1、电力系统谐波对继电保护的影响【摘要】在电力系统中，各种谐波分量的存在对电力系统产生了严重的谐波污染，影响了电力系统继电保护及安全自动装置的正常工作，危害了电力系统的安全稳定运行。因此加强对谐波对继电保护的影响及控制策略的研究具有重要意义，本文对此进行了探讨。 【关键词】电力系统；谐波；继电保护；影响 中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号： 引言 所谓谐波，主要是指电力系统中的电流电量中含频率为基波的整数倍，对周期性非正弦电量实施傅里叶级数分解以后，其余基波的频率电流也会产生较大的电量。近年来，随着社会经济的快速发展和新型电气装置不断出现与应用，国民经济发生及人民生产生活过程中的非线性负
2、荷及电网接轨越来越多，电网中所产生的谐波量也在不断地增加。由于电力系统中的谐波量不断增加，对电力系统中的相关设备可能会产生非常严重的影响，尤其是继电保护设备。 1 谐波的产生和危害 1.1 谐波的产生 电力系统中的谐波是指所含有的频率为基波整数倍的电量，通常情况下，可以对非正弦周期性电信号进行傅里叶级数分解，通过傅里叶变换可以得到与电网基波频率相同的分量和一系列数倍于基波频率的分量，这些基波频率倍数的分量即为电量的谐波分量。对非正弦周期信号的傅里叶级数可以表示为式（1）： 上式中，A0 为 f (t)在一个周期内的平均值，即直流分量，k =1 的分量为基波，k =2 的分量为二次谐波，k =n
3、 的分量为 n 次谐波。k 为奇数的分量为奇次谐波，k 为偶数的分量为偶次谐波。谐波是指电信号中所有频率为基波频率整数倍的电能。当供电系统处于理想状态时，电压和电流信号均为正弦波。然而在实际的供电系统中，由于大量非线性元件的存在，将会造成电流与电压不呈现线性关系，因此产生大量的高次谐波。通过对电压、电流的傅里叶变换可以得到基波和各次谐波的表达式：上式中：Un 为电压 n 次谐波的幅值；In 为电流 n 次谐波的幅值；z 为电压 n 次谐波的相位；n 为电流 n 次谐波的相位；0 为基波角频率，0=2f0，f0 为基波频率，f0=50Hz。 1.2 谐波的危害 随着大量非线性电力电子装置的应用，
4、谐波污染日益严重，由此引发的故障和事故也不断发生，谐波对电力系统的危害主要表现在以下几个方面： （1）谐波会引起用电设备和变压器的严重发热，使设备的绝缘部分老化，导致用电设备寿命缩短。 （2）谐波会影响测量仪器的准确性，造成继电保护装置和自动装置的误动作。 （3）谐波会破坏电网的稳定运行，引起电网局部性的串并联谐振，并使谐波进一步被放大。 （4）谐波会使用电设备产生噪声和振动。当谐波电流的频率接近于定转子部件的固有频率时，就会产生振动，并伴随极大的噪声。 （5）谐波会影响通信设备的正常工作，通过电磁场等耦合方式，干扰附近的通信设备和电子设备，严重时会导致设备无法工作。 2 谐波对继电装置的影响
5、分析 2.1 谐波对电磁型继电器的影响 工程中的电磁型电流继电器以线圈内流过的电流有效值作为判据，其动作转矩与电流有效值的平方成正比。此种方式有个较大的缺点，无论线圈内流过基波或谐波电流，都可以使继电器动作，所以谐波可能会使电流继电器误动作。电压继电器与电流继电器相比，其线圈匝数较多，阻抗也随之增大，当继电器感应到谐波电压时，如果动作值比基波时整定值大，过电压继电器可能拒动，欠电压继电器可能误动。与其它类型的继电器相比，电磁型继电器的响应时间较长，对整定值的误差要求也相当较低，在电网谐波含量较小时，谐波对其影响不大，但是如果谐波含量较大，而且衰减较慢，此时就会对电磁型继电器产生严重影响，继电器
