諧波對繼電保護影響的探究

摘 要：隨著我國電力系統中各種設施的使用數量不斷增加，諧波問題已成為了影響整個系統有效運行的重大問題之一。文中以諧波對繼電保護的影響為出發點，就諧波對各種繼電保護裝置的影響進行了分析，并就如何有效消除這些不利影響提出了自己的見解。

關鍵詞：諧波；繼電保護；影響；措施

1 概述

伴隨著科技的不斷進步，各式各樣的新型電氣設備不斷出現并應用到電力系統中，使得日常生活中非負性電荷與電網接軌的數量不斷增多，進而在電網中生成了大量的諧波，從而對電網系統及其中的電力設施造成負面影響。諧波的大量存在會使得系統中電力設施的損耗速度增加，加速電線的老化，使得設備損毀。同時諧波的存在還會對繼電保護裝置和自動設施產生干擾，導致功能失靈，引起嚴重的安全隱患。本文就針對諧波對繼電保護的影響展開討論，以期可以為廣大電力工作者提供些許借鑒。

2 諧波的概述

2.1 電網中的諧波

諧波是一種由非正弦周期交流量通過傅里葉分解所獲得的頻率為基波頻率整數倍的分量。大家所普遍公認的是由于非線性負荷的用電方法造成了非正弦的周期電流，進而在電網系統中造成諧波壓降，進而使得電網中電壓發生畸變引起諧波的出現，即諧波污染。在此對諧波特性的分析借由三相不控整流器加以說明。三相不控整流器是一種廣泛使用于變頻設備、城市地鐵、工業電流轉換、新型電工汽車充電站中的設備。其原理是借由二極管的整流變換將三相交流電轉換成直流電。而鑒于二極管單向導通的特點，整流器交流側的電流波形就不可避免的會發生畸變，攜帶上大量諧波。圖1即為該整流器a相實測的電壓電流波形。

圖1 三相不控整流器交流側電壓電流波形

相應分析如下：通過對該整流器交流側a相正弦周期電流的傅里葉分解可獲得以下公式：

式中Id是經過整流后所得直流電的均值，通過上式我們可知電流基波同各次諧波的有效值：

由這些計算可見，三項不控整流器交流側的電流諧波次數以6k±1.其中k=1，2，3…，不包括偶數次和3的倍數次諧波，同時諧波的輔助同次數間呈現反比。這表明非線性負載對電網有著極強的諧波污染。

2.2 諧波的危害

（1）對用電設施的危害

用電設施在諧波的影響下，其內部絕緣部分會逐漸出現老化，使其使用期限大打折扣，此外諧波還會使得測量儀器的精準度大幅降低，從而使得自動裝置和保護裝置出現誤操作的問題。通常而言，電力系統中諧波的含量波動在10%-40%的區間內，受其影響的設備部件主要有電動機中旋轉鐵芯、斷路器、并聯電容、繼電保護器、電纜與通信線路等。總而言之，諧波對各式用電設施都或多或少有著各種影響，引起諸如降低設備的使用壽命、設施過熱、自動裝置誤動等。

（2）噪聲污染

諧波的存在會導致電網中的各種用電設備產生各種振動或噪音，這是由于諧波自身的電流頻率同設備中轉子的頻率想接近從而產生共振引起的，對設備有著一定的損害。

（3）使電網受到污染

一旦電網中存在過多的諧波，其不僅會使得電網中的電力設施無法正常工作，甚至有可能造成電網的電力故障，使得電網中電流量超負荷，進而致使其出現發熱、過載的現象，影響電網中電力的正常輸送，嚴重的時候，還有可能導致火災。

（4）變壓器功效受阻

電力系統中的變壓器多為三角連接，一旦其中出現電流就會導致環行電流的出現，特別是三次諧波電流，一旦侵入變壓器中會使得中性線過熱，降低繼電保護的功效。

3 諧波對各種繼保設施的影響

3.1 對電磁型繼保設備的影響

若諧波的含量低于百分之四十時，諧波整定值的誤差會低于百分之十，不過由于繼保設備是依據電流與基波電壓進行整定，在靜態的狀態下會對諧波造成影響。一旦存在諧波時，必將會造成繼電器的保護拒動，當繼電器受到含有諧波的電壓作用，其在基波時的動作值就會遠遠高于整定值，進而有可能造成過電壓器的拒動與欠電壓器的誤動。而在投切空載變壓器時，會出現高含量的諧波粒磁通流，進而造成繼電器誤動，出現跳閘現象。

