谐波对继电保护影响的探究

摘 要：随着我国电力系统中各种设施的使用数量不断增加，谐波问题已成为了影响整个系统有效运行的重大问题之一。文中以谐波对继电保护的影响为出发点，就谐波对各种继电保护装置的影响进行了分析，并就如何有效消除这些不利影响提出了自己的见解。

关键词：谐波；继电保护；影响；措施

1 概述

伴随着科技的不断进步，各式各样的新型电气设备不断出现并应用到电力系统中，使得日常生活中非负性电荷与电网接轨的数量不断增多，进而在电网中生成了大量的谐波，从而对电网系统及其中的电力设施造成负面影响。谐波的大量存在会使得系统中电力设施的损耗速度增加，加速电线的老化，使得设备损毁。同时谐波的存在还会对继电保护装置和自动设施产生干扰，导致功能失灵，引起严重的安全隐患。本文就针对谐波对继电保护的影响展开讨论，以期可以为广大电力工作者提供些许借鉴。

2 谐波的概述

2.1 电网中的谐波

谐波是一种由非正弦周期交流量通过傅里叶分解所获得的频率为基波频率整数倍的分量。大家所普遍公认的是由于非线性负荷的用电方法造成了非正弦的周期电流，进而在电网系统中造成谐波压降，进而使得电网中电压发生畸变引起谐波的出现，即谐波污染。在此对谐波特性的分析借由三相不控整流器加以说明。三相不控整流器是一种广泛使用于变频设备、城市地铁、工业电流转换、新型电工汽车充电站中的设备。其原理是借由二极管的整流变换将三相交流电转换成直流电。而鉴于二极管单向导通的特点，整流器交流侧的电流波形就不可避免的会发生畸变，携带上大量谐波。图1即为该整流器a相实测的电压电流波形。

图1 三相不控整流器交流侧电压电流波形

相应分析如下：通过对该整流器交流侧a相正弦周期电流的傅里叶分解可获得以下公式：

式中Id是经过整流后所得直流电的均值，通过上式我们可知电流基波同各次谐波的有效值：

由这些计算可见，三项不控整流器交流侧的电流谐波次数以6k±1.其中k=1，2，3…，不包括偶数次和3的倍数次谐波，同时谐波的辅助同次数间呈现反比。这表明非线性负载对电网有着极强的谐波污染。

2.2 谐波的危害

（1）对用电设施的危害

用电设施在谐波的影响下，其内部绝缘部分会逐渐出现老化，使其使用期限大打折扣，此外谐波还会使得测量仪器的精准度大幅降低，从而使得自动装置和保护装置出现误操作的问题。通常而言，电力系统中谐波的含量波动在10%-40%的区间内，受其影响的设备部件主要有电动机中旋转铁芯、断路器、并联电容、继电保护器、电缆与通信线路等。总而言之，谐波对各式用电设施都或多或少有着各种影响，引起诸如降低设备的使用寿命、设施过热、自动装置误动等。

（2）噪声污染

谐波的存在会导致电网中的各种用电设备产生各种振动或噪音，这是由于谐波自身的电流频率同设备中转子的频率想接近从而产生共振引起的，对设备有着一定的损害。

（3）使电网受到污染

一旦电网中存在过多的谐波，其不仅会使得电网中的电力设施无法正常工作，甚至有可能造成电网的电力故障，使得电网中电流量超负荷，进而致使其出现发热、过载的现象，影响电网中电力的正常输送，严重的时候，还有可能导致火灾。

（4）变压器功效受阻

电力系统中的变压器多为三角连接，一旦其中出现电流就会导致环行电流的出现，特别是三次谐波电流，一旦侵入变压器中会使得中性线过热，降低继电保护的功效。

3 谐波对各种继保设施的影响

3.1 对电磁型继保设备的影响

若谐波的含量低于百分之四十时，谐波整定值的误差会低于百分之十，不过由于继保设备是依据电流与基波电压进行整定，在静态的状态下会对谐波造成影响。一旦存在谐波时，必将会造成继电器的保护拒动，当继电器受到含有谐波的电压作用，其在基波时的动作值就会远远高于整定值，进而有可能造成过电压器的拒动与欠电压器的误动。而在投切空载变压器时，会出现高含量的谐波粒磁通流，进而造成继电器误动，出现跳闸现象。

