抑制諧波畸變的措施分析工學論文
摘要： 隨著工業技術的迅猛發展，電力系統中的非線性負荷明顯增多，由其產生的高次諧波的危害問題也日益突出。本文闡述了電力系統諧波對電磁式繼電器、整流型繼電器、微機型繼電器及各種自動裝置的影響及防止措施，又對微機保護借助硬件（有源濾波器）和軟件（數字濾波器），清除電力系統高次諧波分量進行了闡述。
關鍵詞：諧波 繼電器 保護
1 諧波的產生
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倍。
1.1 高次諧波的產生 隨著工業技術的迅猛發展，電力系統中的非線性負荷明顯增多，因而高次諧波的危害問題也日益突出，其中包括：①各種閥型換流設備（如電氣化鐵道機車）。西北某地幾個帶有牽引負荷出線的變電站，進行了諧波分量及負序分量的現場測試，結果表明安康電網由電氣機車負荷產生的三、五次諧波電流含量超標。②耗用電弧能的設備（電弧煉鋼爐和電焊設備等）。③鐵磁性設備（電力變壓器、電抗器等）。④其它（電解設備和某些家用電器等）。
1.2 高次諧波的主要危害 ①加強絕緣劣化，縮短電氣設備壽命。②增加維修工作量。③增多電網損耗。④產生干擾使保護及自動裝置誤動。⑤使計量器件產生誤差。⑥對無線電通訊系統造成干擾。
2 諧波的影響
2.1 繼電保護和自動裝置受到諧波嚴重影響的條件
使得繼電保護和自動裝置受到諧波嚴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在電氣距離上接近大的諧波源。②安裝地點存在諧波嚴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、半波比相判斷的方式、依靠檢出過零點等等。⑤諧波損傷了裝置的某個部分，例如使動作接點粘連，導致誤動。⑥安裝地點的短路容量太小，例如在海上油井平臺上、自備機組成孤立網運行等。⑦尚有不平衡負荷或涌流的基波負序電流，并且和諧波電流同時發生。
2.2 高次諧波對各種類型繼電保護的影響：
2.2.1 諧波對電磁繼電器的影響 ①DL-11型電流繼電器是常用的電流保護元件，在不同頻率下其動作是反映通入電流有效值的平方，經試驗，在不同頻率下DL-11電流繼電器，動作電流時誤差很小。顯然，當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。線圈匝數很多，阻抗分量很大，其阻抗看作為R+jωL。因對不同頻率而言，ωL也不同，高次諧波使動作值增大的原因是線圈阻抗增大。當含有諧波的電壓接入繼電器時，動作值誤差一般為正誤差，低壓繼電器這時很容易動作。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事故。
2.2.2 諧波對整流型繼電器的影響 整流型距離保護裝置（如LH-21型）的振蕩閉鎖經常動作，產生這些現象的原因是利用負序濾波器將三相電流轉變為單相電流（正比于負序電流），該濾序器由接在一相內的電流互感器和接在兩相內的電抗互感器構成。當系統電流中含有諧波，并且三相諧波并不相等也不對稱時，負序濾波器就有很大的諧波輸出，加之裂相回路對諧波的進一步放大作用，使整流出的直流脈動很大，因而使保護誤啟動。
2.2.3 諧波對計算機產生影響的可能途徑有二：①電源供給系統；②計算機的模擬量輸入回路。
當模擬量的輸入回路含有諧波時，將影響計算機的正常工作，所以在測量和控制用的計算機系統均毫無例外地在A/D轉換器前裝設模擬式低通濾波器，以抑制諧波，增加有用信號與干擾信號之比。
2.2.4 諧波對距離保護的影響 距離保護裝置中的測距元件，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大的誤差。因而當故障電流流經高阻性的阻抗接地時，接地阻抗將是主要的。如果電流中諧波分量較大，應采取濾波措施，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，準同期裝置合閘誤差角超過允許值等自動裝置的誤動。
3 抑制諧波畸變的措施分析
評價保護繼電器性能時通常使用三個指標：靈敏度、選擇性、速動性。導致這些性能惡化的主要原因之一，就是輸入電流和電壓的波形產生畸變。
3.1 繼電器保護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行檢測。①使用共振型電流互感器的帶通濾波器。②使用運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點，現在已廣泛使用。 3.1.2 使用限時回路。
3.1.3 檢測畸變波形的正負非對稱性。
3.2 諧波的運用
3.2.1 變壓器差動保護利用二次諧波。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，故可防止勵磁涌流引起的誤動作。
3.2.2 利用三次諧波電壓構成100%定子接地保護。利用三次諧波電勢構成的定子接地保護，用以消除基波零序電壓元件保護不到的死區。
4 微機保護采用抑制諧波的措施
微機保護借助硬件（有源濾波器）和軟件（數字濾波器），清除了電力系統直流分量和高次諧波分量的數據，可進行高精度的各種保護運算。
數字濾波用軟件實現，因此不受外界環境（如溫度）的影響，可靠性高，具有高度的規范性。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載阻抗匹配問題。另外，數字濾波器還具有高度的靈活性，當需要改變濾波器的性能時，只需重新編程即可。
4.1 微機保護的基本構成 微機保護從系統引入電流和電壓二次，借助內裝的中間變換器，將它們轉換為適合于用電子回路進行處理的大小，接著用濾波器使輸入電流和電壓里的諧波分量和直流分量衰減，再在模數轉換部分進行模/數轉換。然后在數字運算處理部分用數字化的數據進行保護運算，最后向外部輸出信號。
4.2 數字信號的處理 系統先把模擬信號變換為數字信號，然后用數字技術進行處理 ，最后再還原成模擬信號。
5 小結
抑制諧波的真實物理意義是將諧波具有的能量盡可能的用一個裝置吸收，不讓諧波進入系統或只有很少量的進入系統。最好在諧波源就地安裝濾波裝置，以減少諧波對電網的影響。
電網中應合理利用各站的補償電容器組，采取適當串聯5%~6%電抗器，選擇重要變電站進行安裝相控電抗型動態無功補償裝置（簡稱SVC），改善供電系統的穩定性，抑制系統過電壓和改善其動態特性，抑制諧波、提高負荷的功率因素，快速無功調節，抑制電壓閃變，解決電網負荷不對稱等問題。
繼電保護和自動裝置應合理利用硬件濾波器和數字濾波軟件，對進入電流互感器、電壓互感器二次側的諧波量進行濾波處理，來預防諧波的干擾使其穩定、可靠的運行。
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