3.2 對感應型繼保設施的影響

感應型繼保裝置中的圓盤在磁場中有可能產生感應電流，而這一電流有可能同繼電器中的其他磁場相互作用產生電磁轉矩，進而使得圓盤發生轉動。而感應型繼保設備往往慣性較大，諧波轉矩對其影響有限。根據有關實驗，諧波在磁盤上產生的附加轉矩的影響會隨著電流輸入頻率的增多而提升，特別是三次、五次及七次諧波對繼電保護設備的靈敏度影響最大。其原因在于諧波電流在磁盤上產生的轉矩決定于電流每次的諧波分量與基波分量兩者。而諧波電流產生的轉矩有正有負，這就使得繼保設備既有發生拒動又有誤動的可能。

3.3 諧波對整流型繼保設施的影響

整流型繼電器最大的特點在于可將輸入的一個交流量或多個交流量進行整流，將其轉變成直流量，而其動作特性則決定于經整流后形成的直流電壓與電流信號。譬如以某一類的方向阻抗繼電器為例，其構成為兩個電氣量的環形整流比相器，當電網的電流中攜帶有諧波時，繼電器的動作特性將不再為一個圓形而是變成不規則的封閉曲線，曲線上存在大大小小的凹凸與起伏，這些起伏點會伴隨著電流的每個周期不斷生產，且隨著電流中諧波量的增大而不斷增強。這一情況出現的源頭在于諧波電流進入電流回路時，會使得環形整流比相器所輸出的交流分量增強，從而使得繼電保護設施的動作特性出現不光滑的損毀。

3.4 對靜態型繼保設施的影響

此類繼電器是指完全由電子元件組成，不含任何機械運動的繼電器，其主要優點為能夠有效消除諧波的負面影響，抵抗不良干擾。因此，此類繼電器現在越發受到人們的青睞。這種繼電器是依據相位比較的原理制成的，相互比較的兩個交流電流通過積分相比器和微分相比器實現。endprint

4 抵消諧波影響的應對措施

對電力系統中諧波影響的消除通常從兩個角度予以實現：一是抑制性措施，就是采取方法將電網中的諧波降低或消除；二是被動性措施，即增強繼保設施對諧波的抵抗力。

4.1 諧波抑制方法

對電網中諧波的抑制常采用兩種措施：一是實現電力設施自身諧波的產生量；二是增添濾波設施降低電網中的諧波。

第一種措施常使用多脈動整流法，這種方法是按照相關的規律將偶數個的變流器進行組合，借由移相變壓器對電網的電壓實現移相，從而確保不同整流橋對所輸入的電壓出現一定的相位差，進而得到整流負載電流間的相位差，彼此不同相位差不同的負載電流在電網測相互疊加就會使得所攜帶的次諧波相互削弱與抵消，進而使得電網側電流實現正弦化矯正。下圖就是12脈動整流器交流側電壓電流的波形，與上圖相比，電流波形的畸變情況明顯好轉，各次諧波的含有率也大幅降低。

圖2 12脈動整流器交流側電壓電流波形

第二種措施對諧波的抑制是通過在設備中加設濾波裝置實現的。其不僅能夠同繼電保護裝置進行協同合作，更能夠有效消除諧波的干擾等危害，目前廣泛應用于電力系統中，有很好的實際作用意義。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器，在實際應用中，需根據具體情況而選取最合適的濾波裝置。其中，有源濾波器也叫主動式濾波器，其作用方式是產生與諧波大小相等、方向相反的電流，從而抵消諧波的作用。有源濾波器作用效果顯著，但是成本高昂。此外，無源濾波器也叫被動式濾波器，其作用機制是將電容器與濾波電抗器串聯，以在諧波的作用頻率下產生低阻抗回路，通過對相同頻率的諧波進行吸收，起到降低整個系統諧波危害的作用。無源濾波器采用的是電容器的補償作用，因此效果不如有源濾波器顯著，使用范圍比較局限，只對某一頻率的諧波有作用，但是價格較易承受。

4.2 增強繼保設施的方法

4.2.1 提高繼電器可靠性

提高繼電器的可靠性能有效抵制諧波的危害。提高繼電器的可靠性，首先就要保障繼電器不受或者少受諧波的影響。裝置繼電保護時，要充分分析比相判斷，進行過零點檢測，并選取弱電繼電器以及元件安裝。同時，還可以通過二次諧波的方式產生能夠強化繼電器保護作用的飽和變流器，從而提高繼電器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次諧波系統容易產生諧振，為了消除由諧振引發的過電壓等危害，可使系統中的固有頻率與較高含量的頻率帶保持安全距離。通過以上方法，均可提高繼電器的可靠性，減少諧波危害。

