谐波对继电保护装置的影响探析

刘英梅 李绍忠/中国华能海勃湾发电厂

谐波对继电保护装置的影响探析

刘英梅 李绍忠/中国华能海勃湾发电厂

我国的电网系统普遍都是在50Hz有的60Hz恒定频率下发电，而最理想的状况我们视发电机的电动势波形是正弦的。但这都是针对线性元件时，若电源加在一个非线性装置上时，波形就不一样了，它会发生畸变，也就是谐波开始发生了。文章探讨了谐波对继电保护装置的影响。

谐波；继电保护装置

一、引言

谐波即指可以产生频率为基波的整数倍数的一种电气特征，这种电气特征并非所有的用电设备都能够产生，只有较少部分电气设备具备这种特性。当我们在对非正弦的周期性电磁信息做傅利叶级数分解时，再经过傅利叶变换就可以得到与电网的基波频率相同的分量以及一些数倍于基波频率的分量，谐波即谐波分量，通常指的是超出基波的倍数级的一种分量。谐波的主要产生设备为能量变换装置与能量变换技术所产生，此外，变频设备也会产生谐波分量。谐波分量主要是由这些非线性电力装的二极管的不控整流技术产生出来的。整流装置产生的大量谐波会对电力系统中的用电设备产生巨大的破坏作用，严重的还会造成经济损失。在平时，这些谐波的虽然会对电网产生影响，其影响的分量恒定，但是，一旦遇到电网的短路故障时，这些谐波分量会进一步增大给电网造成更大的影响。

二、谐波的危害

在谐波存在的电网中，变压器以及电网中的其他用电设备会产生多余的热量，这些多余的热量一点一点地积累会使得电气设备的外表的绝缘层逐渐变质，最终，不但使得用电设备的寿命极大地缩短，而且还会对人类造成触电的危害。此外，谐波还会对测量仪器的测量精准性产生较大的干扰，甚至还会对电网中的继电保护装置产生误动作。误动作将给电网的安全用电造成极大的危害，不但影响了用户的正常用电，而且还给电网带来了巨大的经济损失。谐波对于电网的安全运行与稳定运行构成了潜在的威胁，并且还会对电网的局部产生串并联的谐振，谐波在串并联谐振作用之下产生一种渐趋放大的效应。而且谐波还会让用电设备产生振动与噪声。若是谐波的频率恰好与定转子的频率相同，就会发生共振进而产生极大的噪声，严重时会对电气设备造成破坏。

三、谐波对继电保护装置的影响

1.谐波对保护用的铁芯元件的影响。继保装置中惯用的变压器一般都是铁芯元件，它们是继保装置接入系统二次侧电压的第一环节，因此它受到的系统谐波之影响是随铁芯结构及特性的不同而不同的。电抗变压器由于其铁芯是带有空气隙的，它在保护中它常被用来获取线路之模拟的阻抗。因为这个特点，所以它的励磁阻抗是很小的，因此我们能够认定它的一次侧电流全都流进了励磁支路。那么其二次侧输出电压表达式为：

从上式中可知：电抗变压器可以放大谐波电流，第k次谐波的幅值在通过DK B时被放大了k倍。

2.谐波对序分量元件的影响。我们有电流表达式为：

变相完以后可以表示为：

之后得到各序分量为：

变化一下能写为：

在稳态运行的时侯，含谐波分量的各相电流的相位仅仅在时间上相差了T/3，其它的移相后是几乎一样的，因此有k次之谐波各相的电流表达式子为：

若当k=3n时，谐波的三相之相位是相同的；若当k=3n+l时，谐波的相位跟正序分量的一样；若当k=3n+2的时候，则其跟负序分量一样。于是谐波分量产生的序分量i“能求得：

有：若k=3n，则说明含该次的谐波成分。若k=3n+l，则此时不含该次的谐波成分。若k=3n+2，则此时亦不含该次的谐波成分。由上面的分析可知，三倍频率的谐波分量会在各序分量中出现，尤其是比较低的三次谐波，其对继保之影响是很大的。

3.谐波对阻抗型继电器影响。阻抗型继电器：通常说来它可以分之为比相式与比幅式二种。现如今最新代的保护所用的为：突变量阻抗型继电器，它拥有动作迅速之特点，因此在当今的微机保护中应用非常广泛。它按照工作原理分又能为：反映幅值变化的工频变化阻抗继电器，这种应用较多；还有反应工作电压相位变化的，这种用的较少。

