低压断路器检测用谐波源的分析

广安电气检测中心（广东）有限公司 田慧超

1 引言

随着科学技术的发展，低压断路器的控制设备正在逐渐智能化，与老旧低压断路器相比，新一代产品具有精确监控、动作灵敏、自动恢复等优点。随着产品的持续发展，采样控制电路将逐渐引入，谐波干扰问题也持续存在。此外，低压断路器在电力系统保护和控制方面较为重要，如果其保护特性受到谐波的影响，将导致电力系统保护的误动作，导致严重的后果。因此，研究电网谐波对低压断路器工作的影响，以促进电力系统安全工作。

2 谐波的危害

谐波是指频率与交流电路中电力频率的基频不同的波。现代电网中整流器及变频器的使用会产生高次谐波。作为一种能量污染，谐波可能会引起电机加热故障、电力保护误动作、通信设备干扰以及其他异常，进而影响设备的主动输出。另外，高次谐波对电气设备也有较大的影响，容易引起事故。因此，谐波控制尤为重要，在低压断路器使用过程中，谐波会导致低压断路器无法正常工作。导致断路器接触问题主要有以下几方面。

一是加快电器电源模块老化。高次谐波频率高，不仅正弦波清晰，还容易增加电源模块的滞后和涡流损耗，温度急剧上升，噪声增加，电器产品使用年限降低。

二是电器不能正常工作。当电气设备存在负载不平衡时，只有去除平衡值后的电流才能流过空档。这个功能可以去除中性导体容量的一半。但是，由于高次谐波频率高，中性线经常过热，会导致电气故障。

三是导致电器损坏。如果有多个高次谐波，高次谐波的存在容易导出电气设备的电动机的振动转矩，则电气设备的各种传感器（电压和电流等）的测量会产生误差，有可能无法正确测量。有较大的谐波电流，电器低压断路器不正常，容易引起短路、火灾，进一步增加电器损耗。高次谐波电压较大时，与系统电压的叠加会导致电容器两个部分的电压上升，从而产生过电压。因此，由于对低压断路器的电阻，电力转换器等电力系统的部分设备与正弦波波形呈现出比较大的偏差。因此，对低压断路器的谐波防止能力有严格的要求。

3 低压断路器的选择

低压断路器的具体用途主要包括220V和380V的工作电压，因此为了避免在380V电力线下工作的220V低压断路器，必须进行匹配选择。工作电压的选择原理是改善低压断路器的额定工作电压，其不得低于电力系统工作电路的额定电压。

一是选择额定电流。选择低压断路器时，必须注意额定电流，提高保护效果，使其超过受保护电器的额定电流。此外，电流必须考虑短路状态，以确保低压断路器的极限断路能力合适，并满足最大短路电流的要求。因此，可以避免短路状态下的低压断路器的损伤。

二是反应时间的选择。低压断路器在电力系统中的应用，其反应时间与电力系统的作用效果直接相关，也是避免慢反应引起问题的有效途径。当前，许多电力系统在响应延迟时，容易引导对相关保护对象造成损伤的过载电流，否则不能保证低压断路器的灵敏度。但是灵敏度过高可能会导致更多的误动作，对电力系统动作的威胁也非常明显。

三是回路的选择。在低压断路器的特定选择和应用中，为了避免电路数量不匹配引起的明显干扰威胁，还需要从电路数量的角度考虑电力线电路的不同性能，可以用低压断路器进行调整。在实际应用中，低压电力线的数量存在一些差异。如家用主开关低压断路器必须选择三个或更多低压断路器，以确保理想的控制效果。为了保护一般电器，只能选择一台低压断路器。

4 低压断路器检测用谐波源的分析

4.1 基于等效电路的定位法

谐波状态估计的方法可以识别各节点的谐波电压及电流，确定各电力系统网络的谐波源的位置。

一是有功功率法。作为以往的谐波源检测方法，在实际的检测工艺中广泛使用有效电力方式。主要原理是使用诺顿等效电路图确定谐波源的位置，具体定位方法是根据谐波电流对公共连接点的影响来确定谐波源的位置。

