電氣系統中諧波對繼電器保護的影響

楊光倫　曾乾嶸

[摘? ? 要]現代電力系統中，整流晶閘管、變頻設備以及換相逆變裝置的大量使用，導致電網諧波污染問題呈現出加重趨勢，高次諧波的存在對各類電氣設備均造成不同程度的損害。文章以繼電器為例，首先概述了諧波對整流型、電磁型以及感應型繼電器帶來的具體危害;隨后介紹了瞬時無功功率法、傅里葉變換法和小波變換法3種常用的諧波檢測方法;最后結合工作實踐，分別從加裝濾波器、改進諧波抑制技術，以及設計消諧回路等總結了可用于抑制諧波、保護繼電器的可行性策略，為電力系統的穩定運行提供了支持。

[關鍵詞]電氣系統;諧波;繼電器;濾波器

[中圖分類號]TM611 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]In modern power systems， the large-scale use of rectifier thyristors， frequency conversion equipment， and commutation inverter devices has led to an aggravation of the problem of harmonic pollution in the power grid. The existence of high-order harmonics has caused various degrees of damage to various electrical equipment. . Taking relays as an example， this article first summarizes the specific harm caused by harmonics to rectifier， electromagnetic， and induction relays; then introduces three common harmonics： instantaneous reactive power method， Fourier transform method， and wavelet transform method. Wave detection method; Finally， combined with work practice， from the aspects of installing filters， improving harmonic suppression technology， and designing harmonic elimination loops， summarized the feasible strategies that can be used to suppress harmonics and protect relays， which are for the stability of the power system. Operational support is provided.

[Keywords]electrical system; harmonics; relays; filters

研究表明，電力系統中繼電保護裝置出現誤動或拒動故障，排除繼電器自身故障原因外，諧波破壞是一種常見因素。由于高次諧波來源復雜，不可能完全杜絕諧波的產生。一種思路是通過外加特殊裝置來抑制諧波，使其危害可控;另一種思路則是加強對繼電器的保護，提高其抗諧波干擾能力。除此之外，還要結合繼電器的具體類型，以及檢測電力系統中諧波分量的大小，制定具體可行的方案，確保達到抑制諧波、使繼電保護功能正常發揮的效果。

1 諧波對不同類型繼電器造成的危害

1.1 對整流型繼電器的危害

整流型繼電器的作用是把輸入的交流電、直流電進行整流，并根據整流后輸出的電壓、電流信號，決定接下來的動作。如果出現過電壓、過電流的情況，則繼電器自動斷開，起到保護電路的效果。當繼電器所在的電力系統中出現輸電線路的接地短路故障時，流經繼電器的電流中存在較高的高次諧波分量，另外，諧波經過裂相回路時還會受到放大作用，使得諧波產生的危害進一步加劇，此時整流型繼電器有較高的概率出現誤動。

1.2 對電磁型繼電器的危害

此類型的電流繼電器，其轉速與電流有效值的平方成正比。通過判斷電流有效值的大小作為動作的依據。其特點是對整定值要求不高，當電網中存在少量諧波時，由于電磁型繼電器內部線圈匝數較多，具有較強的阻抗，因此在諧波不大的情況下，并不影響繼電器正常動作。但是如果電網中高次諧波的產生量較大，會引起保護拒動。此類型的電壓繼電器，如果諧波的動作值大于基波的整定值，則會因為過電壓導致繼電器拒動;相反，在欠電壓的情況下，繼電器又會出現誤動。

1.3 對感應型繼電器的危害

此類型的繼電器具有動作速度慢，但是可動部分慣性大的特點。在磁場影響下，通入電流的繼電器圓盤會因為電磁感應的影響，沿著磁場方向做定向的轉動。并且，其動作靈敏性與繼電器的頻率呈負相關。當電力系統中存在大量的5次、7次諧波時，附加的諧波轉矩會導致繼電器頻率大幅度上升，動作靈敏度也隨時下降。當電力系統中出現過載情況時，很難第一時間響應并做出保護動作，繼電器出現拒動情況，失去了保護控制功能，給電氣系統的運行增加了隱患。

2 電氣系統中諧波檢測方法

2.1 瞬時無功功率法

以三相三線制電路為例，若電網電壓產生畸變、出現高次諧波，首先通過鎖相環技術消除畸變量對檢測結果的干擾，從而保證最終測得的諧波電流值能夠準確反映當前電力系統中存在的諧波分量。其檢測方法為：采用低通濾波器擴大增益，從而得到瞬時有功電流的幅值（ip）和瞬時無功電流的幅值（iq）。由此易得某個時間點上的瞬時電流值ip（t）和iq（t）。然后可以求得瞬時諧波電流ih（t）。：

