低壓斷路器檢測用諧波源的分析

廣安電氣檢測中心（廣東）有限公司 田慧超

1 引言

隨著科學技術的發展，低壓斷路器的控制設備正在逐漸智能化，與老舊低壓斷路器相比，新一代產品具有精確監控、動作靈敏、自動恢復等優點。隨著產品的持續發展，采樣控制電路將逐漸引入，諧波干擾問題也持續存在。此外，低壓斷路器在電力系統保護和控制方面較為重要，如果其保護特性受到諧波的影響，將導致電力系統保護的誤動作，導致嚴重的后果。因此，研究電網諧波對低壓斷路器工作的影響，以促進電力系統安全工作。

2 諧波的危害

諧波是指頻率與交流電路中電力頻率的基頻不同的波。現代電網中整流器及變頻器的使用會產生高次諧波。作為一種能量污染，諧波可能會引起電機加熱故障、電力保護誤動作、通信設備干擾以及其他異常，進而影響設備的主動輸出。另外，高次諧波對電氣設備也有較大的影響，容易引起事故。因此，諧波控制尤為重要，在低壓斷路器使用過程中，諧波會導致低壓斷路器無法正常工作。導致斷路器接觸問題主要有以下幾方面。

一是加快電器電源模塊老化。高次諧波頻率高，不僅正弦波清晰，還容易增加電源模塊的滯后和渦流損耗，溫度急劇上升，噪聲增加，電器產品使用年限降低。

二是電器不能正常工作。當電氣設備存在負載不平衡時，只有去除平衡值后的電流才能流過空檔。這個功能可以去除中性導體容量的一半。但是，由于高次諧波頻率高，中性線經常過熱，會導致電氣故障。

三是導致電器損壞。如果有多個高次諧波，高次諧波的存在容易導出電氣設備的電動機的振動轉矩，則電氣設備的各種傳感器（電壓和電流等）的測量會產生誤差，有可能無法正確測量。有較大的諧波電流，電器低壓斷路器不正常，容易引起短路、火災，進一步增加電器損耗。高次諧波電壓較大時，與系統電壓的疊加會導致電容器兩個部分的電壓上升，從而產生過電壓。因此，由于對低壓斷路器的電阻，電力轉換器等電力系統的部分設備與正弦波波形呈現出比較大的偏差。因此，對低壓斷路器的諧波防止能力有嚴格的要求。

3 低壓斷路器的選擇

低壓斷路器的具體用途主要包括220V和380V的工作電壓，因此為了避免在380V電力線下工作的220V低壓斷路器，必須進行匹配選擇。工作電壓的選擇原理是改善低壓斷路器的額定工作電壓，其不得低于電力系統工作電路的額定電壓。

一是選擇額定電流。選擇低壓斷路器時，必須注意額定電流，提高保護效果，使其超過受保護電器的額定電流。此外，電流必須考慮短路狀態，以確保低壓斷路器的極限斷路能力合適，并滿足最大短路電流的要求。因此，可以避免短路狀態下的低壓斷路器的損傷。

二是反應時間的選擇。低壓斷路器在電力系統中的應用，其反應時間與電力系統的作用效果直接相關，也是避免慢反應引起問題的有效途徑。當前，許多電力系統在響應延遲時，容易引導對相關保護對象造成損傷的過載電流，否則不能保證低壓斷路器的靈敏度。但是靈敏度過高可能會導致更多的誤動作，對電力系統動作的威脅也非常明顯。

三是回路的選擇。在低壓斷路器的特定選擇和應用中，為了避免電路數量不匹配引起的明顯干擾威脅，還需要從電路數量的角度考慮電力線電路的不同性能，可以用低壓斷路器進行調整。在實際應用中，低壓電力線的數量存在一些差異。如家用主開關低壓斷路器必須選擇三個或更多低壓斷路器，以確保理想的控制效果。為了保護一般電器，只能選擇一臺低壓斷路器。

4 低壓斷路器檢測用諧波源的分析

4.1 基于等效電路的定位法

諧波狀態估計的方法可以識別各節點的諧波電壓及電流，確定各電力系統網絡的諧波源的位置。

一是有功功率法。作為以往的諧波源檢測方法，在實際的檢測工藝中廣泛使用有效電力方式。主要原理是使用諾頓等效電路圖確定諧波源的位置，具體定位方法是根據諧波電流對公共連接點的影響來確定諧波源的位置。