4.2.2 增加功率因數調節裝置

在諧波的產生設備的電源上裝置功率因數的調節裝置，可以從根源上有效減少諧波的產生，從而抑制諧波危害。此方法的有效抵消諧波也提示相關部門，在設備的研發制造時就根據企業特點充分考慮諧波問題，盡量避免諧波的產生，從源頭上有效減少諧波對電網的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高諧波分析能力

對諧波的治理，需要依靠精準的諧波分析手段。實際生產中，可利用傅立葉變換得到綜合完整的諧波數據，經過數據處理后得出分析結果，指導諧波治理。考慮到電抗器的計算和現場諧波測試比較復雜，且只能應用于固定負載，在實際分析過程中應遵照實際的運行標準，全面分析數據，并及時補償功率因數，從而減少諧波的影響。

4.2.4 增強計算機保護

在完善繼電保護裝置的同時，技術人員還應增強對計算機的保護，具體措施如下：a.技術人員可通過中間變換器，將系統導入的電壓和電流轉換成有著較強適應性的數值后進入電力回路，隨后借由濾波器對電流中攜帶的諧波量進行消減，并通過模數轉換設備實現模與數的相互轉換。最后，還應采取措施對數字的運算處理結果實施保護，把相關數據轉換成數字并運算后將結果適時傳出。b.技術人員在數字運算工作之外，還應充分利用計算機系統中的數字信號處理設施。具體而言就是在利用轉換器實現接受的模擬信號向數字信號的轉變后，還應運用處理手段對數字形式的信號再次處理，并將最終結果還原為模擬信號，從而實現模擬信號具體的時間量化工作。需注意的是所采用的數字信號應使用二進制的有限位碼。

5 結束語

各種信息電力設施的不斷使用為電力系統的運行造成了嚴重的諧波污染，這一現象對繼電保護裝置尤為明顯，極大的干擾了其功能的實現。所以，電力工作者必須充分利用新型技術，對繼電保護設備進行改進，使其能更好的抵御諧波的影響，從而有效確保電力系統的正常運行。

參考文獻

[1]劉進.諧波對繼電保護影響的研究[D].天津理工大學，2012.

[2]梁鐵兵.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制措施[J].科技創業家，2011（12）.

[3]戚藝明.繼電保護故障處理方法的探討[J].科技創新導報，2012（10）.

[4]馬麗娜，周玉紅.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制對策[J].內蒙古科技與經濟，2009（7）.

作者簡介：高朝輝（1983，8-），男，河北人，學士學位，助理工程師，研究方向：繼電保護、通信方向。endprint

4 抵消諧波影響的應對措施

對電力系統中諧波影響的消除通常從兩個角度予以實現：一是抑制性措施，就是采取方法將電網中的諧波降低或消除；二是被動性措施，即增強繼保設施對諧波的抵抗力。

4.1 諧波抑制方法

對電網中諧波的抑制常采用兩種措施：一是實現電力設施自身諧波的產生量；二是增添濾波設施降低電網中的諧波。

第一種措施常使用多脈動整流法，這種方法是按照相關的規律將偶數個的變流器進行組合，借由移相變壓器對電網的電壓實現移相，從而確保不同整流橋對所輸入的電壓出現一定的相位差，進而得到整流負載電流間的相位差，彼此不同相位差不同的負載電流在電網測相互疊加就會使得所攜帶的次諧波相互削弱與抵消，進而使得電網側電流實現正弦化矯正。下圖就是12脈動整流器交流側電壓電流的波形，與上圖相比，電流波形的畸變情況明顯好轉，各次諧波的含有率也大幅降低。

圖2 12脈動整流器交流側電壓電流波形

第二種措施對諧波的抑制是通過在設備中加設濾波裝置實現的。其不僅能夠同繼電保護裝置進行協同合作，更能夠有效消除諧波的干擾等危害，目前廣泛應用于電力系統中，有很好的實際作用意義。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器，在實際應用中，需根據具體情況而選取最合適的濾波裝置。其中，有源濾波器也叫主動式濾波器，其作用方式是產生與諧波大小相等、方向相反的電流，從而抵消諧波的作用。有源濾波器作用效果顯著，但是成本高昂。此外，無源濾波器也叫被動式濾波器，其作用機制是將電容器與濾波電抗器串聯，以在諧波的作用頻率下產生低阻抗回路，通過對相同頻率的諧波進行吸收，起到降低整個系統諧波危害的作用。無源濾波器采用的是電容器的補償作用，因此效果不如有源濾波器顯著，使用范圍比較局限，只對某一頻率的諧波有作用，但是價格較易承受。