3.2 对感应型继保设施的影响

感应型继保装置中的圆盘在磁场中有可能产生感应电流，而这一电流有可能同继电器中的其他磁场相互作用产生电磁转矩，进而使得圆盘发生转动。而感应型继保设备往往惯性较大，谐波转矩对其影响有限。根据有关实验，谐波在磁盘上产生的附加转矩的影响会随着电流输入频率的增多而提升，特别是三次、五次及七次谐波对继电保护设备的灵敏度影响最大。其原因在于谐波电流在磁盘上产生的转矩决定于电流每次的谐波分量与基波分量两者。而谐波电流产生的转矩有正有负，这就使得继保设备既有发生拒动又有误动的可能。

3.3 谐波对整流型继保设施的影响

整流型继电器最大的特点在于可将输入的一个交流量或多个交流量进行整流，将其转变成直流量，而其动作特性则决定于经整流后形成的直流电压与电流信号。譬如以某一类的方向阻抗继电器为例，其构成为两个电气量的环形整流比相器，当电网的电流中携带有谐波时，继电器的动作特性将不再为一个圆形而是变成不规则的封闭曲线，曲线上存在大大小小的凹凸与起伏，这些起伏点会伴随着电流的每个周期不断生产，且随着电流中谐波量的增大而不断增强。这一情况出现的源头在于谐波电流进入电流回路时，会使得环形整流比相器所输出的交流分量增强，从而使得继电保护设施的动作特性出现不光滑的损毁。

3.4 对静态型继保设施的影响

此类继电器是指完全由电子元件组成，不含任何机械运动的继电器，其主要优点为能够有效消除谐波的负面影响，抵抗不良干扰。因此，此类继电器现在越发受到人们的青睐。这种继电器是依据相位比较的原理制成的，相互比较的两个交流电流通过积分相比器和微分相比器实现。endprint

4 抵消谐波影响的应对措施

对电力系统中谐波影响的消除通常从两个角度予以实现：一是抑制性措施，就是采取方法将电网中的谐波降低或消除；二是被动性措施，即增强继保设施对谐波的抵抗力。

4.1 谐波抑制方法

对电网中谐波的抑制常采用两种措施：一是实现电力设施自身谐波的产生量；二是增添滤波设施降低电网中的谐波。

第一种措施常使用多脉动整流法，这种方法是按照相关的规律将偶数个的变流器进行组合，借由移相变压器对电网的电压实现移相，从而确保不同整流桥对所输入的电压出现一定的相位差，进而得到整流负载电流间的相位差，彼此不同相位差不同的负载电流在电网测相互叠加就会使得所携带的次谐波相互削弱与抵消，进而使得电网侧电流实现正弦化矫正。下图就是12脉动整流器交流侧电压电流的波形，与上图相比，电流波形的畸变情况明显好转，各次谐波的含有率也大幅降低。

图2 12脉动整流器交流侧电压电流波形

第二种措施对谐波的抑制是通过在设备中加设滤波装置实现的。其不仅能够同继电保护装置进行协同合作，更能够有效消除谐波的干扰等危害，目前广泛应用于电力系统中，有很好的实际作用意义。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器，在实际应用中，需根据具体情况而选取最合适的滤波装置。其中，有源滤波器也叫主动式滤波器，其作用方式是产生与谐波大小相等、方向相反的电流，从而抵消谐波的作用。有源滤波器作用效果显著，但是成本高昂。此外，无源滤波器也叫被动式滤波器，其作用机制是将电容器与滤波电抗器串联，以在谐波的作用频率下产生低阻抗回路，通过对相同频率的谐波进行吸收，起到降低整个系统谐波危害的作用。无源滤波器采用的是电容器的补偿作用，因此效果不如有源滤波器显著，使用范围比较局限，只对某一频率的谐波有作用，但是价格较易承受。

4.2 增强继保设施的方法

4.2.1 提高继电器可靠性

提高继电器的可靠性能有效抵制谐波的危害。提高继电器的可靠性，首先就要保障继电器不受或者少受谐波的影响。装置继电保护时，要充分分析比相判断，进行过零点检测，并选取弱电继电器以及元件安装。同时，还可以通过二次谐波的方式产生能够强化继电器保护作用的饱和变流器，从而提高继电器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次谐波系统容易产生谐振，为了消除由谐振引发的过电压等危害，可使系统中的固有频率与较高含量的频率带保持安全距离。通过以上方法，均可提高继电器的可靠性，减少谐波危害。

