抑制谐波畸变的措施分析

胡伟伟

摘要：随着工业技术的迅猛发展，电力系统中的非线性负荷明显增多，由其产生的高次谐波的危害问题也日益突出。本文阐述了电力系统谐波对电磁式继电器、整流型继电器、微机型继电器及各种自动装置的影响及防止措施，又对微机保护借助硬件(有源滤波器)和软件(数字滤波器)，清除电力系统高次谐波分量进行了阐述。

关键词：谐波继电器保护

1谐波的产生

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

1.1高次谐波的产生随着工业技术的迅猛发展，电力系统中的非线性负荷明显增多，因而高次谐波的危害问题也日益突出，其中包括：①各种阀型换流设备(如电气化铁道机车)。西北某地几个带有牵引负荷出线的变电站，进行了谐波分量及负序分量的现场测试，结果表明安康电网由电气机车负荷产生的三、五次谐波电流含量超标。②耗用电弧能的设备(电弧炼钢炉和电焊设备等)。⑨铁磁性设备(电力变压器、电抗器等)。④其它(电解设备和某些家用电器等)。

1.2高次谐波的主要危害①加强绝缘劣化，缩短电气设备寿命。②增加维修工作量。③增多电网损耗。④产生干扰使保护及自动装置误动。⑤使计量器件产生误差。⑥对无线电通讯系统造成干扰。

2谐波的影响

2.1继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件

使得继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件可以列出以下七条，其中第1和第2条之一是必须具备的。①在电气距离上接近大的谐波源。②安装地点存在谐波严重放大或接近谐波谐振条件。③装置的动作整定值很小，例如接在差动电路、零序电路或负序电路上。④装置的元件或动作原理对谐波敏感，例如采用晶体管继电器、半波比相判断的方式、依靠检出过零点等等。⑤谐波损伤了装置的某个部分，例如使动作接点粘连，导致误动。⑥安装地点的短路容量太小，例如在海上油井平台上、自备机组成孤立网运行等。⑦尚有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生。

2.2高次谐波对各种类型继电保护的影响：

2.2.1谐波对电磁继电器的影响①DL-11型电流继电器是常用的电流保护元件，在不同频率下其动作是反映通入电流有效值的平方，经试验，在不同频率下DL-11电流继电器，动作电流时误差很小。显然，当继电器的电流含有谐波时，按基波整定的电磁型继电器在谐波作用下也能启动。②电磁型电压继电器的动作还与流过其线圈的电流有效值平方成比例。线圈匝数很多，阻抗分量很大，其阻抗看作为R+jωL。因对不同频率而言，ωL也不同，高次谐波使动作值增大的原因是线圈阻抗增大。当含有谐波的电压接入继电器时，动作值误差一般为正误差，低压继电器这时很容易动作。电磁型继电器的动作速度较慢，对定值误差也要求不高，在谐波含量小于10％时，谐波对其影响不太大。但是，在谐波含量很大并且各次谐波衰减又较慢的场合，电磁型继电器误动也会造成大的系统事故。

2.2.2谐波对整流型继电器的影响整流型距离保护装置(如LH-21型)的振荡闭锁经常动作，产生这些现象的原因是利用负序滤波器将三相电流转变为单相电流(正比于负序电流)，该滤序器由接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器构成。当系统电流中含有谐波，并且三相谐波并不相等也不对称时，负序滤波器就有很大的谐波输出，加之裂相回路对谐波的进一步放大作用，使整流出的直流脉动很大，因而使保护误启动。

2.2.3谐波对计算机产生影响的可能途径有二：①电源供给系统；②计算机的模拟量输入回路。

当模拟量的输入回路含有谐波时，将影响计算机的正常工作，所以在测量和控制用的计算机系统均毫无例外地在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器，以抑制谐波，增加有用信号与干扰信号之比。

2.2.4谐波对距离保护的影响距离保护装置中的测距元件，通常按线路的基波阻抗整定。在故障情况下，当有谐波电流时(特别是三次谐波)，所测的阻抗相对于基波阻抗值可能会有相当大的误差。因而当故障电流流经高阻性的阻抗接地时，接地阻抗将是主要的。如果电流中谐波分量较大，应采取滤波措施，否则造成继电器误动的可能性很大。通过试验，谐波含量在5％以下，则谐波对继电器的影响不大。

2.2.5谐波会引起故障录波器误启动、频率仪测试不准，准同期装置合闸误差角超过允许值等自动装置的误动。

3抑制谐波畸变的措施分析

评价保护继电器性能时通常使用三个指标：灵敏度、选择性、速动性。导致这些性能恶化的主要原因之一，就是输入电流和电压的波形产生畸变。

3.1继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施

3.1.1采用按基波动作的回路。采用滤波器是将直流分量和高次谐波分量滤掉，剩下的基波分量在检测回路里进行检测。①使用共振型电流互感器的带通滤波器。②使用运算放大器的带通滤波器，由于它具有体积小和精确度高的优点，现在已广泛使用。

3.1.2 使用限时回路。

3.1.3 检测畸变波形的正负非对称性。

3.2 谐波的运用

3.2.1 变压器差动保护利用二次谐波。变压器励涌流中的高次谐波成分很大，并以二次谐波为主。所以开发了具有利用二次谐波制动的变压器差动继电器，二次谐波越大，继电器的制动特性越强，故可防止励磁涌流引起的误动作。

3.2.2利用三次谐波电压构成100％定子接地保护。利用三次谐波电势构成的定子接地保护，用以消除基波零序电压元件保护不到的死区。

4微机保护采用抑制谐波的措施

微机保护借助硬件(有源滤波器)和软件(数字滤波器)，清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据，可进行高精度的各种保护运算。

数字滤波用软件实现，因此不受外界环境(如温度)的影响，可靠性高，具有高度的规范性。它不像模拟滤波器那样会因元件的差异而影响滤波效果，也不存在元件老化和负载阻抗匹配问题。另外，数字滤波器还具有高度的灵活性，当需要改变滤波器的性能时，只需重新编程即可。

4.1微机保护的基本构成微机保护从系统引入电流和电压二次，借助内装的中间变换器，将它们转换为适合于用电子回路进行处理的大小，接着用滤波器使输入电流和电压里的谐波分量和直流分量衰减，再在模数转换部分进行模／数转换。然后在数字运算处理部分用数字化的数据进行保护运算，最后向外部输出信号。

4.2数字信号的处理系统先把模拟信号变换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。

5小结

抑制谐波的真实物理意义是将谐波具有的能量尽可能的用一个装置吸收，不让谐波进入系统或只有很少量的进入系统。最好在谐波源就地安装滤波装置，以减少谐波对电网的影响。

电网中应合理利用各站的补偿电容器组，采取适当串联5％～6％电抗器，选择重要变电站进行安装相控电抗型动态无功补偿装置(简称SVC)，改善供电系统的稳定性，抑制系统过电压和改善其动态特性，抑制谐波、提高负荷的功率因素，快速无功调节，抑制电压闪变，解决电网负荷不对称等问题。

继电保护和自动装置应合理利用硬件滤波器和数字滤波软件，对进入电流互感器、电压互感器二次侧的谐波量进行滤波处理，来预防谐波的干扰使其稳定、可靠的运行。