4.2 增強繼保設施的方法

4.2.1 提高繼電器可靠性

提高繼電器的可靠性能有效抵制諧波的危害。提高繼電器的可靠性，首先就要保障繼電器不受或者少受諧波的影響。裝置繼電保護時，要充分分析比相判斷，進行過零點檢測，并選取弱電繼電器以及元件安裝。同時，還可以通過二次諧波的方式產生能夠強化繼電器保護作用的飽和變流器，從而提高繼電器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次諧波系統容易產生諧振，為了消除由諧振引發的過電壓等危害，可使系統中的固有頻率與較高含量的頻率帶保持安全距離。通過以上方法，均可提高繼電器的可靠性，減少諧波危害。

4.2.2 增加功率因數調節裝置

在諧波的產生設備的電源上裝置功率因數的調節裝置，可以從根源上有效減少諧波的產生，從而抑制諧波危害。此方法的有效抵消諧波也提示相關部門，在設備的研發制造時就根據企業特點充分考慮諧波問題，盡量避免諧波的產生，從源頭上有效減少諧波對電網的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高諧波分析能力

對諧波的治理，需要依靠精準的諧波分析手段。實際生產中，可利用傅立葉變換得到綜合完整的諧波數據，經過數據處理后得出分析結果，指導諧波治理。考慮到電抗器的計算和現場諧波測試比較復雜，且只能應用于固定負載，在實際分析過程中應遵照實際的運行標準，全面分析數據，并及時補償功率因數，從而減少諧波的影響。

4.2.4 增強計算機保護

在完善繼電保護裝置的同時，技術人員還應增強對計算機的保護，具體措施如下：a.技術人員可通過中間變換器，將系統導入的電壓和電流轉換成有著較強適應性的數值后進入電力回路，隨后借由濾波器對電流中攜帶的諧波量進行消減，并通過模數轉換設備實現模與數的相互轉換。最后，還應采取措施對數字的運算處理結果實施保護，把相關數據轉換成數字并運算后將結果適時傳出。b.技術人員在數字運算工作之外，還應充分利用計算機系統中的數字信號處理設施。具體而言就是在利用轉換器實現接受的模擬信號向數字信號的轉變后，還應運用處理手段對數字形式的信號再次處理，并將最終結果還原為模擬信號，從而實現模擬信號具體的時間量化工作。需注意的是所采用的數字信號應使用二進制的有限位碼。

5 結束語

各種信息電力設施的不斷使用為電力系統的運行造成了嚴重的諧波污染，這一現象對繼電保護裝置尤為明顯，極大的干擾了其功能的實現。所以，電力工作者必須充分利用新型技術，對繼電保護設備進行改進，使其能更好的抵御諧波的影響，從而有效確保電力系統的正常運行。

參考文獻

[1]劉進.諧波對繼電保護影響的研究[D].天津理工大學，2012.

[2]梁鐵兵.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制措施[J].科技創業家，2011（12）.

[3]戚藝明.繼電保護故障處理方法的探討[J].科技創新導報，2012（10）.

[4]馬麗娜，周玉紅.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制對策[J].內蒙古科技與經濟，2009（7）.

作者簡介：高朝輝（1983，8-），男，河北人，學士學位，助理工程師，研究方向：繼電保護、通信方向。endprint

4 抵消諧波影響的應對措施

對電力系統中諧波影響的消除通常從兩個角度予以實現：一是抑制性措施，就是采取方法將電網中的諧波降低或消除；二是被動性措施，即增強繼保設施對諧波的抵抗力。

4.1 諧波抑制方法

對電網中諧波的抑制常采用兩種措施：一是實現電力設施自身諧波的產生量；二是增添濾波設施降低電網中的諧波。

第一種措施常使用多脈動整流法，這種方法是按照相關的規律將偶數個的變流器進行組合，借由移相變壓器對電網的電壓實現移相，從而確保不同整流橋對所輸入的電壓出現一定的相位差，進而得到整流負載電流間的相位差，彼此不同相位差不同的負載電流在電網測相互疊加就會使得所攜帶的次諧波相互削弱與抵消，進而使得電網側電流實現正弦化矯正。下圖就是12脈動整流器交流側電壓電流的波形，與上圖相比，電流波形的畸變情況明顯好轉，各次諧波的含有率也大幅降低。