4.2.2 增加功率因数调节装置

在谐波的产生设备的电源上装置功率因数的调节装置，可以从根源上有效减少谐波的产生，从而抑制谐波危害。此方法的有效抵消谐波也提示相关部门，在设备的研发制造时就根据企业特点充分考虑谐波问题，尽量避免谐波的产生，从源头上有效减少谐波对电网的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高谐波分析能力

对谐波的治理，需要依靠精准的谐波分析手段。实际生产中，可利用傅立叶变换得到综合完整的谐波数据，经过数据处理后得出分析结果，指导谐波治理。考虑到电抗器的计算和现场谐波测试比较复杂，且只能应用于固定负载，在实际分析过程中应遵照实际的运行标准，全面分析数据，并及时补偿功率因数，从而减少谐波的影响。

4.2.4 增强计算机保护

在完善继电保护装置的同时，技术人员还应增强对计算机的保护，具体措施如下：a.技术人员可通过中间变换器，将系统导入的电压和电流转换成有着较强适应性的数值后进入电力回路，随后借由滤波器对电流中携带的谐波量进行消减，并通过模数转换设备实现模与数的相互转换。最后，还应采取措施对数字的运算处理结果实施保护，把相关数据转换成数字并运算后将结果适时传出。b.技术人员在数字运算工作之外，还应充分利用计算机系统中的数字信号处理设施。具体而言就是在利用转换器实现接受的模拟信号向数字信号的转变后，还应运用处理手段对数字形式的信号再次处理，并将最终结果还原为模拟信号，从而实现模拟信号具体的时间量化工作。需注意的是所采用的数字信号应使用二进制的有限位码。

5 结束语

各种信息电力设施的不断使用为电力系统的运行造成了严重的谐波污染，这一现象对继电保护装置尤为明显，极大的干扰了其功能的实现。所以，电力工作者必须充分利用新型技术，对继电保护设备进行改进，使其能更好的抵御谐波的影响，从而有效确保电力系统的正常运行。

参考文献

[1]刘进.谐波对继电保护影响的研究[D].天津理工大学，2012.

[2]梁铁兵.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制措施[J].科技创业家，2011（12）.

[3]戚艺明.继电保护故障处理方法的探讨[J].科技创新导报，2012（10）.

[4]马丽娜，周玉红.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制对策[J].内蒙古科技与经济，2009（7）.

作者简介：高朝辉（1983，8-），男，河北人，学士学位，助理工程师，研究方向：继电保护、通信方向。endprint

4 抵消谐波影响的应对措施

对电力系统中谐波影响的消除通常从两个角度予以实现：一是抑制性措施，就是采取方法将电网中的谐波降低或消除；二是被动性措施，即增强继保设施对谐波的抵抗力。

4.1 谐波抑制方法

对电网中谐波的抑制常采用两种措施：一是实现电力设施自身谐波的产生量；二是增添滤波设施降低电网中的谐波。

第一种措施常使用多脉动整流法，这种方法是按照相关的规律将偶数个的变流器进行组合，借由移相变压器对电网的电压实现移相，从而确保不同整流桥对所输入的电压出现一定的相位差，进而得到整流负载电流间的相位差，彼此不同相位差不同的负载电流在电网测相互叠加就会使得所携带的次谐波相互削弱与抵消，进而使得电网侧电流实现正弦化矫正。下图就是12脉动整流器交流侧电压电流的波形，与上图相比，电流波形的畸变情况明显好转，各次谐波的含有率也大幅降低。

图2 12脉动整流器交流侧电压电流波形

第二种措施对谐波的抑制是通过在设备中加设滤波装置实现的。其不仅能够同继电保护装置进行协同合作，更能够有效消除谐波的干扰等危害，目前广泛应用于电力系统中，有很好的实际作用意义。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器，在实际应用中，需根据具体情况而选取最合适的滤波装置。其中，有源滤波器也叫主动式滤波器，其作用方式是产生与谐波大小相等、方向相反的电流，从而抵消谐波的作用。有源滤波器作用效果显著，但是成本高昂。此外，无源滤波器也叫被动式滤波器，其作用机制是将电容器与滤波电抗器串联，以在谐波的作用频率下产生低阻抗回路，通过对相同频率的谐波进行吸收，起到降低整个系统谐波危害的作用。无源滤波器采用的是电容器的补偿作用，因此效果不如有源滤波器显著，使用范围比较局限，只对某一频率的谐波有作用，但是价格较易承受。

