超高次谐波对配用电系统的影响

文_袁红斌 国网白城供电公司

随着大量分布式能源的高密度接入以及柔性输电技术的运用，配电网呈现出“源-网-荷-储”紧密耦合特性；同时，高度电力电子化与强非线性特性使电网中的电能质量扰动现象与交互影响机理错综复杂，配电网侧2～150kHz的超高次谐波含量不断增加。而在配电网中，超高次谐波的存在会造成电能表错误，保护装置误动作，电力线载波通信不能正常工作以及日光灯发生闪烁，因此很有必要研究超高次谐波对其他设备造成影响的原因。本文开展超高次谐波对不同类型设备及配电网运行影响机理研究，通过不同设备的影响机理，分析超高次谐波造成设备故障等问题的原因，并在此基础上进行了超高次谐波对配电网影响的趋势预测。

1 超高次谐波对电能表计量的影响

频率特性曲线能够表征超高次谐波对电子式电能表计量的影响情况，由于曲线较为平坦，可近似认为未发生衰减，这也表明电能表具有较宽的频率响应范围，因此在理想情况下，电能表基本上能够较为准确地计量谐波功率，同时受频率增高的影响较小。由于电能表能够准确计量负载发出和消耗的谐波功率，而谐波功率的正负对于线性用户和非线性用户不同，因此当用其计量电能时，线性用户会被多计量电能，而非线性用户不但污染了电网而且还被少计量了电能，显然存在不合理性。但由于电能表对谐波的准确计量，则在相同条件下，电能表能够计量更多的谐波功率。

2 超高次谐波对继电保护的影响

目前超高次谐波问题有干扰保护动作的问题，其中在纵连保护中，应用了高频载波信号，此种频率的载波与超高次谐波的频率较为接近，容易对保护装置产生干扰。

2.1 载波保护（高频保护）

由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的，因此高压输电线路上的干扰直接进人载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作、超高频谐波等都会在不同程度上对载波通信造成干扰。另外，由于高频载波的通信速率低，难于满足纵联电流差动保护实时性的要求，一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联保护和纵联电流相位差动保护。通道传输的信号频率范围一般为50～400kHz，超高次谐波频率范围为2～150kHz，两者存在重叠频段，因此考虑超高次谐波会对高频保护产生干扰，造成保护误动或拒动。

2.2 方向比较式纵联保护

利用非故障线路一端的闭锁信号，闭锁非故障线路不跳闸，而对于故障线路跳闸，则不需要闭锁信号，因此在区内故障伴随有通道破坏(例如通道相接地或断线)时，两端保护仍能可靠跳闸，整定时间一般为4～16ms。超高次谐波可能出现的影响：区外故障时，因抵消高频信号造成误动；区内故障时，因存在谐波造成拒动。

2.3 纵联电流相位差动保护

仅利用输电线路两端电流相位在区外短路时相差180°、区内短路时相差为0°，也可以区分区内、外短路，高频信号的连续和间断反应了两端电流的相位比较结果。超高次谐波可能出现的影响：区外故障时因抵消高频信号造成误动；区内故障时因存在谐波造成拒动。

3 超高次谐波对电力线载波通信的影响

超高次谐波对通信系统有很大的影响，然而徐文远教授指出，超高次谐波从发射源位置行进到主要配电网时，幅值会明显衰减，并且家用电器或其他低压设备的前端滤波器可以通过分流滤波进一步减少高频谐波，由于这两个因素，这些失真不太可能降低电力线通信的可靠性。同样，对于巴西太阳能发电厂光伏逆变器产生的高频谐波失真，其高频谐波电流畸变可能达到基频电流的2%，而高频谐波电压仍然低于基频电压的0.2%，该结果表明特定光伏逆变器发出的高频谐波失真不太可能对公用事业造成重大影响。

