電力系統諧波對繼電保護的影響

史曉信

【摘 要】隨著經濟和科技水平的快速發展，近年來，配電網系統不斷發展，家用電器、換流器以及變頻調速等設備逐年增加，其在電力系統中的電流與電壓用電特性會發生一定的變化，進而產生諧波，其一方面會對供電質量產生污染，另一方面會給社會經濟帶來一定的損失，因此對電力系統諧波檢測及抑制控制尤為重要。

【關鍵詞】諧波危害;無源濾波;有源濾波

引言

隨著電力電子裝置在電力系統中的廣泛運用，非線性型電力負荷與沖擊性電力負荷在電網中的占比越來越大，而諧波污染在電力系統里的出現也越來越頻繁，電網供給給用戶的電能質量受到了影響。文章首先分析了電力系統諧波成因，然后總結了應對電力系統諧波危害的措施。

1概述

電力諧波（Theelectricpowerharmonic），即電力系統電流中與工頻頻率不同的成分。諧波產生的根本原因為電壓加在非線性負載兩端，產生了跟電壓不一致的電流波形，即電路產生了諧波。諧波頻率一般為基波頻率的整數倍。根據傅里葉定理，波形可以分為基波頻率和整數倍基波頻率的正弦波代數和。以產生的源頭分類，諧波可分為發電裝置質量不高產生的諧波、輸配電過程產生的諧波以及電力用戶設備產生的諧波。當電網含有大量諧波的時候，電能的傳輸、利用的效率會降低，并且諧波會使得電力設備發熱、絕緣老化加速，甚至使得斷路器誤操作引發安全問題。

2諧波的危害

在電力系統當中產生大量的諧波，會對電力系統的安全運行產生一定的影響。諧波電流的問題產生，不僅會造成電路和發電機內部形成功能損耗，以及設備內部工作溫度不斷升高，而且也會造成發電機電動機或者是大型變壓器形成較強的震動和較大的聲響。在產生一些比較低的諧波當中，會造成系統內部轉換裝置工作的電流不穩定，同時諧波的電流也會對通信和繼電器裝置形成不良的影響。產生干擾的情況下，會造成電話通信之間的影響問題，同時還可能形成繼電保護裝置內部錯誤和異動的情況。如果電力系統中所產生的諧波程度相對較大，會對內部的消弧線圈的滅弧作用產生不良的影響，造成單相電力工作失效的問題。如果不能及時采取相應的解決措施，那么會嚴重地影響到自動電閘的開合時間。大量諧波的產生會造成內部電容器的損壞，在電力系統工作當中諧波對外部電容器的影響比較明顯，大量諧波的產生會加大介質的整體損耗程度;同時諧波的產生次數和產生的量越大，那么所造成的電壓以及電網的損壞程度越明顯。主要表現在電力系統當中，電容器的工作溫度不斷提高，同時電容器的溫度升高會造成內部介質的損壞程度加大，如此循環下去最終造成了電容器被高溫損壞。

3電力系統中的諧波抑制技術

3.1利用無源濾波器

無源濾波器依據的是諧振原理，在濾波電路的作用下對需消除的高次諧波予以調諧處理，該抑制技術能夠確保諧振阻抗達到最低，只要將其安置在諧波附近便能夠對諧波電流進行吸收，防止諧波電流進入電網，對諧波產生抑制作用。常見的無源濾波器有以下幾種：（1）單調諧濾波器，其主要針對某一次諧波進行設計，相當于一個低阻通道，一旦系統中出現該次濾波便能夠對其產生容抗作用，將諧波消除。（2）雙調諧濾波器。其由兩個單調諧濾波器并聯而成，能夠同時對兩種頻率濾波進行吸收，其結構較為復雜，但對基波損耗小。（3）二階減幅濾波器。其主要是與單調諧波濾波器配合使用，對高于某次的諧波阻抗相對較小，能夠將高于該次以上的諧波進行濾除，其不僅能夠減少對濾波器的損耗，而且阻抗頻率特性好，應用廣泛。

3.2利用有源電力濾波器

有源電力濾波器具有較快的響應速度與高度可控性，一方面能夠對各次濾波起到補償作用，另一方面能夠對電壓閃變起到抑制作用，對無功電流予以補償，且體積與質量較小、便于攜帶。有源電力濾波器自適應能力較強，能夠對補償變化中的諧波進行自動跟蹤及補償，對于頻率及幅值不斷變化中的諧波也能夠進行補償，且無需較大的元件，響應速度快，不會受到電網阻抗的影響，能夠避免電網阻抗的諧振風險，對串并聯諧振現象起到抑制作用。除此之外，在有源電力濾波器作用下，采用一臺裝置便能夠實現對多次諧波電流以及非整數倍次諧波電流的同時補償，在補償期間還可以選擇集中補償或單獨補償，效率高。但該抑制方式也存在一定的不足，經過改進及元件的增加，其結構較為復雜，成本有所增加。

3.3利用主動諧波抑制

諧波產生原理認為當整流相數增加時，網側電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近。以晶匣管三相橋式整流電路為例，其中僅有n次奇次諧波，高次諧波振幅值更低，提示諧波次數的增加會降低振幅值。另外采用波形疊加法也能夠對諧波進行抑制。采用兩臺逆變器，能夠確保其電壓在副邊出現疊加，輸出波形半周內都會保持60度間隙，此時第二胎逆變器較第一臺會出現36度波形相移。那么在變壓器副邊上五次諧波能夠實現同時抵消，效率較高。

3.4整流電路的多重化

整流電路實現多重化，也就是實現多個方波的疊加，可以實現對次數較低諧波起到消除作用，能夠獲取和正弦波比較接近的階梯波。重數越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在過程中的電路復雜度也會提升。所以這一方法只能夠在大容量場合中應用。同時，這一方法不但能夠降低交流輸入電流諧波，也有助于降低直流輸出電壓中的諧波幅值，與此同時也有助于提升紋波頻率。這一方法在應用中實現和PWM技術結合應用，也就能夠獲取更好的諧波抑制效果，這一方法在橋式整流電路中的應用，有助于降低輸入電流的諧波。

3.5增加整流變壓器二次側整流相數

針對帶有整流元件設備，可以最大化提高整流相數或脈動數，能夠對低次特征諧波起到良好的消除作用，這一措施在應用能夠降低諧波源出現的諧波含量，通常在工程設計中也就需要考慮到這一點。整流器在整個供電系統中屬于是一個重要的諧波源，因此在交流側出現的高次諧波是tK1次諧波，所以在整流裝置中的6脈動諧波次數為n=6K1，在對其相數提高到12脈動情況下，所得到的諧波次數為n=12K1（其中K為正整數），以此即能夠對5、7等次諧波起到消除作用，所以在諧波抑制中加大整流的相數或脈動數，能夠對低次諧波起到良好的消除作用。但是這一方法在應用中目前還處于理論階段，實際中因為投資較高，但是所取到的諧波消除效果不夠顯著，因此通常是將這一方法應用在大容量的整流裝置負載。

結語

隨著電力電子裝置在電力系統中的廣泛運用，非線性型電力負荷與沖擊性電力負荷在電網中的占比越來越大，而諧波污染在電力系統里的出現也越來越頻繁，電網供給給用戶的電能質量受到了影響。電力系統得到了前所未有的發展，接入設備不斷豐富、類型多樣，其在一定程度上增加了電力網絡結構的復雜性，因此，必須加強對電力系統諧波問題的重視度，給予有效的檢測與抑制處理，降低諧波危害。

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（作者單位：山東博聞信通電力工程設計有限公司）