧波振動(dòng)波的過(guò)電壓和諧波振動(dòng)的發(fā)生和產(chǎn)生。有六種設(shè)計(jì)方法。第一，要提高電網(wǎng)的接地能力。第二種是將電阻器連接到一個(gè)開(kāi)放的三角繞組盤(pán)口。第三，選擇性能優(yōu)良的電容性變壓器或電磁變壓器。第四中性點(diǎn)高電壓側(cè)的大容量接地。第五是電力網(wǎng)的中性點(diǎn)經(jīng)由脫弧環(huán)接地。第六是變壓器的中性點(diǎn)消弧圈接地。雖然以上設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，但是考慮到便利性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及應(yīng)用效果，消磁裝置或者在變壓器開(kāi)口處的三角形繞口處連接電阻具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（二）互感器開(kāi)口三角繞組端設(shè)置消諧裝置

連接到儀表用變壓器的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件通過(guò)斷續(xù)觸發(fā)瞬間啟動(dòng)，儀表用變壓器開(kāi)口的三角繞組端瞬間短路，利用系統(tǒng)的零階電阻與零階電壓放出諧波的振動(dòng)能量，增加諧振電路的衰減。實(shí)際上，去除諧波的效果會(huì)隨著外部衰減電阻的減小而增高，電阻為零時(shí)最有效。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件瞬間短路時(shí)，外部電阻為零，繼電器或其他自動(dòng)檢測(cè)裝置的動(dòng)作不會(huì)受到影響。當(dāng)前系統(tǒng)中的多頻硬件的振動(dòng)問(wèn)題該裝置可以解決。可以立即檢測(cè)識(shí)別硬件振動(dòng)的頻率，繼電器或其他設(shè)備的正常動(dòng)作不受影響。這種裝置與電網(wǎng)的一次設(shè)備無(wú)關(guān)，也適用于無(wú)人的綜合自動(dòng)變電站，具有安全可靠，安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于配電系統(tǒng)尤其是繼電器保護(hù)，隨著配電系統(tǒng)中電力電子設(shè)備越來(lái)越多的應(yīng)用，可能發(fā)生諧波放大與諧波諧振現(xiàn)象，產(chǎn)生了不利影響。另外，系統(tǒng)阻抗結(jié)構(gòu)的變更和增加的電子設(shè)備等，都可以變更電流和電壓的等效阻抗。因此，未來(lái)繼電保護(hù)開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)是，繼電器保護(hù)本身有正確區(qū)分異常、故障和正常操作狀態(tài)的能力，其操作性能可以從外部干擾中解放出來(lái)。

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