電能表諧波引起的變電站保護裝置告警問題分析

廣東電網有限責任公司惠州供電局 李啟奕 駱光 蘇賢樂

1 主變保護裝置諧PT異常告警現象

某220kV 變電站#1 主變保護A 屏保護裝置（型號：PCS-978）報警燈亮，低壓側一分支PT 異常，保護裝置采集到低壓側一分支電壓為：A 相61.15V、B 相59.29V、C 相60.05V、零序電壓3.27V、外接零序電壓1.92V。

一是正序電壓小于30V 且任一相電流大于0.04A或開關在合位狀態。

二是負序電壓大于8V。

三是相電壓中的3 次諧波分量超過工頻分量的10%，用來檢測PT的N線是否正常。

由于裝置采集的電壓數據顯示各項電壓幅值正常，實際情況明顯不滿足判據第一點、第二點，所以現場檢查重點轉為該電壓是否滿足判據第三點，即電壓是否含有較大的諧波分量，根據錄波裝置采集的電壓量，該電壓確實有較大的諧波分量。

2 諧波告警原因分析

2.1 諧波的產生及危害

電力系統中諧波產生的根本原因是非線性負載。即當電流流經負載時，其與所加的電壓不呈線性關系，因此形成非正弦電流，即電路中有諧波產生[1]。

根據法國數學家傅立葉分析原理證明，諧波頻率是基波頻率的整倍數，任何重復的波形都為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角，諧波可以區分為偶次與奇次性。對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波[2]。

由于電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。諧波使公用電網中的元件產生附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備效率；諧波影響各種電氣設備正常工作，對電機造成附加損耗外，還會產生機械震動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，還使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞；諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大；諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確；對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信號丟失，使通信系統無法正常工作。

變電站內諧波污染問題的存在直接影響電力設備的正常工作，因此加強對變電站內諧波防治的研究尤為重要。

2.2 諧波告警原因分析

主變保護裝置出現PT異常告警，根據實測的數據初步分析是PT回路存在相應的諧波分量并超過裝置的判斷閾值。電壓諧波數據I 如圖1所示。由圖1可知，電壓波形畸變嚴重，含有較大諧波，數據顯示3次諧波分量約為11.55%。

圖1 電壓諧波數據I

變電站的母線PT是用來測量母線電壓的一種測量設備，通常二次側具有多組二次輸出繞組，分別帶有各種二次設備的負載，保護裝置、測控裝置、計量裝置等二次設備并接于相應的二次繞組。此次PT出現諧波異常告警現場排查方向是分別從一次側二次側著手，由于10kV 系統一次側電壓沒有發生畸變，220kV、110kV 系統電壓波形均正常，而10kV系統接近空載，所帶一次設備元件少，負荷很小，所以10kV系統一次側電壓畸變的可能性不大，而10kV PT 二次電壓發生畸變，因此首要是從PT的二次負載出發。

由測量的數據可知，該變電站諧波異常告警是近期才出現的現象，應優先考慮近期變電站的二次設備有無變更情況，經查詢變電站的工作記錄，發現該變電站近期有進行電能表批量更換的記錄，且更換的時間節點正好是主變保護出現PT異常告警的時間點，因此工作人員排查的重點是電能表。工作人員現場排查分析的思路是通過排除法判別是否由該設備引起或產生異常警報，逐個拆除10kV 電能表確定是否為電能表引起異常警報。

試驗發現每拆除一個電能表，諧波分量就相應地減少，拆除4 個電能表后，3 次諧波分量為10.4%，拆除8個電能表后，3次諧波分量為9.5%。

電壓諧波數據II如圖2所示。由圖2可知，引起10kV PT 二次電壓諧波異常原因之一是電能表，且累加效果呈線性。該型號的電能表在二次電壓回路產生3 次諧波電壓干擾，且諧波強度與所帶電能表數量成正比，當3 次諧波電壓分量達到10%，就被帶有諧波檢測的主變低壓側保護裝置感應到，觸發PT異常告警，影響保護正確動作。

