谈电力系统谐波对继电保护自动装置的影响

摘要：本文从什么是谐波、谐波产生的原因及产生谐波的各种类型用电设备、谐波的危害、电力系统谐波对电力设施及继电保护自动装置的影响、以及如何治理谐波使电力设施和继电保护自动装置安全可靠运行等方面进行论述电力系统谐波对继电保护自动装置的影响。

关键词：谐波 电力系统 继电保护自动装置

0 引言

随着宜阳电网供、配、用电规模的日益扩大，特别是宜阳局近年来各乡镇，各个工业园区的不断增多以及区域用电设备类型的多样化、复杂化等因素存在，宜阳电网中的谐波分量也较严重，宜阳电网的电能质量已得不到较好保证。由于电网系统中谐波的存在，已对宜阳电力网的安全和稳定运行构成了威胁。

1 定义

谐波：指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，这是对谐波做的比较准确的定义。一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，任何与工频频率不同的成分都可以看作是谐波，因为交流电网有效分量为工频单一频率，这时“谐波”的意义并不是完全与原意一致的。

2 谐波产生的原因及产生谐波的各种类型的用电设备

2.1 谐波产生的原因 当电流和电压的关系可以用正弦波来表示的时候，可以看作是理想的供电系统。如果电路不复杂只含线性元件的情况下，流过的电流越大，施加的电压就越大，流过的电流呈正弦波。根据傅立叶分析原理，可以将非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。在电力系统中，之所以会出现谐波，从本质上来看就是由于非线性负载。当电流流经负载时，与所加的电压并不是一种线性关系，于是出现非正弦电流，即出现了谐波。像是功率转换器这样的电力系统设备之所以会出现比较严重的背离正弦曲线波形的情况，是因为半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管具有非线性的特性。之所以会出现谐波电流，与功率转换器的脉冲数是有联系的。

2.2 各种类型的用电设备产生的谐波

2.2.1 晶闸管等电子整流设备：因为我们现在在公司内比较普遍的使用晶闸管整流设备如电解槽、充电装置、开关电源等，这就会使得电网中出现不少的谐波。晶闸管整流装置主要采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，而馈送给电网的有不少是谐波。例如工厂用的整流装置、变电站内的高频开关电源装置、变压器、UPS、整流器、逆变器等，基本上采用的都是晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，其励磁电流比较多，尽管单个容量不大，但数量不少且分布的范围较大，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，使电力网出现更多的谐波。据相关资料获知：在出现的所有谐波中有大约40%是由电子整流装置产生的，这是主要的谐波来源。

2.2.2 变频调速装置：变频调速装置简称变频器，一般都是在一些速度调节工艺设备中使用，比如水泵、风机等，因为使用的是相位控制，谐波成份不是很简单，不仅有整次谐波，还含有分数次谐波。随着公司内各生产区域变频器的大量使用，变频装置的谐波含量更大了，分布的范围也更广了，这样，在公司电网中将会产生更多的谐波。

2.2.3 气体放电类电光源：如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等均属于气体放电类电光源。随着公司“绿色照明”工程的进行，公司内各种荧光灯、节能灯、高压钠灯、高压汞灯、金卤灯的使用量较多，同样给公司电力网注入了谐波分量。其谐波特征是主要产生3、5、7次谐波，其谐波量的大小是由灯具的容量决定的，二者成正比关系。

2.2.4 生活用电器：公司生活区电力网中所挂的大量家用电器，如电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、空调、微波炉、电磁炉、计算机、充电器、调光灯具等，这些家用电器均含有非线性元件，会产生谐波电流，其中的调压整流装置，则会产生较深。

3 谐波对电力系统继电保护的影响

3.1 高次谐波对各种类型继电保护的影响。电磁谐波对电磁继电器的影响。电磁型电压继电器的动作与流过其线圈的电流有效值平方成比例。阻抗分量会随着线圈匝数的增加而变大，其阻抗可看作为R + jωL。频率不一样，ωL也是有差别的，高次谐波之所以会使动作值变大，主要就是因为线圈阻抗变大了。当出现大量的谐波，并且各次谐波又没有快速衰减时，电磁型继电器就非常可能出现误动，最终使系统出现比较严重的事故。

