諧波對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響探析

劉英梅 李紹忠/中國(guó)華能海勃灣發(fā)電廠

諧波對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響探析

劉英梅 李紹忠/中國(guó)華能海勃灣發(fā)電廠

我國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)普遍都是在50Hz有的60Hz恒定頻率下發(fā)電，而最理想的狀況我們視發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)波形是正弦的。但這都是針對(duì)線性元件時(shí)，若電源加在一個(gè)非線性裝置上時(shí)，波形就不一樣了，它會(huì)發(fā)生畸變，也就是諧波開(kāi)始發(fā)生了。文章探討了諧波對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響。

諧波；繼電保護(hù)裝置

一、引言

諧波即指可以產(chǎn)生頻率為基波的整數(shù)倍數(shù)的一種電氣特征，這種電氣特征并非所有的用電設(shè)備都能夠產(chǎn)生，只有較少部分電氣設(shè)備具備這種特性。當(dāng)我們?cè)趯?duì)非正弦的周期性電磁信息做傅利葉級(jí)數(shù)分解時(shí)，再經(jīng)過(guò)傅利葉變換就可以得到與電網(wǎng)的基波頻率相同的分量以及一些數(shù)倍于基波頻率的分量，諧波即諧波分量，通常指的是超出基波的倍數(shù)級(jí)的一種分量。諧波的主要產(chǎn)生設(shè)備為能量變換裝置與能量變換技術(shù)所產(chǎn)生，此外，變頻設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生諧波分量。諧波分量主要是由這些非線性電力裝的二極管的不控整流技術(shù)產(chǎn)生出來(lái)的。整流裝置產(chǎn)生的大量諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用，嚴(yán)重的還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。在平時(shí)，這些諧波的雖然會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，其影響的分量恒定，但是，一旦遇到電網(wǎng)的短路故障時(shí)，這些諧波分量會(huì)進(jìn)一步增大給電網(wǎng)造成更大的影響。

二、諧波的危害

在諧波存在的電網(wǎng)中，變壓器以及電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，這些多余的熱量一點(diǎn)一點(diǎn)地積累會(huì)使得電氣設(shè)備的外表的絕緣層逐漸變質(zhì)，最終，不但使得用電設(shè)備的壽命極大地縮短，而且還會(huì)對(duì)人類(lèi)造成觸電的危害。此外，諧波還會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精準(zhǔn)性產(chǎn)生較大的干擾，甚至還會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作。誤動(dòng)作將給電網(wǎng)的安全用電造成極大的危害，不但影響了用戶(hù)的正常用電，而且還給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。諧波對(duì)于電網(wǎng)的安全運(yùn)行與穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅，并且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的局部產(chǎn)生串并聯(lián)的諧振，諧波在串并聯(lián)諧振作用之下產(chǎn)生一種漸趨放大的效應(yīng)。而且諧波還會(huì)讓用電設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲。若是諧波的頻率恰好與定轉(zhuǎn)子的頻率相同，就會(huì)發(fā)生共振進(jìn)而產(chǎn)生極大的噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成破壞。

三、諧波對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響

1.諧波對(duì)保護(hù)用的鐵芯元件的影響。繼保裝置中慣用的變壓器一般都是鐵芯元件，它們是繼保裝置接入系統(tǒng)二次側(cè)電壓的第一環(huán)節(jié)，因此它受到的系統(tǒng)諧波之影響是隨鐵芯結(jié)構(gòu)及特性的不同而不同的。電抗變壓器由于其鐵芯是帶有空氣隙的，它在保護(hù)中它常被用來(lái)獲取線路之模擬的阻抗。因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，所以它的勵(lì)磁阻抗是很小的，因此我們能夠認(rèn)定它的一次側(cè)電流全都流進(jìn)了勵(lì)磁支路。那么其二次側(cè)輸出電壓表達(dá)式為：

從上式中可知：電抗變壓器可以放大諧波電流，第k次諧波的幅值在通過(guò)DK B時(shí)被放大了k倍。

2.諧波對(duì)序分量元件的影響。我們有電流表達(dá)式為：

變相完以后可以表示為：

之后得到各序分量為：

變化一下能寫(xiě)為：

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)侯，含諧波分量的各相電流的相位僅僅在時(shí)間上相差了T/3，其它的移相后是幾乎一樣的，因此有k次之諧波各相的電流表達(dá)式子為：

