抑制諧波畸變的措施分析

胡偉偉

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷明顯增多，由其產(chǎn)生的高次諧波的危害問題也日益突出。本文闡述了電力系統(tǒng)諧波對電磁式繼電器、整流型繼電器、微機(jī)型繼電器及各種自動裝置的影響及防止措施，又對微機(jī)保護(hù)借助硬件(有源濾波器)和軟件(數(shù)字濾波器)，清除電力系統(tǒng)高次諧波分量進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：諧波繼電器保護(hù)

1諧波的產(chǎn)生

諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。

1.1高次諧波的產(chǎn)生隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷明顯增多，因而高次諧波的危害問題也日益突出，其中包括：①各種閥型換流設(shè)備(如電氣化鐵道機(jī)車)。西北某地幾個(gè)帶有牽引負(fù)荷出線的變電站，進(jìn)行了諧波分量及負(fù)序分量的現(xiàn)場測試，結(jié)果表明安康電網(wǎng)由電氣機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的三、五次諧波電流含量超標(biāo)。②耗用電弧能的設(shè)備(電弧煉鋼爐和電焊設(shè)備等)。⑨鐵磁性設(shè)備(電力變壓器、電抗器等)。④其它(電解設(shè)備和某些家用電器等)。

1.2高次諧波的主要危害①加強(qiáng)絕緣劣化，縮短電氣設(shè)備壽命。②增加維修工作量。③增多電網(wǎng)損耗。④產(chǎn)生干擾使保護(hù)及自動裝置誤動。⑤使計(jì)量器件產(chǎn)生誤差。⑥對無線電通訊系統(tǒng)造成干擾。

2諧波的影響

2.1繼電保護(hù)和自動裝置受到諧波嚴(yán)重影響的條件

使得繼電保護(hù)和自動裝置受到諧波嚴(yán)重影響的條件可以列出以下七條，其中第1和第2條之一是必須具備的。①在電氣距離上接近大的諧波源。②安裝地點(diǎn)存在諧波嚴(yán)重放大或接近諧波諧振條件。③裝置的動作整定值很小，例如接在差動電路、零序電路或負(fù)序電路上。④裝置的元件或動作原理對諧波敏感，例如采用晶體管繼電器、半波比相判斷的方式、依靠檢出過零點(diǎn)等等。⑤諧波損傷了裝置的某個(gè)部分，例如使動作接點(diǎn)粘連，導(dǎo)致誤動。⑥安裝地點(diǎn)的短路容量太小，例如在海上油井平臺上、自備機(jī)組成孤立網(wǎng)運(yùn)行等。⑦尚有不平衡負(fù)荷或涌流的基波負(fù)序電流，并且和諧波電流同時(shí)發(fā)生。

2.2高次諧波對各種類型繼電保護(hù)的影響：

2.2.1諧波對電磁繼電器的影響①DL-11型電流繼電器是常用的電流保護(hù)元件，在不同頻率下其動作是反映通入電流有效值的平方，經(jīng)試驗(yàn)，在不同頻率下DL-11電流繼電器，動作電流時(shí)誤差很小。顯然，當(dāng)繼電器的電流含有諧波時(shí)，按基波整定的電磁型繼電器在諧波作用下也能啟動。②電磁型電壓繼電器的動作還與流過其線圈的電流有效值平方成比例。線圈匝數(shù)很多，阻抗分量很大，其阻抗看作為R+jωL。因?qū)Σ煌l率而言，ωL也不同，高次諧波使動作值增大的原因是線圈阻抗增大。當(dāng)含有諧波的電壓接入繼電器時(shí)，動作值誤差一般為正誤差，低壓繼電器這時(shí)很容易動作。電磁型繼電器的動作速度較慢，對定值誤差也要求不高，在諧波含量小于10％時(shí)，諧波對其影響不太大。但是，在諧波含量很大并且各次諧波衰減又較慢的場合，電磁型繼電器誤動也會造成大的系統(tǒng)事故。

2.2.2諧波對整流型繼電器的影響整流型距離保護(hù)裝置(如LH-21型)的振蕩閉鎖經(jīng)常動作，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是利用負(fù)序?yàn)V波器將三相電流轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嚯娏?正比于負(fù)序電流)，該濾序器由接在一相內(nèi)的電流互感器和接在兩相內(nèi)的電抗互感器構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)電流中含有諧波，并且三相諧波并不相等也不對稱時(shí)，負(fù)序?yàn)V波器就有很大的諧波輸出，加之裂相回路對諧波的進(jìn)一步放大作用，使整流出的直流脈動很大，因而使保護(hù)誤啟動。

2.2.3諧波對計(jì)算機(jī)產(chǎn)生影響的可能途徑有二：①電源供給系統(tǒng)；②計(jì)算機(jī)的模擬量輸入回路。

當(dāng)模擬量的輸入回路含有諧波時(shí)，將影響計(jì)算機(jī)的正常工作，所以在測量和控制用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均毫無例外地在A/D轉(zhuǎn)換器前裝設(shè)模擬式低通濾波器，以抑制諧波，增加有用信號與干擾信號之比。