3.2 谐波对整流型继电器的影响。因为在负序滤波器的作用下，可以将三相电流转变为单相电压，导致整流型距离保护装置如LH-21型的振荡闭锁经常动作产生，正比于负序电流该滤序器包括两部分，即接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器。当系统电流中含有谐波，同时三相谐波是不一样的，也不对称。负序滤波器会产生较多的谐波，再加上裂相回路可以放大谐波，造成不小的整流出的直流脉冲的出现，从而使保护误动作。

3.3 谐波对微机保护产生影响。微机电源系统和微机的模拟量输入回路是导致谐波对微机保护产生影响的两个主要因素。微机保护工作出现异常时，很可能是微机模拟量的输入回路含有谐波，所以，为了使谐波不会影响有用信号与干扰信号之比，在测量和控制用的微机系统中都会在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器。

3.4 谐波会导致频率仪不能进行准确的测试、准同期装置合闸误差角超过允许值、故障录波器误启动等自动装置的误动。评价继电保护性能时通常使用3个指标即灵敏度、选择性、速动性。

3.5 谐波给变压器保护造成影响。变压器差动保护的起动判据一般都是选择突变量。LFP900系列变压器保护的判据选择的是基于半周积分算法的相电流工频变化量，而CST141，CST140型保护的起动判据选择的是相电流采样值的突变量，在这两种情况下依然可能会受到谐波的影响，出现保护异常起动的情况就非常大。

3.6 谐波给电网造成影响。如果系统中含有谐波分量，继电保护工作就很可能出现异常，并联或串联谐振可能会出现在二次系统的谐波感抗与容抗间，因此无法保障二次回路的安全。这样就要求我们在进行设计的时候，慎重的选择二次设备，不要让二次系统固有频率靠近系统中含量较多的整次谐波频率；要注意设计好消谐回路，努力不要让谐波造成谐振过电压。为了避免铁磁谐振，在500kV系统中使用电容式电压互感器CVT，系统运作时监视好二次回路，空中线路要短。

3.7 谐波电流和谐波电压都将对系统中的一次和二次设备造成不利的影响，使设备在工作中出现异常。电力系统谐波的出现将不会使继电保护设备保持原来的特性。因为各种继电器在类型上是有差异的，必然会在设计性能和工作原理上表现出差异性来，而且谐波对其影响也是有差异的。

输入的电流和电压波形的不正常变化会使这些性能恶化。保护装置之所以能够进行高精度的各种保护运算，是因为它清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据，当然这需要硬件模拟滤波器和软件数字滤波器的帮助。运算放大器的带通滤波器和共振型电流互感器的带通滤波器是比较常见和普遍使用的两种模拟滤波器，二者相比较而言，运算放大器的带通滤波器的适用范围更广，更受欢迎，因为它体积小和精确度高，而数字滤波器的可靠性非常好，它不受诸如温度这样的外界环境影响，主要是通过软件实现的。它的优点是，不会因元件的不同而导致不同的滤波效果，避免了由于元件老化和负载阻抗匹配的问题。

4 结论

根据继电器电路的要求，而能模拟实际波形的试验装置是很有用处的。它将鼓励人们将谐波问题纳入正轨，为改进电力系统继电保护装置的特性确定改进的继电器参数，提出标准的试验波形，最终提出具有更好性能的继电保护装置。

结合宜阳电网的实际情况及实际中遇到的一些问题，我们主要分析了电力系统继电保护受谐波影响的问题。要想让继电保护的运行状态是安全稳定的，还需要做到以下三点：第一，依据国内外相关的谐波标准，考核各个谐波源。第二，在对谐波进行多次监测的条件下，仔细的分析装置，不断的完善电网谐波监测系统，监视并统计系统中的谐波水平和潮流分布。第三，如果某一系统中有较大量的谐波存在，我们要特别注意监视好继电保护设备的运行情况。

参考文献：

[1]华中电网事故分析报告.

[2]宜阳县电业局关于谐波相关制度，材料.

[3]电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计.机械工业出版社，作者：（奥）George J.Wakileh 著，徐政译.ISBN：978-7-111-

31888-0.