首先，谐波对于常规的相位比较式阻抗继电器造成的影响。通常情况因为这种的使用比较广泛，因此我们想让其硬件比相电路的实现更加适应，其动作式子如下：

通常在一般的比相式电路中，我们比较的是Uop跟Ujh之间的重叠角的时间。如若其能够到达5ms就能让其方程动作。如果整定值的末端发生了短路故障，这一刻的Uop是最容易受到高次谐波的影响的。此时的话系统所含的高次谐波会使得比相回路的方波破碎而让其重叠角都不足5ms，于是很大概率上引起比相回路的拒动。因此我们为了减小甚至消除高次谐波给其带来的拒动异常，一般我们是把其工作电压让其通过工频的带通滤波器之后才接进来比相回路的。

Uzd：是实际中使继电器工作时，电压的记忆值：

上式，Uop.loa：故障之前一个周期的工作的电压值。如果在故障发生的前后系统的特征谐波都不发生变化时，而在故障发生后系统又有非特征的次谐波的产生的话，那么其负荷分量与特征谐波分量则会被消去，半周积分值为S：

研究一下半周积分值S，我们用50Hz分量做半周区间来对其进行积分，从中我们能够得知谐波对反应工频变化量的阻抗继电器的影响与它的次数、初相角、及其分量大小都有关系。通过下图突变量的动作特性跟谐波次数、初相角、幅值的对比关系我们可以看出其影响。

四、应对措施

1.杜绝电力系统谐波振荡电压。为了保障电力系统安全性，应改变谐波互感器感抗性能以及电力系统容抗，避免其与电力系统谐波形成的参数相匹配。另外，在预防谐波发生谐振的同时，还应增强电力系统的零序回路阻尼。因此，在电力系统设计中，为了保障电力系统设备的正常运行，应使用性能优良的电压互感设备，以改善电压互感体系，并增加电力系统的对地电容。同时，在电力系统中互感器的三角位置接入定值阻尼电阻和消谐构件，可以杜绝电力系统互感设备中性点接触，而在电力系统的中性点区域，可以取消直接接地，而采用电阻与地进行有效连接。

在电力系统互感器的三角位置，通过设置对应的元器件和消谐构件，并在电力系统实施“瞬间断续”时，与电力系统互感设备的可控硅进行有机连接，可以保障电力系统的电压互感设备相关区域及时产生瞬间断续作用。实践应用中，在使用零序电阻的同时，增加电力系统谐振回路阻尼电阻值，可以保障电力系统控制序列的相关电压值。在对电力系统电压互感设备、阻尼电阻三角开口相关位置进行谐波消除时，由于消谐效果与阻尼电阻大小成反比关系，因此当电力系统阻尼数值为O时，消谐效果最佳，而双向型可控硅瞬间断续短接，就相当于电阻阻尼数值为O，此时谐波不会对电力系统自动检测以及电磁型继电设备产生影响。因此，在实际电力系统应用中，在互感器的三角位置设置消谐装置，不仅能有效解决电力系统的多频率谐振现象，而且对电力系统谐振接地以及电力系统区分都有重要作用。

2.应对电力系统谐波变形。在电力系统运营中，主要通过继电保护装置的选择性、速动性以及灵敏度对继电保护进行客观评价。在了解电力系统谐波指标恶化状况，明确电流、输入电压波形形变原因的同时，可以充分利用电力系统的三次谐波来构建定子接地保护系统，杜绝电力系统因基波检测疏忽而造成的谐波波形变形。另外，在充分利用变压设备相关差动保护的同时，还可利用电力系统高次谐波涌流中的二次谐波成分，开发使用二次谐波制动的差动继电器，从而有效避免电力系统继电保护误动，从根本上杜绝因涌流引起的误操作。

在电力系统谐波防护中，变压器差动保护主要是利用了速饱和变流器以及二次谐波进行制动。对于高频保护，则将半波比相改为正、负半波均比相和”与“门出口（即全波比相）或加装谐波闭锁，从而保障高频装置的正常使用。在超高压电网高级保护中，通过对输入信号的有效滤波，可以有效防范谐波对继电保护的影响。而在110kV负序振荡闭锁元件中，通过加装不致过长延迟动作时间的小滤波器，可减少谐波误动，保障继电保护装置顺利运行。另外，采用增量型元件，可避免电力系统负序和稳态谐波的影响。

[1]曾耿晖，刘玮：继电保护在线整定系统的探讨[J]，继电器，2004.

[2]刘园，周有庆，彭红海，刘艳荣：基于DSP的电力系统多功能微机保护实验装置的设计[J]，继电器，2005.

刘英梅：内蒙古赤峰人，1980年9月出生，大学学历，工程硕士学位，现从事火电厂电气检修工作。