2.2.4諧波對距離保護(hù)的影響距離保護(hù)裝置中的測距元件，通常按線路的基波阻抗整定。在故障情況下，當(dāng)有諧波電流時(shí)(特別是三次諧波)，所測的阻抗相對于基波阻抗值可能會有相當(dāng)大的誤差。因而當(dāng)故障電流流經(jīng)高阻性的阻抗接地時(shí)，接地阻抗將是主要的。如果電流中諧波分量較大，應(yīng)采取濾波措施，否則造成繼電器誤動的可能性很大。通過試驗(yàn)，諧波含量在5％以下，則諧波對繼電器的影響不大。

2.2.5諧波會引起故障錄波器誤啟動、頻率儀測試不準(zhǔn)，準(zhǔn)同期裝置合閘誤差角超過允許值等自動裝置的誤動。

3抑制諧波畸變的措施分析

評價(jià)保護(hù)繼電器性能時(shí)通常使用三個(gè)指標(biāo)：靈敏度、選擇性、速動性。導(dǎo)致這些性能惡化的主要原因之一，就是輸入電流和電壓的波形產(chǎn)生畸變。

3.1繼電器保護(hù)采取抑制諧波畸變的一般措施

3.1.1采用按基波動作的回路。采用濾波器是將直流分量和高次諧波分量濾掉，剩下的基波分量在檢測回路里進(jìn)行檢測。①使用共振型電流互感器的帶通濾波器。②使用運(yùn)算放大器的帶通濾波器，由于它具有體積小和精確度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛使用。

3.1.2 使用限時(shí)回路。

3.1.3 檢測畸變波形的正負(fù)非對稱性。

3.2 諧波的運(yùn)用

3.2.1 變壓器差動保護(hù)利用二次諧波。變壓器勵涌流中的高次諧波成分很大，并以二次諧波為主。所以開發(fā)了具有利用二次諧波制動的變壓器差動繼電器，二次諧波越大，繼電器的制動特性越強(qiáng)，故可防止勵磁涌流引起的誤動作。

3.2.2利用三次諧波電壓構(gòu)成100％定子接地保護(hù)。利用三次諧波電勢構(gòu)成的定子接地保護(hù)，用以消除基波零序電壓元件保護(hù)不到的死區(qū)。

4微機(jī)保護(hù)采用抑制諧波的措施

微機(jī)保護(hù)借助硬件(有源濾波器)和軟件(數(shù)字濾波器)，清除了電力系統(tǒng)直流分量和高次諧波分量的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行高精度的各種保護(hù)運(yùn)算。

數(shù)字濾波用軟件實(shí)現(xiàn)，因此不受外界環(huán)境(如溫度)的影響，可靠性高，具有高度的規(guī)范性。它不像模擬濾波器那樣會因元件的差異而影響濾波效果，也不存在元件老化和負(fù)載阻抗匹配問題。另外，數(shù)字濾波器還具有高度的靈活性，當(dāng)需要改變?yōu)V波器的性能時(shí)，只需重新編程即可。

4.1微機(jī)保護(hù)的基本構(gòu)成微機(jī)保護(hù)從系統(tǒng)引入電流和電壓二次，借助內(nèi)裝的中間變換器，將它們轉(zhuǎn)換為適合于用電子回路進(jìn)行處理的大小，接著用濾波器使輸入電流和電壓里的諧波分量和直流分量衰減，再在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。然后在數(shù)字運(yùn)算處理部分用數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算，最后向外部輸出信號。

4.2數(shù)字信號的處理系統(tǒng)先把模擬信號變換為數(shù)字信號，然后用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行處理，最后再還原成模擬信號。

5小結(jié)

抑制諧波的真實(shí)物理意義是將諧波具有的能量盡可能的用一個(gè)裝置吸收，不讓諧波進(jìn)入系統(tǒng)或只有很少量的進(jìn)入系統(tǒng)。最好在諧波源就地安裝濾波裝置，以減少諧波對電網(wǎng)的影響。

電網(wǎng)中應(yīng)合理利用各站的補(bǔ)償電容器組，采取適當(dāng)串聯(lián)5％～6％電抗器，選擇重要變電站進(jìn)行安裝相控電抗型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(簡稱SVC)，改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)過電壓和改善其動態(tài)特性，抑制諧波、提高負(fù)荷的功率因素，快速無功調(diào)節(jié)，抑制電壓閃變，解決電網(wǎng)負(fù)荷不對稱等問題。

繼電保護(hù)和自動裝置應(yīng)合理利用硬件濾波器和數(shù)字濾波軟件，對進(jìn)入電流互感器、電壓互感器二次側(cè)的諧波量進(jìn)行濾波處理，來預(yù)防諧波的干擾使其穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。