若當(dāng)k=3n時(shí)，諧波的三相之相位是相同的；若當(dāng)k=3n+l時(shí)，諧波的相位跟正序分量的一樣；若當(dāng)k=3n+2的時(shí)候，則其跟負(fù)序分量一樣。于是諧波分量產(chǎn)生的序分量i“能求得：

有：若k=3n，則說(shuō)明含該次的諧波成分。若k=3n+l，則此時(shí)不含該次的諧波成分。若k=3n+2，則此時(shí)亦不含該次的諧波成分。由上面的分析可知，三倍頻率的諧波分量會(huì)在各序分量中出現(xiàn)，尤其是比較低的三次諧波，其對(duì)繼保之影響是很大的。

3.諧波對(duì)阻抗型繼電器影響。阻抗型繼電器：通常說(shuō)來(lái)它可以分之為比相式與比幅式二種?，F(xiàn)如今最新代的保護(hù)所用的為：突變量阻抗型繼電器，它擁有動(dòng)作迅速之特點(diǎn)，因此在當(dāng)今的微機(jī)保護(hù)中應(yīng)用非常廣泛。它按照工作原理分又能為：反映幅值變化的工頻變化阻抗繼電器，這種應(yīng)用較多；還有反應(yīng)工作電壓相位變化的，這種用的較少。

首先，諧波對(duì)于常規(guī)的相位比較式阻抗繼電器造成的影響。通常情況因?yàn)檫@種的使用比較廣泛，因此我們想讓其硬件比相電路的實(shí)現(xiàn)更加適應(yīng)，其動(dòng)作式子如下：

通常在一般的比相式電路中，我們比較的是Uop跟Ujh之間的重疊角的時(shí)間。如若其能夠到達(dá)5ms就能讓其方程動(dòng)作。如果整定值的末端發(fā)生了短路故障，這一刻的Uop是最容易受到高次諧波的影響的。此時(shí)的話系統(tǒng)所含的高次諧波會(huì)使得比相回路的方波破碎而讓其重疊角都不足5ms，于是很大概率上引起比相回路的拒動(dòng)。因此我們?yōu)榱藴p小甚至消除高次諧波給其帶來(lái)的拒動(dòng)異常，一般我們是把其工作電壓讓其通過(guò)工頻的帶通濾波器之后才接進(jìn)來(lái)比相回路的。

Uzd：是實(shí)際中使繼電器工作時(shí)，電壓的記憶值：

上式，Uop.loa：故障之前一個(gè)周期的工作的電壓值。如果在故障發(fā)生的前后系統(tǒng)的特征諧波都不發(fā)生變化時(shí)，而在故障發(fā)生后系統(tǒng)又有非特征的次諧波的產(chǎn)生的話，那么其負(fù)荷分量與特征諧波分量則會(huì)被消去，半周積分值為S：

研究一下半周積分值S，我們用50Hz分量做半周區(qū)間來(lái)對(duì)其進(jìn)行積分，從中我們能夠得知諧波對(duì)反應(yīng)工頻變化量的阻抗繼電器的影響與它的次數(shù)、初相角、及其分量大小都有關(guān)系。通過(guò)下圖突變量的動(dòng)作特性跟諧波次數(shù)、初相角、幅值的對(duì)比關(guān)系我們可以看出其影響。

四、應(yīng)對(duì)措施

1.杜絕電力系統(tǒng)諧波振蕩電壓。為了保障電力系統(tǒng)安全性，應(yīng)改變諧波互感器感抗性能以及電力系統(tǒng)容抗，避免其與電力系統(tǒng)諧波形成的參數(shù)相匹配。另外，在預(yù)防諧波發(fā)生諧振的同時(shí)，還應(yīng)增強(qiáng)電力系統(tǒng)的零序回路阻尼。因此，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保障電力系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)使用性能優(yōu)良的電壓互感設(shè)備，以改善電壓互感體系，并增加電力系統(tǒng)的對(duì)地電容。同時(shí)，在電力系統(tǒng)中互感器的三角位置接入定值阻尼電阻和消諧構(gòu)件，可以杜絕電力系統(tǒng)互感設(shè)備中性點(diǎn)接觸，而在電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)區(qū)域，可以取消直接接地，而采用電阻與地進(jìn)行有效連接。

