电气系统中谐波对继电器保护的影响

杨光伦　曾乾嵘

[摘    要]现代电力系统中，整流晶闸管、变频设备以及换相逆变装置的大量使用，导致电网谐波污染问题呈现出加重趋势，高次谐波的存在对各类电气设备均造成不同程度的损害。文章以继电器为例，首先概述了谐波对整流型、电磁型以及感应型继电器带来的具体危害;随后介绍了瞬时无功功率法、傅里叶变换法和小波变换法3种常用的谐波检测方法;最后结合工作实践，分别从加装滤波器、改进谐波抑制技术，以及设计消谐回路等总结了可用于抑制谐波、保护继电器的可行性策略，为电力系统的稳定运行提供了支持。

[关键词]电气系统;谐波;继电器;滤波器

[中图分类号]TM611 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]In modern power systems， the large-scale use of rectifier thyristors， frequency conversion equipment， and commutation inverter devices has led to an aggravation of the problem of harmonic pollution in the power grid. The existence of high-order harmonics has caused various degrees of damage to various electrical equipment. . Taking relays as an example， this article first summarizes the specific harm caused by harmonics to rectifier， electromagnetic， and induction relays; then introduces three common harmonics： instantaneous reactive power method， Fourier transform method， and wavelet transform method. Wave detection method; Finally， combined with work practice， from the aspects of installing filters， improving harmonic suppression technology， and designing harmonic elimination loops， summarized the feasible strategies that can be used to suppress harmonics and protect relays， which are for the stability of the power system. Operational support is provided.

[Keywords]electrical system; harmonics; relays; filters

研究表明，電力系统中继电保护装置出现误动或拒动故障，排除继电器自身故障原因外，谐波破坏是一种常见因素。由于高次谐波来源复杂，不可能完全杜绝谐波的产生。一种思路是通过外加特殊装置来抑制谐波，使其危害可控;另一种思路则是加强对继电器的保护，提高其抗谐波干扰能力。除此之外，还要结合继电器的具体类型，以及检测电力系统中谐波分量的大小，制定具体可行的方案，确保达到抑制谐波、使继电保护功能正常发挥的效果。

1 谐波对不同类型继电器造成的危害

1.1 对整流型继电器的危害

整流型继电器的作用是把输入的交流电、直流电进行整流，并根据整流后输出的电压、电流信号，决定接下来的动作。如果出现过电压、过电流的情况，则继电器自动断开，起到保护电路的效果。当继电器所在的电力系统中出现输电线路的接地短路故障时，流经继电器的电流中存在较高的高次谐波分量，另外，谐波经过裂相回路时还会受到放大作用，使得谐波产生的危害进一步加剧，此时整流型继电器有较高的概率出现误动。

1.2 对电磁型继电器的危害

此类型的电流继电器，其转速与电流有效值的平方成正比。通过判断电流有效值的大小作为动作的依据。其特点是对整定值要求不高，当电网中存在少量谐波时，由于电磁型继电器内部线圈匝数较多，具有较强的阻抗，因此在谐波不大的情况下，并不影响继电器正常动作。但是如果电网中高次谐波的产生量较大，会引起保护拒动。此类型的电压继电器，如果谐波的动作值大于基波的整定值，则会因为过电压导致继电器拒动;相反，在欠电压的情况下，继电器又会出现误动。

1.3 对感应型继电器的危害

此类型的继电器具有动作速度慢，但是可动部分惯性大的特点。在磁场影响下，通入电流的继电器圆盘会因为电磁感应的影响，沿着磁场方向做定向的转动。并且，其动作灵敏性与继电器的频率呈负相关。当电力系统中存在大量的5次、7次谐波时，附加的谐波转矩会导致继电器频率大幅度上升，动作灵敏度也随时下降。当电力系统中出现过载情况时，很难第一时间响应并做出保护动作，继电器出现拒动情况，失去了保护控制功能，给电气系统的运行增加了隐患。

2 电气系统中谐波检测方法

2.1 瞬时无功功率法

以三相三线制电路为例，若电网电压产生畸变、出现高次谐波，首先通过锁相环技术消除畸变量对检测结果的干扰，从而保证最终测得的谐波电流值能够准确反映当前电力系统中存在的谐波分量。其检测方法为：采用低通滤波器扩大增益，从而得到瞬时有功电流的幅值（ip）和瞬时无功电流的幅值（iq）。由此易得某个时间点上的瞬时电流值ip（t）和iq（t）。然后可以求得瞬时谐波电流ih（t）。：