二是无功功率法。除了用于确定谐波源的有功功率法之外，无功功率法还被用于确定谐波源的位置。电力系统运行时，有功功率受相位角的影响，而无功功率主要受电压幅度的影响。一般来说，为了确定无功功率的谐波源的位置，需要使用电路，说明了主要工作原理比较电压振幅，确定谐波源的位置。此时，基于无功功率法的谐波源的位置决定会受到谐波阻抗的影响，导致结果的精度降低。一般来说，需要假定主要的阻抗系数不变，但是针对这种多谐波问题的方法误差较大，不容易确定谐波源的位置[1]。

4.2 谐波源检测分析

作为电力系统的核心，低压断路器的主要功能是使其工作更可靠、更安全，以避免故障引起的电源明显偏差，形成理想的控制效果，减少故障的发生率。随着低压断路器的实际应用和技术手段的不断成熟，有越来越多的种类和功能。低压断路器的选择要求进行仔细比较，以加强管理和控制，确保低压断路器与特定电力系统匹配，避免所有类型的可能问题。低压断路器工作中的谐波源非线性、随机且不稳定。因此，找到谐波源较为困难。

随着科学技术的不断进步，有越来越多的谐波检测方法，检测精度不断提高。根据对标准要求的分析，一些常见的谐波检测方法通常可以检测谐波控制器的补偿效果，分析系统工作条件，检查电器选择，检查接地设计合理性等。改善效益掌握电网结构设置战略，断路器被广泛使用，需要优化继电保护配置，确认设定值，如果突然发生故障，那会引起巨大的损失。断路器的可靠性非常重要，急需研究断路器更有针对性的故障诊断技术。

目前，多数研究都集中在低压断路器上，低压断路器的故障主要由机械故障引起，定期检查能满足实际需要。低压断路器故障时，断路器可以切断电源电路，防止设备过热导致损伤和人身伤害。因此，断路器的科学选择，可以有效地保护用户的财产和个人安全。如果选择了低压断路器的设定值，则电路断路器会错误动作。在配电系统中，一般负载为配电线、电机、照明电路[2]。

一是低通滤波器提取基波分量法。提取基本成分的低通滤波器的方法由来已久，基本成分首先是通过独自的高通滤波器检测高次谐波电流而得到的。然而，该方法在实际应用中存在局限性。例如，如果滤波器的信号失真，则补偿效果变小，实用值不高。目前，技术人员通过组合各种先进技术，改进了从低通滤波器中提取基波成分的方法，并应用DSP微处理器提高了检测精度。

二是自适应检测法。该方法以电压波形失真、简单的应用、优异的性能和优异的适应性为特征，但其缺点是慢动态响应、算法长和稳态精度低，因此技术人员需要持续改善检测精度。

三是基于频谱的FFT法。基于频谱的FFT检测方法可以分解检测信号，确定各谐波的振幅和相位，通过带通滤波器去除谐波成分，对信号执行FFT，得到补偿指定次数的谐波补偿信号。在灵活的时间内，在“高中心频率”下自动变窄，在“低中心频率”下放大。目前，谐波的FFT检测以波形稳定周期性、使用频率为整数为前提，并改进算法。

四是小波变换。小波变换检测的研究时间比较晚，直到近年来才取得了较大的进步。目前，将小波变换应用于高次谐波检测通过小波变换的多重分辨率分析，将含有高次谐波的原始信号分解为频率不同的块信号，其结果以低频带为基本成分，高频带为高次谐波。

五是神经网络。神经网络与自适应降噪技术相结合，用于检测谐波。用于高次谐波检测的神经网络算法计算较少，经过适当干预和预防。标准的神经网络构建方法要求大量的学习样本，因为神经网络的精度很大程度上取决于样本。但是，研究和应用的时间短，要求提高设置技术。