圖2 電壓諧波數據II

3 電能表引起的諧波原因及解決方案

3.1 電能表引起的諧波原因

為進一步分析電能表引起諧波的原因，現場通過三相電能表現場校驗儀檢測每只電能表對諧波的影響，經測試每只該型號電能表對3 次諧波會有約0.2%～0.4%的波動，其他廠家的電能表影響在0.15%左右，個別電能表基本無影響。

現場測試是通過斷開電能表的電壓來測試電能表對電壓回路的影響，平均每只電能表對3 次諧波影響值為0.23。現場同時還進行了另外一組PT的測試，在另外一組PT二次負載下，平均每只電能表對3 次諧波影響值為0.45，在接不同PT 的情況下，每只電能表對諧波產生了不同的影響。

電壓回路的3次諧波下降測試情況如表1所示。

表1 3次諧波下降測試情況

斷開電能表諧波測量情況如圖3所示。現場變電站異常支路PT 共接入26 只該型號規格三相多功能電能表，為進一步判斷電能表是否為諧波源，工作人員在試驗室校驗臺體掛表24塊進行測試，與現場電能表同型號同規格，電壓諧波分量實測為0.06%，與現場實測11.55%諧波不符，相差巨大。

圖3 斷開電能表諧波測量情況

經過現場測試，在相同條件下（同一廠家，同一型號規格、同一批次電能表），每個電能表在不同PT 負載下對諧波產生了不同的影響，諧波分量平均值相差約一倍，可排除電能表本身是諧波源。

PT為感性元件，當負載為非線性負載且回路當中含有一定的諧波分量時，兩者會產生性能疊加。變電站電能表為經母線電壓PT接入的接線方式，該型號的電能表采用了線性電源，即內部采用變壓器實現電壓轉換，變壓器初級線圈如同一電感，即26臺電能表作為感性負載接入PT，產生一定的疊加效果。

當電表累積到一定數量，其影響較大，加上基礎諧波含量，有可能超出10%閾值而造成報警。采用開關電源方案的其他型號電能表在電源接入電路較線性電源多了X2 電容，而X2 電容對諧波有一定的抑制作用，所以影響較小。

三相多功能電能表技術規范等現行的規范制度中，針對電能表諧波方面的指標沒有明確的規定，根據國標檢定規程該型號批次電能表經現場檢驗為合格。在此情況下，無法定義該型號批次電能表為不合格設備或是質量問題而進一步對該批次電能表進行處理，對于電能表諧波引起的變電站保護裝置告警問題需進一步研究解決方案。

3.2 解決方案

3.2.1 方案一

對于此問題，建議在電能表進線側的電壓線路上，并接RC 濾波以減小線路上的諧波分量，并接RC濾波電路原理如圖4所示。

圖4 并接RC濾波電路原理

目前，已經通過濾波器驗證，確定對目前的諧波情況有所改善，同時不會對電能表的計量性能及整體供電線路產生負面影響。

3.2.2 方案二

在PT開口三角電壓二次回路上進行并接鎢絲燈泡（額定功率95W）進行消諧處理，電壓3 次諧波占比明顯下降，主變保護PT異常告警信號復歸。

3.2.3 方案三

由于PT為感性元件，當負載為非線性負載且回路當中含有一定的諧波分量時，兩者會產生性能疊加，電能表非諧波源但對諧波有一定的放大影響，因此減少在同一個PT二次負載下的電能表數量也可減少諧波分量。

4 結語

變電站二次回路點多面廣，所涉及的二次設備繁多，變電站主變保護裝置出現PT 異常告警，排查過程非常煩瑣，費時費力。此次經過一系列的分析排查，判斷由某型號電能表使用的線性電源引起的相電壓中3 次諧波分量超過工頻分量的10%報警，從繼電保護、電路理論等基本原理出發，分析形成了該問題的原因，經過現場測試試驗并提出解決方案，以期給后續同類問題的處理提供參考。