電力系統(tǒng)諧波對繼電保護(hù)的影響

電力系統(tǒng)諧波對繼電保護(hù)的影響
［摘要］隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷明顯增多，由其產(chǎn)生的高次諧波的危害題目也日益突出。本文闡述了電力系統(tǒng)諧波對電磁式繼電器、整流型繼電器、微機(jī)型繼電器及各種自動裝置的影響及防止措施，又對微機(jī)保護(hù)借助硬件（有源濾波器）和軟件（數(shù)字濾波器），清除電力系統(tǒng)高次諧波分量進(jìn)行了闡述。 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計
　　
　　1諧波的產(chǎn)生和危害
　　諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。
　　
　　1.1高次諧波的產(chǎn)生
　　隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷明顯增多，因而高次諧波的危害題目也日益突出，其中包括：
　　(1)各種閥型換流設(shè)備（如電氣化鐵道機(jī)車）。
　　2001年西北電研院在安康地區(qū)幾個帶有牽引負(fù)荷出線的變電站，進(jìn)行了諧波分量及負(fù)序分量的現(xiàn)場測試，結(jié)果表明安康電網(wǎng)由電氣機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的三、五次諧波電流含量超標(biāo)。
　　(2)耗用電弧能的設(shè)備（電弧煉鋼爐和電焊設(shè)備等）。
　　(3)鐵磁性設(shè)備（電力變壓器、電抗器等）。
　　(4)其它（電解設(shè)備和某些家用電器等）。
　　
　　1.2高次諧波的主要危害
　　(1)加強(qiáng)盡緣劣化，縮短電氣設(shè)備壽命。
　　(2)增加維修工作量。
　　(3)增多電網(wǎng)損耗。
　　(4)產(chǎn)生干擾使保護(hù)及自動裝置誤動。
　　(5)使計量器件產(chǎn)生誤差。
　　(6)對無線電通訊系統(tǒng)造成干擾。
　　2諧波對繼電保護(hù)和自動裝置的影響
　　2.1繼電保護(hù)和自動裝置受到諧波嚴(yán)重影響的條件
　　使得繼電保護(hù)和自動裝置受到諧波嚴(yán)重影響的條件可以列出以下七條，其中第1和第2條之一是必須具備的。
　　(1)在電氣間隔上接近大的諧波源。
　　(2)安裝地點(diǎn)存在諧波嚴(yán)重放大或接近諧波諧振條件。
　　(3)裝置的動作整定值很小，例如接在差動電路、零序電路或負(fù)序電路上。
　　(4)裝置的元件或動作原理對諧波敏感，例如采用晶體管繼電器、半波比相判定的方式、依靠檢出過零點(diǎn)等等。
　　(5)諧波損傷了裝置的某個部分，例如使動作接點(diǎn)粘連，導(dǎo)致誤動。
　　(6)安裝地點(diǎn)的短路容量太小，例如在海上油井平臺上、自備機(jī)組成孤立網(wǎng)運(yùn)行等。
　　(7)尚有不平衡負(fù)荷或涌流的基波負(fù)序電流，并且和諧波電流同時發(fā)生。
　　

繪圖式電力及諧波分析儀PROVA-6300

電力品質(zhì)分析儀6800+3007(3000A)

諧波分析儀PROVA6800+6802(1000A)