6、误动造成电网事故。例如:变压器在空载状态下投切时，就会产生谐波含量很高的励磁涌流，以 2 次谐波为主的高次谐波会造成继电器误动。2.2 谐波对感应型继电器的影响 感应型继电器可动部分惯性较大，谐波转矩对其影响不严重。在磁场的作用下，这种继电器的圆盘或圆筒将会产生电磁感应转矩，它会推动圆盘或者圆筒。工程运行经验表明;随着流入继电器频率的上升，其启动灵敏度降低，这是由于畸变电流中的谐波电流产生的附加谐波转矩造成的，因为畸变电流产生的转矩等于基波转矩和各高次谐波转矩的总和。电网中含量较多的谐波为 3 次、5 次和 7 次谐波，其产生的附加谐波转矩对感应型继电器的灵敏度影响最大。对于各次谐波而言，其产
7、生的谐波转矩可正可负，这就造成了继电器有可能误动也有可能拒动。 2.3 谐波对整流型继电器的影响 整流器继电器的是将输入的交流量或者几个输入的交流量进行整流，转换为直流量，其动作特性由整流后的直流电压、电流信号决定。例如在某系列的方向阻抗继电器中，其以两个电气量的环形整流比相器构成，如果电网含有谐波时，其动作特性呈现为一个不规则的封闭曲线，不再是一个圆，封闭曲线上有许多凹凸不平点，每隔一个周期都会出现凸点或者凹点，随着谐波含量的增大，凹凸幅值越大。产生这种现象的原因是谐波电流流入电流回路时，环形整流比相器输出的交流分量增大，就会造成继电器动作特性损坏不光滑。 2.4 谐波对静态型继电器的影响
8、静态型继电器主要由电子器件构成，不包含机械运动，其最大的优点是抗干扰和消除了谐波影响，所以静态型继电器越来越受到人们的关注。静态型继电器是按相位比较原理构成的继电器，被比较的两个交流电流用积分比相器或者微分比相器进行比较。 3 预防措施分析 3.1 谐波抑制措施 目前，在谐波处理上通常采用两种方法:一是采取措施减少电力电子设备自身产生的谐波;二是增设滤波装置滤除电网中的谐波。对于第一种方法，一般采用的是多脉动整流方法，是按一定的规律将两个或多个(通常为偶数个)变流器进行组合，通过移相变压器对电网电压进行移相，使得各个整流桥输入电压存在一定的相位差，从而获得整流负载电流之间的相位差，不同相位差的
9、整流负载电流在电网侧的叠加，可以使某些次谐波相互削弱或抵消，从而实现电网侧电流的正弦化矫正。图 1 为 12 脉动整流器交流侧的电压电流波形，我们可以发现如采取措施之前相比其电流波形畸变率下降，各次谐波含有率也明显减小。 图 112 脉动整流器交流侧电压电流波形 对于谐波抑制的第二种方法，在工程中装设的滤波装置包括无源滤波器和有源滤波器，无源滤波器价格相对低廉，采用电容 C 和电感 L 元件组成滤波电路，在谐振频率下合成阻抗为零，迫使该次谐波电流流向滤波支路，不能传播到电网造成危害，但是其滤波效果有限;有源滤波器在工程应用时要备有谐波发生源和大功率晶闸管元器件，还要配有跟踪控制和脉宽调制系统，
10、其滤波效能优越，但成本稍高。 3.2 改进继电保护的措施 对于改进继电保护主要由两方面的措施:辅助措施和自主措施。如选择辅助措施，可采用配电系统中自带的频率测试仪对谐波频率进行测试，以辅助继电保护装置对电压、电流进行测量和值的比较;也可以以使保护中的输入信号正常为目的，增加滤波装置;也可以以使继电保护装置只反应突变量，且仅反应突变量为目的，接入一个微分电路于继电保护装置的执行元件前，也就是说，使用反映增量的装置;或者加装谐波闭锁环节于配电系统中的各类保护间。对于自主措施，是以继电保护装置自身为基础，通过对继电保护装置的动作整定值进行合理设定，以使继电保护装置的动作正确、可靠。 结束语 总而言之，谐波对电力系统中的继电保护造成的影响非常的大，而且在谐波的严重影响下可能会造成继电保护设备的误动和误操作。实践中为有效地保证继电保护系统的安全运行，应当及时采取有效减小谐波的不利影响。 参考文献 1赵安临.电力谐波对电力系统的危害分析J.山西煤炭管理干部学院学报. 2011(04) 2谢鹏.电力系统中谐波对继电保护的影响J.企业科技与发展.2011(21) 3林建钦,杜永宏.电力系统谐波危害及防止对策J.电网与清洁能源. 2009(02)