在電力系統(tǒng)互感器的三角位置，通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的元器件和消諧構(gòu)件，并在電力系統(tǒng)實(shí)施“瞬間斷續(xù)”時(shí)，與電力系統(tǒng)互感設(shè)備的可控硅進(jìn)行有機(jī)連接，可以保障電力系統(tǒng)的電壓互感設(shè)備相關(guān)區(qū)域及時(shí)產(chǎn)生瞬間斷續(xù)作用。實(shí)踐應(yīng)用中，在使用零序電阻的同時(shí)，增加電力系統(tǒng)諧振回路阻尼電阻值，可以保障電力系統(tǒng)控制序列的相關(guān)電壓值。在對(duì)電力系統(tǒng)電壓互感設(shè)備、阻尼電阻三角開(kāi)口相關(guān)位置進(jìn)行諧波消除時(shí)，由于消諧效果與阻尼電阻大小成反比關(guān)系，因此當(dāng)電力系統(tǒng)阻尼數(shù)值為O時(shí)，消諧效果最佳，而雙向型可控硅瞬間斷續(xù)短接，就相當(dāng)于電阻阻尼數(shù)值為O，此時(shí)諧波不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)以及電磁型繼電設(shè)備產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)際電力系統(tǒng)應(yīng)用中，在互感器的三角位置設(shè)置消諧裝置，不僅能有效解決電力系統(tǒng)的多頻率諧振現(xiàn)象，而且對(duì)電力系統(tǒng)諧振接地以及電力系統(tǒng)區(qū)分都有重要作用。

2.應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)諧波變形。在電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中，主要通過(guò)繼電保護(hù)裝置的選擇性、速動(dòng)性以及靈敏度對(duì)繼電保護(hù)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。在了解電力系統(tǒng)諧波指標(biāo)惡化狀況，明確電流、輸入電壓波形形變?cè)虻耐瑫r(shí)，可以充分利用電力系統(tǒng)的三次諧波來(lái)構(gòu)建定子接地保護(hù)系統(tǒng)，杜絕電力系統(tǒng)因基波檢測(cè)疏忽而造成的諧波波形變形。另外，在充分利用變壓設(shè)備相關(guān)差動(dòng)保護(hù)的同時(shí)，還可利用電力系統(tǒng)高次諧波涌流中的二次諧波成分，開(kāi)發(fā)使用二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)繼電器，從而有效避免電力系統(tǒng)繼電保護(hù)誤動(dòng)，從根本上杜絕因涌流引起的誤操作。

在電力系統(tǒng)諧波防護(hù)中，變壓器差動(dòng)保護(hù)主要是利用了速飽和變流器以及二次諧波進(jìn)行制動(dòng)。對(duì)于高頻保護(hù)，則將半波比相改為正、負(fù)半波均比相和”與“門(mén)出口（即全波比相）或加裝諧波閉鎖，從而保障高頻裝置的正常使用。在超高壓電網(wǎng)高級(jí)保護(hù)中，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的有效濾波，可以有效防范諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響。而在110kV負(fù)序振蕩閉鎖元件中，通過(guò)加裝不致過(guò)長(zhǎng)延遲動(dòng)作時(shí)間的小濾波器，可減少諧波誤動(dòng)，保障繼電保護(hù)裝置順利運(yùn)行。另外，采用增量型元件，可避免電力系統(tǒng)負(fù)序和穩(wěn)態(tài)諧波的影響。

[1]曾耿暉，劉瑋：繼電保護(hù)在線整定系統(tǒng)的探討[J]，繼電器，2004.

[2]劉園，周有慶，彭紅海，劉艷榮：基于DSP的電力系統(tǒng)多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J]，繼電器，2005.

劉英梅：內(nèi)蒙古赤峰人，1980年9月出生，大學(xué)學(xué)歷，工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事火電廠電氣檢修工作。