交流電力及諧波分析儀PROVA6605
　　2.2高次諧波對各種類型繼電保護(hù)的影響：
　　
　　2.2.1諧波對電磁繼電器的影響
　　(1)DL-11型電流繼電器是常用的電流保護(hù)元件，在不同頻率下其動作是反映通進(jìn)電流有效值的平方，當(dāng)有諧波電流時，電流的有效值是：
　　
　　其中I1，I2……In分別為基波和各次諧波的有效值。
　　經(jīng)試驗，在不同頻率下DL-11電流繼電器，動作電流時誤差很小。試驗結(jié)果見表1
　　表1DL-11電流繼電器在各次諧波下的動作電流
　　基波2次3次4次5次6次7次
　　動作值(A)1.51.511.511.521.521.521.53
　　
　　當(dāng)在基波上疊加30不同相角的3次諧波時，動作值則如表2。
　　表2疊加30不同相角的3次諧波下的動作電流
　　相位角(度)0°60°30°-30°
　　動作值(A)1.521.471.511.47
　　顯然，當(dāng)繼電器的電流含有諧波時，按基波整定的電磁型繼電器在諧波作用下也能啟動。
　　(2)電磁型電壓繼電器的動作還與流過其線圈的電流有效值平方成比例。線圈匝數(shù)很多，阻抗分量很大，其阻抗看作為R jωL。因?qū)Σ煌�頻率而言，ωL也不同，高次諧波使動作值增大的原因是線圈阻抗增大。當(dāng)含有諧波的電壓接進(jìn)繼電器時，動作值誤差一般為正誤差，低壓繼電器這時很輕易動作。
　　電磁型繼電器的動作速度較慢，對定值誤差也要求不高，在諧波含量小于10時，諧波對其影響不太大。但是，在諧波含量很大并且各次諧波衰減又較慢的場合，電磁型繼電器誤動也會造成大的系統(tǒng)事故。
　　
　　2.2.2諧波對整流型繼電器的影響
　　整流型間隔保護(hù)裝置（如LH-21型）的振蕩閉鎖經(jīng)常動作，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是利用負(fù)序濾波器將三相電流轉(zhuǎn)變?yōu)閱雾楇妷海ㄕ�比于�?fù)序電流），該濾序器由接在一相內(nèi)的電流互感器和接在兩相內(nèi)的電抗互感器構(gòu)成（如圖1）。當(dāng)系統(tǒng)電流中含有諧波，并且三相諧波并不相等也不對稱時，負(fù)序濾波器就有很大的諧波輸出，加之裂相回路對諧波的進(jìn)一步放大作用，使整流出的直流脈動很大，因而使保護(hù)誤啟動。
　　
　　圖1負(fù)序濾波器
　　2.2.3諧波對計算機(jī)產(chǎn)生影響的可能途徑有二:(1)電源供給系統(tǒng)；(2)計算機(jī)的模擬量輸進(jìn)回路。
　　當(dāng)模擬量的輸進(jìn)回路含有諧波時，將影響計算機(jī)的正常工作，所以在丈量和控制用的計算機(jī)系統(tǒng)均毫無例外地在A/D轉(zhuǎn)換器前裝設(shè)模擬式低通濾波器，以抑制諧波，增加有用信號與干擾信號之比。
　　
　　2.2.4諧波對間隔保護(hù)的影響
　　間隔保護(hù)裝置中的測距元件，通常按線路的基波阻抗整定。在故障情況下，當(dāng)有諧波電流時（特別是三次諧波），所測的阻抗相對于基波阻抗值可能會有相當(dāng)大的誤差。因而當(dāng)故障電流流經(jīng)高阻性的阻抗接地時，接地阻抗將是主要的。假如電流中諧波分量較大，應(yīng)采取濾波措施，否則造成繼電器誤動的可能性很大。通過試驗，諧波含量在5以下，則諧波對繼電器的影響不大。
　　
　　2.2.5諧波會引起故障錄波器誤啟動、頻率儀測試不準(zhǔn)，準(zhǔn)同期裝置合閘誤差角超過答應(yīng)值等自動裝置的誤動。
　　3繼電器保護(hù)采取抑制諧波畸變的一般措施
　　評價保護(hù)繼電保護(hù)性能時通常使用三個指標(biāo)：靈敏度、選擇性、速動性。導(dǎo)致這些性能惡化的主要原因之一，就是輸進(jìn)電流和電壓的波形產(chǎn)生畸變。
　　
　　3.1繼電器保護(hù)采取抑制諧波畸變的一般措施
　　3.1.1采用按基波動作的回路。
　　采用濾波器是將直流分量和高次諧波分量濾掉，剩下的基波分量在檢測回路里進(jìn)行檢測。
　　(1)使用共振型電流互感器的帶通濾波器。
　　(2)使用運(yùn)算放大器的帶通濾波器，由于它具有體積小和精確度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛使用。
　　3.1.2使用限時回路。
　　3.1.3檢測畸變波形的正負(fù)非對稱性。
　　3.2諧波的運(yùn)用
　　3.2.1變壓器差動保護(hù)利用二次諧波。
　　變壓器勵涌流中的高次諧波成分很大，并以二次諧波為主。所以開發(fā)了具有利用二次諧波制動的變壓器差動繼電器，二次諧波越大，繼電器的制動特性越強(qiáng)，故可防止勵磁涌流引起的誤動作。
　　3.3.3利用三次諧波電壓構(gòu)成100定子接地保護(hù)。
　　利用三次諧波電勢構(gòu)成的定子接地保護(hù)，用以消除基波零序電壓元件保護(hù)不到的死區(qū)。
　　
　　4微機(jī)保護(hù)采用抑制諧波的措施
　　
　　微機(jī)保護(hù)借助硬件（有源濾波器）和軟件（數(shù)字濾波器），清除了電力系統(tǒng)直流分量和高次諧波分量的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行高精度的各種保護(hù)運(yùn)算。
