电力系统中谐波对继电保护的影响
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摘要：在我国经济社会快速发展的大形势下，企业和居民对电力的需求越来越大，安全用电显得更加重要，如果发生大面积停电的突然事件，会造成巨大的经济损失，影响百姓的正常生活，同时还会影响社会稳定，因此，作为保障电网安全与稳定运行的重要组成部分，继电保护技术必须加以重视。本文分析了电力谐波对继电保护的影响，并提出了消除的措施，以期为电网保护工作提供借鉴。
关键词：电力，谐波，继电保护，影响
不断发展的电力系统以及出现的新型电气设备，生产生活中越来越多的非线性负荷与电网接轨。它们在电网中产生了大量的谐波，对电网设备和系统产生了严重的危害，降低了电能质量，使经济效益受损，在高压直流输电的应用中，电力系统谐波的问题尤为突出。系统波形的谐波分量在电力系统发生短路故障时，或者电气设备运行在非正常工作状态下时将进一步增大。谐波会加快电力设备损耗，导致电线绝缘老化，最终可能使绝缘击穿，设备损坏；受它的干扰，继电保护和自动装置也会产生误动或拒动，发生故障，无法保护电力系统的安全稳定运行。所以，了解谐波对继电保护及自动装置的影响，最大限度地抑制其影响，十分重要。
二、谐波的概述
（一）电力系统中的谐波
“谐波”即harmonic wavelength一词起源于声学，以下简称（HW）。在国际标准电工定义中，HW是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍。近年来，一些学者又将不是基波整数倍频率的分量定义为分数HW，或称为间HW，而将频率低于工频的间HW又定义为次HW。但在本文中，主要讨论的是基波整数倍的HW，其它HW不作分析。在电力系统中，HW产生的根本原因是由于非线性负载所致。目前由于大量非线性负荷的接入电力系统，例如可控硅整流装置、电弧设备、电气化机车、办公电子设备等，当这些设备连入电网后，将使系统中的电压、电流产生高次HW。这些HW的出现将使电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行，并影响某些用户的正常生产。目前国际上公认，HW的“污染”是电力系统的公害。
（二）继电保护的重要作用
一旦电网中的发电机、变压器、输电线路等设备发生故障，继电保护装置就会自动启用，如果设备出现问题是短暂的，切除故障，重合后继续供电，维持电网安全、稳定运行，如果设备出现问题是持续的，切除故障后，采取一定措施继续供电，仍能维持电网安全、稳定运行。因此，继电保护在保障电力设备和电力系统安全运行上发挥着重要作用。我们必须发挥好继电保护作用，管理好继电保护设备，提高继电保护质量。
三、谐波对继电保护的影响
（一）谐波对电磁型继电器的影响
当HW含量小于百分之四十时，它的整定值误差将不会大于百分之十，可是由于继电保护装置是按基波电压或电流整定的，所以在非静态的状况下会产生一定的影响。HW存在时,对电流继电器而言将引起保护拒动，当含有HW的畸变电压作用于继电器时，电压继电器的动作值总是比基波时的整定值偏高很多，所以对欠电压继电器可能会误动，对过电压继电器却又可能会拒动。特别是在投切空载变压器时会产生HW含量很高的励磁涌流，高次HW分量(主要是两次HW)会造成继电器误动导致断路器立即跳闸。
（二）谐波对感应型继电器的影响