該檢測方法的優勢在于動態響應速度快，基本上不存在延時問題，對提高檢測結果的精確性和可信度有積極作用。

2.2 傅里葉變換法

現階段使用FFT（傅里葉變換）檢測諧波，是一種比較常用的方法。其特點是通過D/A轉換器，能夠將模擬信號轉化為數字信號，在數字域開展諧波檢測，從而消除干擾，以量化結果的方式直觀表達電氣系統中的諧波。當然，使用FFT法檢測諧波，也有一定的缺陷，例如數據處理工作量大，導致檢測結果的實時性稍差。而延時情況比較嚴重的情況下，可能會導致采樣周期與信號周期無法做到同步，由此導致頻譜泄漏并影響檢測結果的可信度。因此，在使用FFT法時，通常會采取同步采樣法來抑制頻譜泄漏，或者增加窗函數提高諧波分析的分辨率和幅值相位精度。

2.3 小波變換法

由于電力系統中若干種電氣設備都可產生諧波，因此諧波具有隨機性、復雜性特點，這也是導致常規檢測結果精度不高的重要原因。但是小波變換對控制諧波測量誤差具有明顯優勢。一方面，小波變換的頻帶屬于非均勻劃分，既有狹窄的低頻頻帶，也有較寬的高頻頻帶。因此無論是電力系統中產生的平穩信號還是瞬時信號，都能夠被小波變換的頻帶捕捉，從而杜絕了頻譜泄漏問題，達到提高測量精度的目的。另一方面，小波等同于一個雙窗函數，而根據上文介紹的FFT法可知，通過增加窗函數有助于提高檢測精度。因此對某一信號進行小波變換，等同于從該時頻窗內的信息提取信號，保證了檢測結果的精度。

3 電氣系統中諧波抑制措施

3.1 加裝濾波器

濾波器的諧波抑制原理是清除電力系統中直流分量與高次諧波分量數據，從而使得運算結果更加精確，讓繼電器的各項動作更加規范、及時，達到保護效果。根據組成結構和運行原理的不同，又可以分為電力濾波器、數字濾波器等類型。近幾年，電力濾波器（PF）逐漸成為抑制諧波的常規措施，其特點如下。

（1）運行時無共振現象，不會受到電力系統阻抗的影響，保證了穩定的諧波抑制效果。

（2）結構更加簡潔，只需要1臺關斷電子器件就能夠完成對于3次、5次和7次諧波的補償，提高了響應速度。

（3）關斷電子裝置自身也有輸出限制的功能，這樣即便是電力系統中出現了較多的高次諧波，也會通過限制輸出防止補償裝置過載。

數字濾波器是基于軟件算法對輸入的離散型號進行運算處理，進而實現調整信號頻譜、抑制諧波的功能。其優勢在于可靠性好，不會受到磁場、高溫等外界條件的干擾。另外，實用性強，解決了因為元件老化而造成濾波效果減弱的問題。

3.2 改進諧波抑制技術

為了減弱諧波對電力系統造成的危害，諧波處理技術也在不斷的創新、發展。現階段來看，應用較為廣泛的主要有調諧濾波、無源濾波和有源濾波等幾種。前2種技術在實際應用中已經較為成熟，尤其是無源濾波技術，可以對電力系統中5次、7次等特定高次諧波進行抑制。但是也存在一些缺陷，例如，只能針對某個特定的諧波，如果電力系統中同時存在2個及以上的高次諧波，則技術的實用性會受到限制。有源濾波是近幾年發展起來的一種諧波抑制技術，其特點是可調整任意階次的諧波。并且能夠利用前端的傳感監測裝置，隨時掌握電力系統的運行工況，并識別諧波電流，然后自動調整并產生與諧波電流相反、等量的電流，達到抑制甚至是消除諧波的效果。3種諧波抑制技術的對比見表1。

3.3 減小諧波對繼電器保護影響的措施

除了抑制電氣系統中的諧波，還可以嘗試以下措施削弱諧波對繼電器保護的負面影響，從而確保繼電保護裝置能夠正常動作。首先要做好電氣系統諧波檢測，并嚴格執行《電能質量、公用電網間諧波（GB/T 14549—1993）》中對于不同電網電壓下，諧波電壓含有率的要求，見表2。一旦檢測到電氣系統中實際含有的諧波超出了標準，則應采取諧波抑制和消除措施。

此外，在選擇繼電保護裝置時，應當優先考慮對諧波不敏感的器件，例如弱電繼電器，或者在電力系統中設置過零檢測電路。在變壓器差動保護中，選擇差動繼電器，利用速飽和變流器以及二次諧波制動，都可以起到減弱諧波對繼電器保護影響的效果。諧波感抗和電容之間出現諧振，是導致電力二次系統中出現高次諧波的重要原因，基于此，設置消諧回路可以有效抑制諧波，從而避免諧振引起電力系統過載的情況，也會間接起到對繼電器的保護效果。

4 結束語

在電力系統結構復雜化、電力設備種類多樣化的背景下，諧波污染問題已經嚴重影響到電力系統的正常運行，也給電力設備造成了損害。為了保障電網穩定、安全供電，必須要采取諧波抑制措施，使繼電器保護功能順利實現。利用小波變換、傅里葉變換等方法，檢測當前電力系統中諧波分量，然后采取加裝電力濾波器、數字濾波器，以及使用有源濾波技術，設計消諧回路等措施，能夠對諧波起到明顯的抑制效果，實現電網凈化。

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