　　數(shù)字濾波用軟件實(shí)現(xiàn)，因此不受外界環(huán)境（如溫度）的影響，可靠性高，具有高度的規(guī)范性。它不像模擬濾波器那樣會因元件的差異而影響濾波效果，也不存在元件老化和負(fù)載阻抗匹配題目。另外，數(shù)字濾波器還具有高度的靈活性，當(dāng)需要改變?yōu)V波器的性能時，只需重新編程即可。
　　
　　4.1微機(jī)保護(hù)的基本構(gòu)成（如圖2所示）
　
　　圖2微機(jī)保護(hù)的基本構(gòu)成
　　微機(jī)保護(hù)從系統(tǒng)引進(jìn)電流和電壓二次，借助內(nèi)裝的中間變換器，將它們轉(zhuǎn)換為適合于用電子回路進(jìn)行處理的大小，接著用濾波器使輸進(jìn)電流和電壓里的諧波分量和直流分量衰減，再在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。然后在數(shù)字運(yùn)算處理部分用數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算，最后向外部輸出信號。
　　
　　4.2數(shù)字信號處理的基本組成
　　此系統(tǒng)先把模擬信號變換為數(shù)字信號，然后用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行處理，最后再還原成模擬信號。這一系統(tǒng)的方框圖見圖3所示。 
　　
　　圖4表示了框圖中的各有關(guān)信號波形，輸進(jìn)模擬信號χa（t）（見圖4（a））先經(jīng)過前置預(yù)濾波器，作用是將輸進(jìn)信號χa（t）中高于某一頻率（稱折疊頻率，即是抽樣頻率的一半）的分量加以濾除，然后在模擬-數(shù)字變換器（A/D變換器）中每隔T秒（抽樣周期）取出一次χa（t）的幅度，抽樣后的信號稱為離散時間信號，它只表示一些離散時間點(diǎn)O，T，2T，…nT，…上的信號值χa（O），χa（T），…，χa（nT），…，如圖4（b）所示，抽樣過程即是對模擬信號的時間量化的過程。隨之在A/D變換器的保持電路中將抽樣信號進(jìn)一步變換成數(shù)字信號，一般采用有限位二進(jìn)制碼，所以它所表示的信號幅度就是有一定限制的，例如4位碼，只能表示16種不同的信號幅度，把這些幅度稱為量化電平，當(dāng)離散時間信號幅度與量
　　
　　化電平不相同時，就要以最接近的一個量化電平來近似它。所以經(jīng)A/D變換器后，不但時間量化了，而且幅度也量化了，這種信號就被稱為數(shù)字信號，它是數(shù)的序列，每個數(shù)則用有限個二進(jìn)制數(shù)碼來表示（如圖4（c）所示），我們用χ（n）來代表輸進(jìn)數(shù)字化后的序列，自變量n是整型變量，它表示這個數(shù)在序列中的次序，為了形象起見，用一個垂直線段來表示其數(shù)值大小，如圖4（d）所示。隨后，數(shù)字信號序列通過數(shù)字信號處理系統(tǒng)的核心部分，即數(shù)字信號處理器，按照預(yù)定的要求，在處理器中將信號序列χ（n）進(jìn)行加工處理，得到輸出數(shù)字信號y（n）（如圖4（e）所示）。再后，y（n）通過數(shù)字模擬（D/A）變換器，將數(shù)字序列反過來變換成模擬信號，這些信號在時間點(diǎn)O，T，2T，…，nT，…上的幅度應(yīng)即是序列y（n）中相應(yīng)數(shù)碼所代表的數(shù)值大小。最后還要通過一個模擬濾波器，以濾除掉不需要的高頻分量，平滑成所需的模擬輸出信號Ya（t），如圖4（f）所示。

電力測量儀3167

單相電力計3332

高性能3項電力計3331

單相電力計3333

電力質(zhì)量分析儀3196
　　
　　5結(jié)束語
　　抑制諧波的真實(shí)物理意義是將諧波具有的能量盡可能的用一個裝置吸收，不讓諧波進(jìn)進(jìn)系統(tǒng)或只有很少量的進(jìn)進(jìn)系統(tǒng)。最好在諧波源就地安裝濾波裝置，以減少諧波對電網(wǎng)的影響。
　　電網(wǎng)中應(yīng)公道利用各站的補(bǔ)償電容器組，采取適當(dāng)串聯(lián)5~6電抗器，選擇重要變電站進(jìn)行安裝相控電抗型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（簡稱SVC），改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)過電壓和改善其動態(tài)特性，抑制諧波、進(jìn)步負(fù)荷的功率因素，快速無功調(diào)節(jié)，抑制電壓閃變，解決電網(wǎng)負(fù)荷不對稱等題目。
　　繼電保護(hù)和自動裝置應(yīng)公道利用硬件濾波器和數(shù)字濾波軟件，對進(jìn)進(jìn)TA、TV二次側(cè)的諧波量進(jìn)行濾波處理，來預(yù)防諧波的干擾使其穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。