该检测方法的优势在于动态响应速度快，基本上不存在延时问题，对提高检测结果的精确性和可信度有积极作用。

2.2 傅里叶变换法

现阶段使用FFT（傅里叶变换）检测谐波，是一种比较常用的方法。其特点是通过D/A转换器，能够将模拟信号转化为数字信号，在数字域开展谐波检测，从而消除干扰，以量化结果的方式直观表达电气系统中的谐波。当然，使用FFT法检测谐波，也有一定的缺陷，例如数据处理工作量大，导致检测结果的实时性稍差。而延时情况比较严重的情况下，可能会导致采样周期与信号周期无法做到同步，由此导致频谱泄漏并影响检测结果的可信度。因此，在使用FFT法时，通常会采取同步采样法来抑制频谱泄漏，或者增加窗函数提高谐波分析的分辨率和幅值相位精度。

2.3 小波变换法

由于电力系统中若干种电气设备都可产生谐波，因此谐波具有随机性、复杂性特点，这也是导致常规检测结果精度不高的重要原因。但是小波变换对控制谐波测量误差具有明显优势。一方面，小波变换的频带属于非均匀划分，既有狭窄的低频频带，也有较宽的高频频带。因此无论是电力系统中产生的平稳信号还是瞬时信号，都能够被小波变换的频带捕捉，从而杜绝了频谱泄漏问题，达到提高测量精度的目的。另一方面，小波等同于一个双窗函数，而根据上文介绍的FFT法可知，通过增加窗函数有助于提高检测精度。因此对某一信号进行小波变换，等同于从该时频窗内的信息提取信号，保证了检测结果的精度。

3 电气系统中谐波抑制措施

3.1 加装滤波器

滤波器的谐波抑制原理是清除电力系统中直流分量与高次谐波分量数据，从而使得运算结果更加精确，让继电器的各项动作更加规范、及时，达到保护效果。根据组成结构和运行原理的不同，又可以分为电力滤波器、数字滤波器等类型。近几年，电力滤波器（PF）逐渐成为抑制谐波的常规措施，其特点如下。

（1）运行时无共振现象，不会受到电力系统阻抗的影响，保证了稳定的谐波抑制效果。

（2）结构更加简洁，只需要1台关断电子器件就能够完成对于3次、5次和7次谐波的补偿，提高了响应速度。

（3）关断电子装置自身也有输出限制的功能，这样即便是电力系统中出现了较多的高次谐波，也会通过限制输出防止补偿装置过载。

数字滤波器是基于软件算法对输入的离散型号进行运算处理，进而实现调整信号频谱、抑制谐波的功能。其优势在于可靠性好，不会受到磁场、高温等外界条件的干扰。另外，实用性强，解决了因为元件老化而造成滤波效果减弱的问题。

3.2 改进谐波抑制技术

为了减弱谐波对电力系统造成的危害，谐波处理技术也在不断的创新、发展。现阶段来看，应用较为广泛的主要有调谐滤波、无源滤波和有源滤波等几种。前2种技术在实际应用中已经较为成熟，尤其是无源滤波技术，可以对电力系统中5次、7次等特定高次谐波进行抑制。但是也存在一些缺陷，例如，只能针对某个特定的谐波，如果电力系统中同时存在2个及以上的高次谐波，则技术的实用性会受到限制。有源滤波是近几年发展起来的一种谐波抑制技术，其特点是可调整任意阶次的谐波。并且能够利用前端的传感监测装置，随时掌握电力系统的运行工况，并识别谐波电流，然后自动调整并产生与谐波电流相反、等量的电流，达到抑制甚至是消除谐波的效果。3种谐波抑制技术的对比见表1。

3.3 减小谐波对继电器保护影响的措施

除了抑制电气系统中的谐波，还可以尝试以下措施削弱谐波对继电器保护的负面影响，从而确保继电保护装置能够正常动作。首先要做好电气系统谐波检测，并严格执行《电能质量、公用电网间谐波（GB/T 14549—1993）》中对于不同电网电压下，谐波电压含有率的要求，见表2。一旦检测到电气系统中实际含有的谐波超出了标准，则应采取谐波抑制和消除措施。

此外，在选择继电保护装置时，应当优先考虑对谐波不敏感的器件，例如弱电继电器，或者在电力系统中设置过零检测电路。在变压器差动保护中，选择差动继电器，利用速饱和变流器以及二次谐波制动，都可以起到减弱谐波对继电器保护影响的效果。谐波感抗和电容之间出现谐振，是导致电力二次系统中出现高次谐波的重要原因，基于此，设置消谐回路可以有效抑制谐波，从而避免谐振引起电力系统过载的情况，也会间接起到对继电器的保护效果。

4 结束语

在电力系统结构复杂化、电力设备种类多样化的背景下，谐波污染问题已经严重影响到电力系统的正常运行，也给电力设备造成了损害。为了保障电网稳定、安全供电，必须要采取谐波抑制措施，使继电器保护功能顺利实现。利用小波变换、傅里叶变换等方法，检测当前电力系统中谐波分量，然后采取加装电力滤波器、数字滤波器，以及使用有源滤波技术，设计消谐回路等措施，能够对谐波起到明显的抑制效果，实现电网净化。

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