圖2 12脈動整流器交流側電壓電流波形

第二種措施對諧波的抑制是通過在設備中加設濾波裝置實現的。其不僅能夠同繼電保護裝置進行協同合作，更能夠有效消除諧波的干擾等危害，目前廣泛應用于電力系統中，有很好的實際作用意義。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器，在實際應用中，需根據具體情況而選取最合適的濾波裝置。其中，有源濾波器也叫主動式濾波器，其作用方式是產生與諧波大小相等、方向相反的電流，從而抵消諧波的作用。有源濾波器作用效果顯著，但是成本高昂。此外，無源濾波器也叫被動式濾波器，其作用機制是將電容器與濾波電抗器串聯，以在諧波的作用頻率下產生低阻抗回路，通過對相同頻率的諧波進行吸收，起到降低整個系統諧波危害的作用。無源濾波器采用的是電容器的補償作用，因此效果不如有源濾波器顯著，使用范圍比較局限，只對某一頻率的諧波有作用，但是價格較易承受。

4.2 增強繼保設施的方法

4.2.1 提高繼電器可靠性

提高繼電器的可靠性能有效抵制諧波的危害。提高繼電器的可靠性，首先就要保障繼電器不受或者少受諧波的影響。裝置繼電保護時，要充分分析比相判斷，進行過零點檢測，并選取弱電繼電器以及元件安裝。同時，還可以通過二次諧波的方式產生能夠強化繼電器保護作用的飽和變流器，從而提高繼電器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次諧波系統容易產生諧振，為了消除由諧振引發的過電壓等危害，可使系統中的固有頻率與較高含量的頻率帶保持安全距離。通過以上方法，均可提高繼電器的可靠性，減少諧波危害。

4.2.2 增加功率因數調節裝置

在諧波的產生設備的電源上裝置功率因數的調節裝置，可以從根源上有效減少諧波的產生，從而抑制諧波危害。此方法的有效抵消諧波也提示相關部門，在設備的研發制造時就根據企業特點充分考慮諧波問題，盡量避免諧波的產生，從源頭上有效減少諧波對電網的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高諧波分析能力

對諧波的治理，需要依靠精準的諧波分析手段。實際生產中，可利用傅立葉變換得到綜合完整的諧波數據，經過數據處理后得出分析結果，指導諧波治理。考慮到電抗器的計算和現場諧波測試比較復雜，且只能應用于固定負載，在實際分析過程中應遵照實際的運行標準，全面分析數據，并及時補償功率因數，從而減少諧波的影響。

4.2.4 增強計算機保護

在完善繼電保護裝置的同時，技術人員還應增強對計算機的保護，具體措施如下：a.技術人員可通過中間變換器，將系統導入的電壓和電流轉換成有著較強適應性的數值后進入電力回路，隨后借由濾波器對電流中攜帶的諧波量進行消減，并通過模數轉換設備實現模與數的相互轉換。最后，還應采取措施對數字的運算處理結果實施保護，把相關數據轉換成數字并運算后將結果適時傳出。b.技術人員在數字運算工作之外，還應充分利用計算機系統中的數字信號處理設施。具體而言就是在利用轉換器實現接受的模擬信號向數字信號的轉變后，還應運用處理手段對數字形式的信號再次處理，并將最終結果還原為模擬信號，從而實現模擬信號具體的時間量化工作。需注意的是所采用的數字信號應使用二進制的有限位碼。

5 結束語

各種信息電力設施的不斷使用為電力系統的運行造成了嚴重的諧波污染，這一現象對繼電保護裝置尤為明顯，極大的干擾了其功能的實現。所以，電力工作者必須充分利用新型技術，對繼電保護設備進行改進，使其能更好的抵御諧波的影響，從而有效確保電力系統的正常運行。

參考文獻

[1]劉進.諧波對繼電保護影響的研究[D].天津理工大學，2012.

[2]梁鐵兵.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制措施[J].科技創業家，2011（12）.

[3]戚藝明.繼電保護故障處理方法的探討[J].科技創新導報，2012（10）.

[4]馬麗娜，周玉紅.淺談諧波對繼電保護的影響及抑制對策[J].內蒙古科技與經濟，2009（7）.

作者簡介：高朝輝（1983，8-），男，河北人，學士學位，助理工程師，研究方向：繼電保護、通信方向。endprint