电网谐波对继电保护的影响与预防措施分析

2012-07-25陈威李璨张阁

电气开关 2012年5期

陈威，李璨，张阁

(1.永州电业局，湖南永州 435000;2.广西大学电气工程学院，广西南宁 530004)

1 引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力系统中增加了大量的电力电子设备，其中包括以开关方式工作的静止变流器和从低压小容量民用电器设备到高压大容量的工业交、直流变换装置，它是一种非线性时变拓扑负载，不可避免的会产生非正弦周期电流，向电网注入谐波。

各种谐波分量的存在对电力系统产生了严重的谐波污染［1-4］，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。谐波电流、电压的出现，会危害继电保护设备的一次和二次设备，干扰设备的正常工作，会改变继电保护设备的工作特性［5-7］。由于不同类型继电器的设计性能和工作原理不同，谐波的影响程度也不同。因此，对谐波污染造成的危害影响进行分析并加以限制，是非常必要的。

2 电网的谐波问题

谐波是非正弦周期交流量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率整数倍的分量。一般认为是非线性负荷的用电方式产生了非正弦周期电流，该谐波电流在电网中产生谐波压降，也就形成了电网电压的畸变而出现谐波电压，称之为谐波“污染”。非线性负荷实际上是一种电能转换方式用电，将标准的50Hz额定电压的交流电源转换为其他形式的电源，以适应不同的用电要求，其也是用电技术发展的体现。

现以电网中广泛采用的三相不控整流器为例来分析谐波的特性，这种整流器普遍的应用于工业交直流变换、变频设备、城市轻轨和地铁行业中，以及目前的新兴产业电动汽车充电站中也采用此种整流器。它的原理是将电网三相交流电经过二极管整流变换为直流电，由于二极管的单向导通性，会使整流器交流侧的电流波形产生严重畸变，含有大量谐波。图1为三相不控整流器的实测a相电压电流波形，分析如下:

将三相不控整流器交流侧的a相非正弦周期电流进行傅立叶分解后可得:

式中Id为整流后的直流电流平均值，由上式可得电流基波和各次谐波的有效值为:

根据以上分析，三相不控整流器交流侧电流的主要谐波次数为6k±1，(k=1，2，3…)，不含3 的倍数次谐波，也不含有偶数次谐波，而且谐波的幅值与其次数成反比，即谐波次数越高，其有效值越小。这就说明了非线性负载对电网的谐波污染相当严重。

图1 三相不控整流器交流侧电压电流波形

3 谐波的影响场合分析

电网谐波对继电保护的影响主要分为两方面:对输电线保护的影响和对变压器保护的影响分。

3.1 谐波对输电线保护的影响

当电网中谐波电流或谐波电流含量较大时，采用工频变化量或者相电流、相电压突变量作为起动元件的输电线保护就会出现问题，比如会使保护装置和收发信机不能正常起动。

对于采用以突变量作为起动元件的继电器，当其受到谐波影响时，起动元件会不断起动，会使程序长时间处在振荡闭锁模块中，如果此时区内发生故障，将严重影响保护的快速性;对于采用以工频变化量作为起动元件的阻抗继电器，其动作速度较快，极易受到谐波电压、电流的影响。如果谐波含量大于限值，在进行整定时必须给予适当考虑。

3.2 谐波对变压器保护的影响

工程中，变压器的差动保护一般以突变量作为其起动判据，包括采用相电流采样值的突变量、基于半周积分算法的相电流工频变化量等，上述两者都不能完全消除谐波影响，可能导致变压器差动保护不正常起动。

在变压器的差动电流速断和比率差动保护中，在微机保护的VFC插件中装设了滤波电路，而且在软件计算中采用了全周傅立叶算法，这样就极大的避免了谐波对保护的影响。

电网中的谐波既有正序谐波也有负序和零序谐波，对于负序和零序谐波对保护的影响与电力系统中的负序和零序分量相似。

4 谐波对继电装置的影响分析

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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。

4.4 谐波对静态型继电器的影响

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。

5 预防措施分析

预防电网谐波对继电保护的影响应该从两方面入手:主动性措施和被动性措施。主动性措施即谐波抑制措施，就是将电网中的谐波彻底消除，使继电保护运行在工频状态下;被动性措施即改进继电保护的措施，在电网谐波无法得到有效抑制的状态下，被迫的进行继电保护的改进，以增强对谐波的抵抗性。

5.1 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2为12脉动整流器交流侧的电压电流波形，与图1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2 12脉动整流器交流侧电压电流波形

此时，电流中只含有少量的 12k±1，(k=1，2，3…)次谐波。可见，12脉动整流变压器电网侧的谐波电流较6脉动整流变压器有较大改善。

将12脉动整流器交流侧的a相非正弦周期电流进行傅立叶分解后可得:

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，其滤波效能优越，但成本稍高。

5.2 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。