电力系统谐波对继电保护的影响

翁玉川

【摘  要】电力系统的正常稳定运行与人民生活生产密切相关。通过傅里叶函数对周期性非正弦电量进行分解可以得到两个分量：一个分量的频率同电网基波频率相同;一个分量的频率大于电网基波频率，通常将大于电网基波频率的分量称为谐波。随着电力系统中非线性元件的逐渐增加，电路中电压与电流的正弦波也会出现一定程度的畸变，谐波便随之产生。在现有技术水平下，电路中的谐波不可避免，其一方面影响到电力系统的整体质量，另一方面还会对部分电子设备带来一定危害。

【关键词】电力系统谐波;继电保护;影响

引言

电力谐波（The electric power harmonic），即电力系统电流中与工频频率不同的成分。谐波产生的根本原因为电压加在非线性负载两端，产生了跟电压不一致的电流波形，即电路产生了谐波。谐波频率一般为基波频率的整数倍。根据傅里叶定理，波形可以分为基波频率和整数倍基波频率的正弦波代数和。以产生的源头分类，谐波可分为发电装置质量不高产生的谐波、输配电过程产生的谐波以及电力用户设备产生的谐波。

1电力系统谐波对继电保护的影响

1.1对整流型继电系统以及距离保护系统的影响

由于机波阻抗值的误差值相对较大，同时电力系统内部的谐波电流分量相对较小，如果没有对滤波进行及时的处理，不但会直接造成电力系统继电设备产生误动问题，同时还很有可能会造成误操作问题。通过电力系统工作人员的调查分析，可以看出电力系统的谐波含量较小的情况下，谐波对保护设备的影响相对较小，但是在实际的供电工作中，由于供电线路外部环境因素的影响，电力系统的谐波含量通常情况下会超过标准数值，进而会对机电保护器系统的保护功能产生一定的干扰。当电力系统电流存在大量谐波的情况下，由于三相谐波不对称或者是不相等的问题，外加上机电防护装置附近存在并联电容，对谐波的放大作用会造成供电装置产生更大的谐波问题，整体的供电稳定性受到了一定的影响，严重的情况下会直接造成电力系统的继电防护出现误操作问题。电力系统供电过程中，电网继电保护装置主要由通过电力系统、电压系统和线路主保护系统所构成，供电电流增加的情况下谐波干扰问题表现非常明显，电力系统的谐波会直接造成供电电压产生异常，同时会直接影响到电力系统的保护回路，造成设备出现误操作问题。除此之外，因为电力系统的线路防护系统设备产生故障，内部的工作原件启动受到了电力系统谐波问题的干扰，整个电力系统的逻辑电路和防护电路出现中断，进而影响整个继电保护工作的性能。

1.2对微机线路与负序启动元件的影响

电力系统中谐波对继电保护的影响除了表现在继电器本身外，同时也表现在对电力系统的微机路线与负序启动元件上。负序启动元件和突变量是构成微机路线的重要组成部分，当负序启动元件受到谐波的影响时，会导致保护装置、逻辑电路在运行期间出现较大的失误性操作，从而影响微机路线系统发挥保护的作用。同时，由于变压保护与线路主保护都属于继电保护配置，在谐波干扰电量时，如果负序电流量的增加会使电压发生畸变，同样也会造成电力系统的保护设备出现重大的错误性操作故障。

2电力系统谐波控制措施

2.1利用无源滤波器

无源滤波器依据的是谐振原理，在滤波电路的作用下对需消除的高次谐波予以调谐处理，该抑制技术能够确保谐振阻抗达到最低，只要将其安置在谐波附近便能够对谐波电流进行吸收，防止谐波电流进入电网，对谐波产生抑制作用。常见的无源滤波器有以下几种：（1）单调谐滤波器，其主要针对某一次谐波进行设计，相当于一个低阻通道，一旦系统中出现该次滤波便能够对其产生容抗作用，将谐波消除。（2）双调谐滤波器。其由两个单调谐滤波器并联而成，能够同时对两种频率滤波进行吸收，其结构较为复杂，但对基波损耗小。（3）二阶减幅滤波器。其主要是与单调谐波滤波器配合使用，对高于某次的谐波阻抗相对较小，能够将高于该次以上的谐波进行滤除，其不仅能够减少对滤波器的损耗，而且阻抗频率特性好，应用广泛。

