諧波對繼電保護裝置的影響探析

劉英梅 李紹忠/中國華能海勃灣發電廠

諧波對繼電保護裝置的影響探析

劉英梅 李紹忠/中國華能海勃灣發電廠

我國的電網系統普遍都是在50Hz有的60Hz恒定頻率下發電，而最理想的狀況我們視發電機的電動勢波形是正弦的。但這都是針對線性元件時，若電源加在一個非線性裝置上時，波形就不一樣了，它會發生畸變，也就是諧波開始發生了。文章探討了諧波對繼電保護裝置的影響。

諧波；繼電保護裝置

一、引言

諧波即指可以產生頻率為基波的整數倍數的一種電氣特征，這種電氣特征并非所有的用電設備都能夠產生，只有較少部分電氣設備具備這種特性。當我們在對非正弦的周期性電磁信息做傅利葉級數分解時，再經過傅利葉變換就可以得到與電網的基波頻率相同的分量以及一些數倍于基波頻率的分量，諧波即諧波分量，通常指的是超出基波的倍數級的一種分量。諧波的主要產生設備為能量變換裝置與能量變換技術所產生，此外，變頻設備也會產生諧波分量。諧波分量主要是由這些非線性電力裝的二極管的不控整流技術產生出來的。整流裝置產生的大量諧波會對電力系統中的用電設備產生巨大的破壞作用，嚴重的還會造成經濟損失。在平時，這些諧波的雖然會對電網產生影響，其影響的分量恒定，但是，一旦遇到電網的短路故障時，這些諧波分量會進一步增大給電網造成更大的影響。

二、諧波的危害

在諧波存在的電網中，變壓器以及電網中的其他用電設備會產生多余的熱量，這些多余的熱量一點一點地積累會使得電氣設備的外表的絕緣層逐漸變質，最終，不但使得用電設備的壽命極大地縮短，而且還會對人類造成觸電的危害。此外，諧波還會對測量儀器的測量精準性產生較大的干擾，甚至還會對電網中的繼電保護裝置產生誤動作。誤動作將給電網的安全用電造成極大的危害，不但影響了用戶的正常用電，而且還給電網帶來了巨大的經濟損失。諧波對于電網的安全運行與穩定運行構成了潛在的威脅，并且還會對電網的局部產生串并聯的諧振，諧波在串并聯諧振作用之下產生一種漸趨放大的效應。而且諧波還會讓用電設備產生振動與噪聲。若是諧波的頻率恰好與定轉子的頻率相同，就會發生共振進而產生極大的噪聲，嚴重時會對電氣設備造成破壞。

三、諧波對繼電保護裝置的影響

1.諧波對保護用的鐵芯元件的影響。繼保裝置中慣用的變壓器一般都是鐵芯元件，它們是繼保裝置接入系統二次側電壓的第一環節，因此它受到的系統諧波之影響是隨鐵芯結構及特性的不同而不同的。電抗變壓器由于其鐵芯是帶有空氣隙的，它在保護中它常被用來獲取線路之模擬的阻抗。因為這個特點，所以它的勵磁阻抗是很小的，因此我們能夠認定它的一次側電流全都流進了勵磁支路。那么其二次側輸出電壓表達式為：

從上式中可知：電抗變壓器可以放大諧波電流，第k次諧波的幅值在通過DK B時被放大了k倍。

2.諧波對序分量元件的影響。我們有電流表達式為：

變相完以后可以表示為：

之后得到各序分量為：

變化一下能寫為：

在穩態運行的時侯，含諧波分量的各相電流的相位僅僅在時間上相差了T/3，其它的移相后是幾乎一樣的，因此有k次之諧波各相的電流表達式子為：

若當k=3n時，諧波的三相之相位是相同的；若當k=3n+l時，諧波的相位跟正序分量的一樣；若當k=3n+2的時候，則其跟負序分量一樣。于是諧波分量產生的序分量i“能求得：

有：若k=3n，則說明含該次的諧波成分。若k=3n+l，則此時不含該次的諧波成分。若k=3n+2，則此時亦不含該次的諧波成分。由上面的分析可知，三倍頻率的諧波分量會在各序分量中出現，尤其是比較低的三次諧波，其對繼保之影響是很大的。

3.諧波對阻抗型繼電器影響。阻抗型繼電器：通常說來它可以分之為比相式與比幅式二種。現如今最新代的保護所用的為：突變量阻抗型繼電器，它擁有動作迅速之特點，因此在當今的微機保護中應用非常廣泛。它按照工作原理分又能為：反映幅值變化的工頻變化阻抗繼電器，這種應用較多；還有反應工作電壓相位變化的，這種用的較少。