4.3 谐波源治理分析

目前，为了通过增加脉冲数来有效地控制高次谐波，有很多技术手段来控制低压断路器的高次谐波，如转换器件的适当转换和特定相移角的转换器变压器的选择，这将增加器件的复杂性集中式谐波互补器件可以展开、分散或交错，通过调整谐波源的作用模式，可以有效地降低谐波的影响。添加不同类型的静态var补偿设备（TCT、TCR、SR等）也有助于减少和抑制谐波量。此外，最终分析还需要加强技术研究和创新，不断改善低压断路器，特别是对谐波敏感的电路断路器的反谐波性能。

一是采用装设并联电容器。电网中有高次谐波时，电容器的端子电压上升，流过电容器的电流也增加，电容器的电力损失增加。电介质为不同电容器时，高次谐波下的功率损耗可能比不使用高次谐波时更大。但是，高次谐波剧烈时，电容器膨胀甚至爆炸。谐波测试数据表明，在机器运行过程中，电网中将生成大量的低次谐波和高次谐波。使用直接并联电容器时，公共电网往往会发生局部并联谐振和串联谐振，产生谐波放大，危害扩大，甚至引起电容器、开关和其他设备的燃烧。经过仔细研究，为了保证分流电容器的安全工作，相关人员决定用有源功率滤波器对谐波进行滤波。通过分析和比较，相关人员决定使用低压断路器的动态无功功率补偿装置使电网谐波电流保持在指定范围内。

二是从供电源头加强治理。高次谐波主要在电源部产生，加强电源管理是降低谐波对电器影响的基本解决方案。传统的无功功率补偿装置不便维持单一结构、固定装置设定和低空间使用，无法灵活变更补偿模式或增减补偿容量。低压断路器动态无功功率补偿装置采用了组装和分解灵活、易于维护的单元结构无功功率补偿模块，每个无功功率补偿模块由电容器、电抗器、开关、保险丝等组成，组装成小的安装结构，形成单元。低压模块化动态无功功率补偿装置具有可靠性高、自动化程度高、容量控制算法、保护及故障诊断的优点，同时还具有显示、事件记录和统计功能，便于安装和维护，确保电网安全[3]。

三是滤波器的使用。具体而言，无源滤波器简单经济，便于维持，相对稳定，但其体积较大，容易使电网电压老化。其用于低压断路器的整流器入口侧，即100kW电力的无源滤波器用于吸收和控制固定系统谐波，还考虑到无功功率补偿的必要性，可以阻断高次谐波，确保负载设备的正常工作。该方法易于实现，电器总是在不同的工作环境下具有较强的谐波滤波能力，保证电源质量，使电器在所有条件下稳定工作。

四是接入有源谐波滤除装置。有源谐波滤波器可以在不受电网阻抗影响的各种频率和幅度的同时补偿谐波，以确保滤波效应。也就是说，分析基于电容性阻抗的谐波抑制的原理。但是，由于有源谐波滤波器成本高、便携性低，一般只适用于办公楼上的计算机控制系统和电源系统。有源谐波滤波装置具有动态谐波补偿的优点，不受电网阻抗及电网频率的变化容易影响。此外，无功功率可以动态补偿，能量存储元件所需容量不大，有源谐波滤波装置由低压断路器支撑，具有大幅降低设备故障率的良好的谐波滤波特性，因此被广泛应用于低压断路器。

5 结语

谐波会影响低压断路器的安全稳定工作，需要验证具有高次谐波抑制或滤波功能的低电压完全无功功率补偿装置。具备电子过电流及电流保护的低压断路器，必须通过高次谐波电流耐受性试验。为了满足标准测试要求，必须分析低压断路器的谐波抑制或滤波功能，以及谐波承受性测试要求，以便为谐波源的设计提供技术支持。谐波的存在会严重影响电力系统的安全性和稳定性，降低电能质量。为了满足低压断路器的需求，需要极力解决高次谐波问题，满足低压断路器谐波耐受试验的要求。