2.2利用有源电力滤波器

有源滤波本质上使用的是反馈控制，在谐波源的附近加一个带有受控电流源的负反馈控制电路。首先测得实际注入负载侧的谐波电流波形，然后将谐波电流与理想负载电流作差，得出差值。最后，受控电流源根据差值发出频率相同、相角一致但电流幅值相反的电流，从而尽可能准确地抵消电力谐波，以期降低电网中的电流谐波总畸变率，提高负载的功率因数，减小因电力谐波给通信系统及设备带来的发热及绝缘老化等众多危害。近些年，随着现代控制理论和电力电子技术的迅猛发展，有源滤波技术也进一步成熟并广泛使用于电力输配中。经过发展，有源滤波技术已取得了长足的进步。跟无源滤波器相比，有源滤波器有以下优势：1）有源滤波器可有效抑制电力系统功率器件，比如电力电子换流器，变压器，滤波电容，阻抗等器件的工作频率范围内的各次谐波，不受特定次谐波约束。2）当电力系统的参数发生变化，比如电容或者电抗的改变，也不会影响有源滤波器的滤波效果。3）不存在跟电网电阻抗发生并联谐振或者串联谐振的问题，并能有效抑制系统与无源滤波器之间的并联谐振或者串联谐振的问题。4）不会发生过载现象，当电力系统中出现较大的谐波电流的时候，系统能继续运行。

2.3利用无谐波污染绿色变频器

绿色变频器的特点是：输入与输出电流都是正弦波，输入功率因数可以有效控制，能够获得工频点任意可控的输出频率。其内部的交流电抗器不仅可以有效抑制谐波，还能够避免整流桥受到电压瞬时尖波的影响。相关研究表明，带电抗器的谐波电流远远低于不带电抗器的谐波电流。

2.4利用主动谐波抑制

谐波产生原理认为当整流相数增加时，网侧电流谐波成分会减少，此时电流波与正弦波接近。以晶匣管三相桥式整流电路为例，其中仅有n次奇次谐波，高次谐波振幅值更低，提示谐波次数的增加会降低振幅值。另外采用波形叠加法也能够对谐波进行抑制。采用两台逆变器，能够确保其电压在副边出现叠加，输出波形半周内都会保持60度间隙，此时第二胎逆变器较第一台会出现36度波形相移。那么在变压器副边上五次谐波能够实现同时抵消，效率较高。

2.5整流电路的多重化

整流电路实现多重化，也就是实现多个方波的叠加，可以实现对次数较低谐波起到消除作用，能够获取和正弦波比较接近的阶梯波。重数越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在过程中的电路复杂度也会提升。所以这一方法只能够在大容量场合中应用。同时，这一方法不但能够降低交流输入电流谐波，也有助于降低直流输出电压中的谐波幅值，与此同时也有助于提升纹波频率。这一方法在应用中实现和PWM技术结合应用，也就能够获取更好的谐波抑制效果，这一方法在桥式整流电路中的应用，有助于降低输入电流的谐波。

结语

综上所述，在电力系统的供电工作中，相关供电单位需要对系统谐波产生的影响加以充分的重视。重点针对谐波对继电保护所产生的影响进行合理的控制。除此之外，在电力系统的供电过程中，谐波问题还会造成电压、电流以及阻抗等方面的问题。因此，针对继电保护工作，必须要有效预防受到外部环境因素的影响，对继电保护装置存在的各种异常问题有效解决，最大限度地提高供电工作的质量和效率。

参考文献：

[1]白汗.探究电力系统谐波对继电保护的影响[J].电子测试，2018（19）：107-108.

[2]程丽.电力系统谐波对继电保护的影响研究[J].中国新通信，2017，19（1）：97.

（作者单位：国家电投集团河南電力有限公司平顶山发电分公司）