二是無功功率法。除了用于確定諧波源的有功功率法之外，無功功率法還被用于確定諧波源的位置。電力系統運行時，有功功率受相位角的影響，而無功功率主要受電壓幅度的影響。一般來說，為了確定無功功率的諧波源的位置，需要使用電路，說明了主要工作原理比較電壓振幅，確定諧波源的位置。此時，基于無功功率法的諧波源的位置決定會受到諧波阻抗的影響，導致結果的精度降低。一般來說，需要假定主要的阻抗系數不變，但是針對這種多諧波問題的方法誤差較大，不容易確定諧波源的位置[1]。

4.2 諧波源檢測分析

作為電力系統的核心，低壓斷路器的主要功能是使其工作更可靠、更安全，以避免故障引起的電源明顯偏差，形成理想的控制效果，減少故障的發生率。隨著低壓斷路器的實際應用和技術手段的不斷成熟，有越來越多的種類和功能。低壓斷路器的選擇要求進行仔細比較，以加強管理和控制，確保低壓斷路器與特定電力系統匹配，避免所有類型的可能問題。低壓斷路器工作中的諧波源非線性、隨機且不穩定。因此，找到諧波源較為困難。

隨著科學技術的不斷進步，有越來越多的諧波檢測方法，檢測精度不斷提高。根據對標準要求的分析，一些常見的諧波檢測方法通常可以檢測諧波控制器的補償效果，分析系統工作條件，檢查電器選擇，檢查接地設計合理性等。改善效益掌握電網結構設置戰略，斷路器被廣泛使用，需要優化繼電保護配置，確認設定值，如果突然發生故障，那會引起巨大的損失。斷路器的可靠性非常重要，急需研究斷路器更有針對性的故障診斷技術。

目前，多數研究都集中在低壓斷路器上，低壓斷路器的故障主要由機械故障引起，定期檢查能滿足實際需要。低壓斷路器故障時，斷路器可以切斷電源電路，防止設備過熱導致損傷和人身傷害。因此，斷路器的科學選擇，可以有效地保護用戶的財產和個人安全。如果選擇了低壓斷路器的設定值，則電路斷路器會錯誤動作。在配電系統中，一般負載為配電線、電機、照明電路[2]。

一是低通濾波器提取基波分量法。提取基本成分的低通濾波器的方法由來已久，基本成分首先是通過獨自的高通濾波器檢測高次諧波電流而得到的。然而，該方法在實際應用中存在局限性。例如，如果濾波器的信號失真，則補償效果變小，實用值不高。目前，技術人員通過組合各種先進技術，改進了從低通濾波器中提取基波成分的方法，并應用DSP微處理器提高了檢測精度。

二是自適應檢測法。該方法以電壓波形失真、簡單的應用、優異的性能和優異的適應性為特征，但其缺點是慢動態響應、算法長和穩態精度低，因此技術人員需要持續改善檢測精度。

三是基于頻譜的FFT法。基于頻譜的FFT檢測方法可以分解檢測信號，確定各諧波的振幅和相位，通過帶通濾波器去除諧波成分，對信號執行FFT，得到補償指定次數的諧波補償信號。在靈活的時間內，在“高中心頻率”下自動變窄，在“低中心頻率”下放大。目前，諧波的FFT檢測以波形穩定周期性、使用頻率為整數為前提，并改進算法。

四是小波變換。小波變換檢測的研究時間比較晚，直到近年來才取得了較大的進步。目前，將小波變換應用于高次諧波檢測通過小波變換的多重分辨率分析，將含有高次諧波的原始信號分解為頻率不同的塊信號，其結果以低頻帶為基本成分，高頻帶為高次諧波。

五是神經網絡。神經網絡與自適應降噪技術相結合，用于檢測諧波。用于高次諧波檢測的神經網絡算法計算較少，經過適當干預和預防。標準的神經網絡構建方法要求大量的學習樣本，因為神經網絡的精度很大程度上取決于樣本。但是，研究和應用的時間短，要求提高設置技術。