首先，諧波對于常規的相位比較式阻抗繼電器造成的影響。通常情況因為這種的使用比較廣泛，因此我們想讓其硬件比相電路的實現更加適應，其動作式子如下：

通常在一般的比相式電路中，我們比較的是Uop跟Ujh之間的重疊角的時間。如若其能夠到達5ms就能讓其方程動作。如果整定值的末端發生了短路故障，這一刻的Uop是最容易受到高次諧波的影響的。此時的話系統所含的高次諧波會使得比相回路的方波破碎而讓其重疊角都不足5ms，于是很大概率上引起比相回路的拒動。因此我們為了減小甚至消除高次諧波給其帶來的拒動異常，一般我們是把其工作電壓讓其通過工頻的帶通濾波器之后才接進來比相回路的。

Uzd：是實際中使繼電器工作時，電壓的記憶值：

上式，Uop.loa：故障之前一個周期的工作的電壓值。如果在故障發生的前后系統的特征諧波都不發生變化時，而在故障發生后系統又有非特征的次諧波的產生的話，那么其負荷分量與特征諧波分量則會被消去，半周積分值為S：

研究一下半周積分值S，我們用50Hz分量做半周區間來對其進行積分，從中我們能夠得知諧波對反應工頻變化量的阻抗繼電器的影響與它的次數、初相角、及其分量大小都有關系。通過下圖突變量的動作特性跟諧波次數、初相角、幅值的對比關系我們可以看出其影響。

四、應對措施

1.杜絕電力系統諧波振蕩電壓。為了保障電力系統安全性，應改變諧波互感器感抗性能以及電力系統容抗，避免其與電力系統諧波形成的參數相匹配。另外，在預防諧波發生諧振的同時，還應增強電力系統的零序回路阻尼。因此，在電力系統設計中，為了保障電力系統設備的正常運行，應使用性能優良的電壓互感設備，以改善電壓互感體系，并增加電力系統的對地電容。同時，在電力系統中互感器的三角位置接入定值阻尼電阻和消諧構件，可以杜絕電力系統互感設備中性點接觸，而在電力系統的中性點區域，可以取消直接接地，而采用電阻與地進行有效連接。

在電力系統互感器的三角位置，通過設置對應的元器件和消諧構件，并在電力系統實施“瞬間斷續”時，與電力系統互感設備的可控硅進行有機連接，可以保障電力系統的電壓互感設備相關區域及時產生瞬間斷續作用。實踐應用中，在使用零序電阻的同時，增加電力系統諧振回路阻尼電阻值，可以保障電力系統控制序列的相關電壓值。在對電力系統電壓互感設備、阻尼電阻三角開口相關位置進行諧波消除時，由于消諧效果與阻尼電阻大小成反比關系，因此當電力系統阻尼數值為O時，消諧效果最佳，而雙向型可控硅瞬間斷續短接，就相當于電阻阻尼數值為O，此時諧波不會對電力系統自動檢測以及電磁型繼電設備產生影響。因此，在實際電力系統應用中，在互感器的三角位置設置消諧裝置，不僅能有效解決電力系統的多頻率諧振現象，而且對電力系統諧振接地以及電力系統區分都有重要作用。

2.應對電力系統諧波變形。在電力系統運營中，主要通過繼電保護裝置的選擇性、速動性以及靈敏度對繼電保護進行客觀評價。在了解電力系統諧波指標惡化狀況，明確電流、輸入電壓波形形變原因的同時，可以充分利用電力系統的三次諧波來構建定子接地保護系統，杜絕電力系統因基波檢測疏忽而造成的諧波波形變形。另外，在充分利用變壓設備相關差動保護的同時，還可利用電力系統高次諧波涌流中的二次諧波成分，開發使用二次諧波制動的差動繼電器，從而有效避免電力系統繼電保護誤動，從根本上杜絕因涌流引起的誤操作。

在電力系統諧波防護中，變壓器差動保護主要是利用了速飽和變流器以及二次諧波進行制動。對于高頻保護，則將半波比相改為正、負半波均比相和”與“門出口（即全波比相）或加裝諧波閉鎖，從而保障高頻裝置的正常使用。在超高壓電網高級保護中，通過對輸入信號的有效濾波，可以有效防范諧波對繼電保護的影響。而在110kV負序振蕩閉鎖元件中，通過加裝不致過長延遲動作時間的小濾波器，可減少諧波誤動，保障繼電保護裝置順利運行。另外，采用增量型元件，可避免電力系統負序和穩態諧波的影響。

[1]曾耿暉，劉瑋：繼電保護在線整定系統的探討[J]，繼電器，2004.

[2]劉園，周有慶，彭紅海，劉艷榮：基于DSP的電力系統多功能微機保護實驗裝置的設計[J]，繼電器，2005.

劉英梅：內蒙古赤峰人，1980年9月出生，大學學歷，工程碩士學位，現從事火電廠電氣檢修工作。