由于电网中电力电子化电气设备的不断增多，产生了越来越多的超高次谐波发射，超高次谐波在传播过程中是否被有效滤除，是电力载波通信能否正常传输信息的关键。

4 超高次谐波对其他设备的影响

4.1 超高次谐波对永磁电机的影响

由变流器输出超高次谐波会引起永磁电机的附加损耗，该损耗情况主要受制于发电机结构、变流器载波频率、变流器调制比等因素影响。相关研究结论普遍表明：采用较高频率的载波以及较大的调制比可以有效减小发电机损耗。进一步整理分析文献数据发现，当载波频率或调制比低于某一值时，增大载波频率或调制比能有效减小发电机损耗；高于该值继续增大参数，损耗的下降较为平缓，减弱效果不明显。因此，可依据损耗平缓变化段进行参数设计、超高次谐波影响的量化评估、抑制策略的制定等工作，就文献中永磁发电机而言，可以以3kHz载波，0.7调制比情况下的发电机损耗(约为额定功率3%)为标准，对超高次谐波影响进行评估。

4.2 超高次谐波在牵引机车系统中的影响

高速铁路牵引机车上普遍采用交-直-交变频方式，由于其中电力电子器件和高次脉冲整流方式的广泛使用，谐波中的高频成分问题变得更加突出，该高频谐波成分可能引起电缆终端局部发热比较严重，从而导致电缆终端绝缘受到破坏，并且随着时间的增长，牵引机车电缆终端老化程度将会进一步加重，有可能导致高压电气设备绝缘损坏，严重的可能导致事故的发生。某牵引机车过分相运行一段时间后，电缆终端应力控制管处发生爆炸，根据现场实测数据及分析，该现象可能是由于牵引机车过分相后产生的高频谐波引起电缆终端发热，从而导致绝缘击穿。相关文献针对这一现象，对3kHz、5kHz、7kHz等频率的超高次谐波引起的电缆终端温度及阻性发热功率密度进行分析，表明超高次谐波频率的增加会导致材介电性能的降低，引起终端电场强度的增加，同时引起系统表面温度升高，并出现明显热点，应适当加装高频滤波装置以延长其电气设备的使用寿命。

5 超高次谐波对配电网影响的趋势预测

超高次谐波对于配电网的影响应引起足够重视，有必要预测超高次谐波对配电网的影响趋势，以提出应对之策。对超高次谐波的发展趋势预测，应从源头开始，并对超高次谐波源的未来市场及应用进行分析，从而得到超高次谐波对配电网影响的趋势预测。

伴随电力电子技术的发展、半导体器件的革新以及人类可持续发展的需要，光伏发电、风电正快速走向大规模普及，未来是清洁能源的时代。大量光伏逆变器的投入以及各种开关电源的应用，使电网中混杂的超高次谐波迅速增加。同时，作为“新基建”的重要内容，充换电行业亦掀起新的热潮，该产业的发展从根本上取决于电动汽车的规模化发展，但距离车桩比1：1还有较大差距，充电桩仍存在缺口，充电设备单元等大型设备的制造商往往使用有源功率因数校正器或者PWM整流器等开关型电力电子设备，来满足限值要求和提高设备的效率，这些技术会导致2～150kHz频率范围内的谐波发射。可见随着接入电网中的电动汽车充电桩数量的增加，若无相关谐波抑制措施，电网中的超高次谐波含量越来越大。此外，随着技术的进步，功率变换器朝着高频化的方向发展，输出谐波频次越来越高，谐波污染情况不可忽视。

未来分布式电源、储能、电动汽车等广泛布置在配电网中，这些设备均采用电力电子变换器与电网连接，以及变频器、低压FACTS等具有谐波源特征装置的广泛应用，使得电网未来必然增加更多的超高次谐波，若不加以抑制，采取一定缓解措施，电网中的超高次谐波水平将随着这些产业的发展而持续走高，对配电网的影响会愈加严重。

6 结语

随着光伏逆变器、电动汽车等超高频次谐波源越来越多接入电力系统，电网中超高次谐波问题越来越突出，主要体现在电力载波通信故障方面，为此本文通过超高次谐波对典型设备的影响研究，量化了超高次谐波对电力线载波通信以及计量装置的影响，并在此基础上进行了超高次谐波对配电网影响的趋势预测，能够为超高次谐波的限值设定与防治技术提供参考。