4.2 增强继保设施的方法

4.2.1 提高继电器可靠性

提高继电器的可靠性能有效抵制谐波的危害。提高继电器的可靠性，首先就要保障继电器不受或者少受谐波的影响。装置继电保护时，要充分分析比相判断，进行过零点检测，并选取弱电继电器以及元件安装。同时，还可以通过二次谐波的方式产生能够强化继电器保护作用的饱和变流器，从而提高继电器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次谐波系统容易产生谐振，为了消除由谐振引发的过电压等危害，可使系统中的固有频率与较高含量的频率带保持安全距离。通过以上方法，均可提高继电器的可靠性，减少谐波危害。

4.2.2 增加功率因数调节装置

在谐波的产生设备的电源上装置功率因数的调节装置，可以从根源上有效减少谐波的产生，从而抑制谐波危害。此方法的有效抵消谐波也提示相关部门，在设备的研发制造时就根据企业特点充分考虑谐波问题，尽量避免谐波的产生，从源头上有效减少谐波对电网的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高谐波分析能力

对谐波的治理，需要依靠精准的谐波分析手段。实际生产中，可利用傅立叶变换得到综合完整的谐波数据，经过数据处理后得出分析结果，指导谐波治理。考虑到电抗器的计算和现场谐波测试比较复杂，且只能应用于固定负载，在实际分析过程中应遵照实际的运行标准，全面分析数据，并及时补偿功率因数，从而减少谐波的影响。

4.2.4 增强计算机保护

在完善继电保护装置的同时，技术人员还应增强对计算机的保护，具体措施如下：a.技术人员可通过中间变换器，将系统导入的电压和电流转换成有着较强适应性的数值后进入电力回路，随后借由滤波器对电流中携带的谐波量进行消减，并通过模数转换设备实现模与数的相互转换。最后，还应采取措施对数字的运算处理结果实施保护，把相关数据转换成数字并运算后将结果适时传出。b.技术人员在数字运算工作之外，还应充分利用计算机系统中的数字信号处理设施。具体而言就是在利用转换器实现接受的模拟信号向数字信号的转变后，还应运用处理手段对数字形式的信号再次处理，并将最终结果还原为模拟信号，从而实现模拟信号具体的时间量化工作。需注意的是所采用的数字信号应使用二进制的有限位码。

5 结束语

各种信息电力设施的不断使用为电力系统的运行造成了严重的谐波污染，这一现象对继电保护装置尤为明显，极大的干扰了其功能的实现。所以，电力工作者必须充分利用新型技术，对继电保护设备进行改进，使其能更好的抵御谐波的影响，从而有效确保电力系统的正常运行。

参考文献

[1]刘进.谐波对继电保护影响的研究[D].天津理工大学，2012.

[2]梁铁兵.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制措施[J].科技创业家，2011（12）.

[3]戚艺明.继电保护故障处理方法的探讨[J].科技创新导报，2012（10）.

[4]马丽娜，周玉红.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制对策[J].内蒙古科技与经济，2009（7）.

作者简介：高朝辉（1983，8-），男，河北人，学士学位，助理工程师，研究方向：继电保护、通信方向。endprint

4 抵消谐波影响的应对措施

对电力系统中谐波影响的消除通常从两个角度予以实现：一是抑制性措施，就是采取方法将电网中的谐波降低或消除；二是被动性措施，即增强继保设施对谐波的抵抗力。

4.1 谐波抑制方法

对电网中谐波的抑制常采用两种措施：一是实现电力设施自身谐波的产生量；二是增添滤波设施降低电网中的谐波。

第一种措施常使用多脉动整流法，这种方法是按照相关的规律将偶数个的变流器进行组合，借由移相变压器对电网的电压实现移相，从而确保不同整流桥对所输入的电压出现一定的相位差，进而得到整流负载电流间的相位差，彼此不同相位差不同的负载电流在电网测相互叠加就会使得所携带的次谐波相互削弱与抵消，进而使得电网侧电流实现正弦化矫正。下图就是12脉动整流器交流侧电压电流的波形，与上图相比，电流波形的畸变情况明显好转，各次谐波的含有率也大幅降低。