在磁场的作用下，感应型继电器中的圆盘或圆筒都将产生感应电流，这种电流和空间中另一磁场相互作用产生电磁转矩，导致圆盘或圆筒转动。该类型的继电器的可动部分惯性较大,动作速度慢，HW转矩对其影响并不严重。据有关专家的测算显示，受畸变电流中的HW分量在继电器磁盘上产生了附加转矩的影响，继电器的起动灵敏度随着输入电流的频率由五十赫兹增加到二百五十赫兹时将逐渐变动，尤其是三次HW和五次HW电流所产生的转矩对继电器的灵敏度影响比较大，这是因为畸变电流产生作用在继电器磁盘上的转矩等于该电流中基波分量和各次HW分量产生的转矩总和。因为HW电流分量产生的转矩可正可负，所以继电器可能产生误动也可能产生拒动，各同次频率HW间的相位差以及HW分量的有效值决定了它的后果。
（三）谐波对整流型继电器的影响
整流型继电器的主要特点是将输入交流量进行整流，或者将几个输入交流量组合后进行整流，继电器的动作特性取决于整流后的电压信号(或电流信号)及其动作判据。基本上每隔两∏/n时有凹点(或凸点)出现，而且HW含量越大，凹凸越厉害。以两个电气量的环形整流比相器回路构成的方向阻抗继电器为例。进行分析当电流回路中含有HW分量时，其动作特性不再是一个圆，而是呈现为一个不规则的封闭曲线有，许多凹凸不平点。在某些情况下，如输电线路发生接地短路时，由于电流中HW分量比较大，导致整流型保护装置拒动。主要是因为在电流回路通入含有HW分量的电流时，环形整流比相器输出的交流分量增大，从而造成继电器动作特性破损不光滑。因此在设计这些继电器时必须考虑到HW的影响。
四、电力系统中谐波的消除方法
（一）限制谐波振荡过电压产生
对这个问题，可以从两个方向加以解决，限制电网中HW振波过电压，一方面在零序回路里增加阻尼，限制HW振的产生和发展，另一方面设法改变互感器的感抗或电网对地容抗，避免匹配成HW振参数。具体来讲，主要有六种设计方式：一是在互感器开口三角绕组端口接阻尼电阻或消HW装置；二是增加电网对地电容；三是电压互感器高压侧中性点经电阻接地或经大电容接地；四是选用性能好的电磁式电压互感器，或改用电容式电压互感器；五是电压互感器中性点不接地；六是电网中性点经消弧线圈接地。上面的这些设计各有特点，但从经济性、可靠性、使用效果和使用时是否方便等方面考虑，在互感器开口三角绕组端口接阻尼电阻或消HW装置具有其它方法无法比拟的优势。
（二）互感器开口三角绕组端设置消谐装置
通过瞬间断续触发接在电压互感器开口的双向可控硅，瞬间断续短接电压互感器开口三角，利用系统自身的零序电压、零序电阻增加谐振回路阻尼、释放HW振能量。事实上，在电压互感器开口三角绕组端口接阻尼电阻消HW时，外接阻尼电阻越小消HW效果越好。为零时，效果最佳，双向控硅瞬间断续短接，就相当于外接阻尼电阻等于零，还不影响其它自动检测装置和继电器的工作。这种装置在实践应用中，可以使电流系统多频率HW振问题得到比较好的解决。能及时检测到HW并消除，同时分辨出HW振的频率：可以区分HW振与电网接地故障；不影响其它自动化装置和继电器的正常工作；设置简单方便，安全可靠，且不涉及电网一次设备；在无人值守的综合自动化变电站也适用。
结语
随着越来越多的电力电子设备应用于配电系统中，其给配电系统带来的不良的影响，尤其是对继电保护的影响和可能产生的HW谐振、HW放大现象，必然会引起相关技术领域人员越来越多的关注；除此以外，在配电系统中的任何一种“改变”，如加装用于提高供、配电电能质量的电力电子设备等，都会或多或少的改变系统的阻抗结构，从而引起电压、电流及等效阻抗的变化，因此，对继电保护本身而言，其动作性能应该不受外界干扰，且其自身具备正确区分正常、故障及不正常运行状态的能力，这也是一种必然的发展趋势。
参考文献
[1]张明，毕鹏翔，刘健．配电系统电压稳定性的研究【J】电力建设，2010，23(10)：41～43
[2]罗毅，涂光瑜．配电系统电压跌落问题的研究【J】继电器，2010，31(10)：56～62
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