4.3 諧波源治理分析

目前，為了通過增加脈沖數來有效地控制高次諧波，有很多技術手段來控制低壓斷路器的高次諧波，如轉換器件的適當轉換和特定相移角的轉換器變壓器的選擇，這將增加器件的復雜性集中式諧波互補器件可以展開、分散或交錯，通過調整諧波源的作用模式，可以有效地降低諧波的影響。添加不同類型的靜態var補償設備（TCT、TCR、SR等）也有助于減少和抑制諧波量。此外，最終分析還需要加強技術研究和創新，不斷改善低壓斷路器，特別是對諧波敏感的電路斷路器的反諧波性能。

一是采用裝設并聯電容器。電網中有高次諧波時，電容器的端子電壓上升，流過電容器的電流也增加，電容器的電力損失增加。電介質為不同電容器時，高次諧波下的功率損耗可能比不使用高次諧波時更大。但是，高次諧波劇烈時，電容器膨脹甚至爆炸。諧波測試數據表明，在機器運行過程中，電網中將生成大量的低次諧波和高次諧波。使用直接并聯電容器時，公共電網往往會發生局部并聯諧振和串聯諧振，產生諧波放大，危害擴大，甚至引起電容器、開關和其他設備的燃燒。經過仔細研究，為了保證分流電容器的安全工作，相關人員決定用有源功率濾波器對諧波進行濾波。通過分析和比較，相關人員決定使用低壓斷路器的動態無功功率補償裝置使電網諧波電流保持在指定范圍內。

二是從供電源頭加強治理。高次諧波主要在電源部產生，加強電源管理是降低諧波對電器影響的基本解決方案。傳統的無功功率補償裝置不便維持單一結構、固定裝置設定和低空間使用，無法靈活變更補償模式或增減補償容量。低壓斷路器動態無功功率補償裝置采用了組裝和分解靈活、易于維護的單元結構無功功率補償模塊，每個無功功率補償模塊由電容器、電抗器、開關、保險絲等組成，組裝成小的安裝結構，形成單元。低壓模塊化動態無功功率補償裝置具有可靠性高、自動化程度高、容量控制算法、保護及故障診斷的優點，同時還具有顯示、事件記錄和統計功能，便于安裝和維護，確保電網安全[3]。

三是濾波器的使用。具體而言，無源濾波器簡單經濟，便于維持，相對穩定，但其體積較大，容易使電網電壓老化。其用于低壓斷路器的整流器入口側，即100kW電力的無源濾波器用于吸收和控制固定系統諧波，還考慮到無功功率補償的必要性，可以阻斷高次諧波，確保負載設備的正常工作。該方法易于實現，電器總是在不同的工作環境下具有較強的諧波濾波能力，保證電源質量，使電器在所有條件下穩定工作。

四是接入有源諧波濾除裝置。有源諧波濾波器可以在不受電網阻抗影響的各種頻率和幅度的同時補償諧波，以確保濾波效應。也就是說，分析基于電容性阻抗的諧波抑制的原理。但是，由于有源諧波濾波器成本高、便攜性低，一般只適用于辦公樓上的計算機控制系統和電源系統。有源諧波濾波裝置具有動態諧波補償的優點，不受電網阻抗及電網頻率的變化容易影響。此外，無功功率可以動態補償，能量存儲元件所需容量不大，有源諧波濾波裝置由低壓斷路器支撐，具有大幅降低設備故障率的良好的諧波濾波特性，因此被廣泛應用于低壓斷路器。

5 結語

諧波會影響低壓斷路器的安全穩定工作，需要驗證具有高次諧波抑制或濾波功能的低電壓完全無功功率補償裝置。具備電子過電流及電流保護的低壓斷路器，必須通過高次諧波電流耐受性試驗。為了滿足標準測試要求，必須分析低壓斷路器的諧波抑制或濾波功能，以及諧波承受性測試要求，以便為諧波源的設計提供技術支持。諧波的存在會嚴重影響電力系統的安全性和穩定性，降低電能質量。為了滿足低壓斷路器的需求，需要極力解決高次諧波問題，滿足低壓斷路器諧波耐受試驗的要求。