图2 12脉动整流器交流侧电压电流波形

第二种措施对谐波的抑制是通过在设备中加设滤波装置实现的。其不仅能够同继电保护装置进行协同合作，更能够有效消除谐波的干扰等危害，目前广泛应用于电力系统中，有很好的实际作用意义。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器，在实际应用中，需根据具体情况而选取最合适的滤波装置。其中，有源滤波器也叫主动式滤波器，其作用方式是产生与谐波大小相等、方向相反的电流，从而抵消谐波的作用。有源滤波器作用效果显著，但是成本高昂。此外，无源滤波器也叫被动式滤波器，其作用机制是将电容器与滤波电抗器串联，以在谐波的作用频率下产生低阻抗回路，通过对相同频率的谐波进行吸收，起到降低整个系统谐波危害的作用。无源滤波器采用的是电容器的补偿作用，因此效果不如有源滤波器显著，使用范围比较局限，只对某一频率的谐波有作用，但是价格较易承受。

4.2 增强继保设施的方法

4.2.1 提高继电器可靠性

提高继电器的可靠性能有效抵制谐波的危害。提高继电器的可靠性，首先就要保障继电器不受或者少受谐波的影响。装置继电保护时，要充分分析比相判断，进行过零点检测，并选取弱电继电器以及元件安装。同时，还可以通过二次谐波的方式产生能够强化继电器保护作用的饱和变流器，从而提高继电器的可靠性。值得注意的是，有容抗和感抗存在的二次谐波系统容易产生谐振，为了消除由谐振引发的过电压等危害，可使系统中的固有频率与较高含量的频率带保持安全距离。通过以上方法，均可提高继电器的可靠性，减少谐波危害。

4.2.2 增加功率因数调节装置

在谐波的产生设备的电源上装置功率因数的调节装置，可以从根源上有效减少谐波的产生，从而抑制谐波危害。此方法的有效抵消谐波也提示相关部门，在设备的研发制造时就根据企业特点充分考虑谐波问题，尽量避免谐波的产生，从源头上有效减少谐波对电网的污染，而不是污染后再治理。

4.2.3 提高谐波分析能力

对谐波的治理，需要依靠精准的谐波分析手段。实际生产中，可利用傅立叶变换得到综合完整的谐波数据，经过数据处理后得出分析结果，指导谐波治理。考虑到电抗器的计算和现场谐波测试比较复杂，且只能应用于固定负载，在实际分析过程中应遵照实际的运行标准，全面分析数据，并及时补偿功率因数，从而减少谐波的影响。

4.2.4 增强计算机保护

在完善继电保护装置的同时，技术人员还应增强对计算机的保护，具体措施如下：a.技术人员可通过中间变换器，将系统导入的电压和电流转换成有着较强适应性的数值后进入电力回路，随后借由滤波器对电流中携带的谐波量进行消减，并通过模数转换设备实现模与数的相互转换。最后，还应采取措施对数字的运算处理结果实施保护，把相关数据转换成数字并运算后将结果适时传出。b.技术人员在数字运算工作之外，还应充分利用计算机系统中的数字信号处理设施。具体而言就是在利用转换器实现接受的模拟信号向数字信号的转变后，还应运用处理手段对数字形式的信号再次处理，并将最终结果还原为模拟信号，从而实现模拟信号具体的时间量化工作。需注意的是所采用的数字信号应使用二进制的有限位码。

5 结束语

各种信息电力设施的不断使用为电力系统的运行造成了严重的谐波污染，这一现象对继电保护装置尤为明显，极大的干扰了其功能的实现。所以，电力工作者必须充分利用新型技术，对继电保护设备进行改进，使其能更好的抵御谐波的影响，从而有效确保电力系统的正常运行。

参考文献

[1]刘进.谐波对继电保护影响的研究[D].天津理工大学，2012.

[2]梁铁兵.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制措施[J].科技创业家，2011（12）.

[3]戚艺明.继电保护故障处理方法的探讨[J].科技创新导报，2012（10）.

[4]马丽娜，周玉红.浅谈谐波对继电保护的影响及抑制对策[J].内蒙古科技与经济，2009（7）.

作者简介：高朝辉（1983，8-），男，河北人，学士学位，助理工程师，研究方向：继电保护、通信方向。endprint