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电力系统谐波对继电保护的影响王洪东

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王洪东

[导读] 摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。

        山东华能莱芜发电有限公司 270010
        摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。电力系统中的谐波是电力系统运行中几乎无法消除的因素，因为它的存在使得电力系统的各个环节总是存在一些隐藏的危害，加强对电力系统中谐波的抑制一直是科技工作人员所研究的课题之一。目前，随着电能涉及的领域日益广泛，谐波危害成为电力系统运行的主要问题，人们对谐波现象的研究也有了更多的关注，对谐波的产生以及治理进行了总结，为继电保护的科技人员提供了实质性的帮助。本文就电力系统谐波对继电保护的影响展开探讨。
        关键词：继电保护；电气自动化；谐波影响
        引言
        电力需求是当代人生活的必要需求。然而稳定性则是电力系统运行过程中的极为重要的要求。电力系统是相当的复杂，既要满足人们的日常生活又要在使用过程对对电能进行保护和控制，最大程度降低损耗。但是，在电路系统中，因其复杂性和附件的功能作用，有时候电力系统在一定程度上会受到不同程度的危害，所以为了保证安全，必须受到控制，同时起到保护作用。
        1间谐波的产生机理
        在电力电网中，非线性负载是产生各类谐波的主要来源。而电力互感器铁心饱和引起的电感变化则是主要的非线性负载来源之一。实际电力系统中，外界激发作用多见于断路器分、合闸，线路接地、断线等，这些都会引起电压互感器、电流互感器铁心饱和。铁磁谐振作为铁心饱和引起回路共振的一种特殊现象，多见于如下电力网络：空载或轻载条件下（回路损耗足够小），电磁式电压互感器和线路对地电容组成的振荡网络；空载变压器和空载长架空线路对地电容组成的振荡回路等。特别地，对于中性点非有效接地系统，非线性电感元件和电容元件组成振荡回路，回路稳态运行（线性状态）时的自振频率小于某一低频谐振频率，而当铁心饱和（非线性状态）时，电感迅速减小。根据谐振频率公式回路自振频率增加，当该频率恰好等于某一低振频率时，就会发生铁磁谐振。譬如中性点不接地系统中，空载投切线路或母线时，线路对地电容与母线（或线路）门构成LC振荡回路，在某一谐振频率下会发生串联（电压）谐振。该频段谐波电压幅值大，会对系统产生较大影响。铁磁谐振不仅可在基频（50Hz）下发生，也可在高频（170Hz）、低频（17Hz、25Hz）下发生，即所谓的问谐波。
        2谐波的危害
        从谐波的运行来说，它的危害性是非常强的，对于电力系统中的各个设备都可能造成不良的影响。首先，对于发电过程中的发电机和电动机来说，由于谐波的产生，可能会引发机械共振，致使发电机在运行过程中存在一定的振荡力矩，并且严重影响电力设备的使用寿命。其次，谐波电压在电力运行中会造成大幅度的正弦波变化，增加电能的消耗，加速绝缘老化，危害不同设备的负载以及电力系统的安全运行。除此之外，电网谐波还会对计量装置造成不同的影响，使它的系数达不到正常要求，造成电网中的短路情况，严重的还会引发爆炸现象。同时，谐波在电力系统中对于继电器等保护装置也有着一定的影响。
        3电力系统中谐波对继电保护装置的影响
        电力系统中静态的装置应用的范围很广，其中静态继电器对谐波有一定的抑制作用，静态的保护装置由固态和静态两个部分组成，其中交流电量的相位是两个比相器比较后的相位，但是电气装置在运行过程中，谐波会影响比相器，使得比相器不正常运行。当两个电量比较时，其中有谐波的会切割方波，其中由于电压达不到期望值，就无法翻转，而这两个电量已经转换为方波，在电路中出现脉冲，如果在此时电路出现谐波，脉冲就会增加，导致保护装置启动，影响静态电气装置的正常运行。通过整流输入或者内含交流整流装置的机器，如果其电阻器中出现两个电气量的环形整流比相器，那么在回路中就会出现谐波，谐波的出现会改变动作路径，增加一些分量电流，进而影响继电器的正常动作。

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在电网中继电保护装置一般为线路保护和变压器装置保护，但是电网中的谐波问题使得很难正确操作这些保护装置，甚至会导致出现一些错误操作等问题，感应型继电保护装置由于动作缓慢，惯性较大可直接减缓谐波的影响，但是在实践中，由于磁场的影响，使得继电器中出现电流，如果输入电能的频率有一定问题，在畸变电流谐波分量的作用下，电气装置自身的磁场会出现附加转矩，当转矩与谐波分量以及基波分量转矩数值相同时，会导致继电器的灵敏度降低，进而影响系统。
        4应对电力系统中谐波影响的方法
        4.1对谐波振荡过电压的形成的限制
        正对此问题我们可以从以下着手，首先是在零序回路中增加阻尼，减少谐波的产生和扩大，再者是从途径来解决问题，增大电力系统的容抗和互感器的感抗，这样不会造成谐波震荡参数，也可以从设计思路来解决问题：（1）通过在互感口加设阻尼电阻以此来减少谐波干扰，或者加消除谐波装置。（2）增加电力系统的对地电容，增加地容抗这样也可以很大一部分抵挡谐波影响。（3）在互感器高压侧中性点使用大电容接地。（4）在电力系统的中性点使用消弧线圈接地。综上来看，在设计和思路上，我们可以多点出发，在考虑电力系统的可靠性，稳定性等方面，我们也可以从限制谐波产生，或者从设计途径来解决问题，以此来达到良好效果。
        4.2改进电力系统中的谐波处理技术
        目前国内的电力系统抑制谐波是通过增加整流的相数、安装交流滤波器、采用无功功率补偿装置以及使用有源滤波器等，对于以上用来抑制谐波的方式，它们都离不开减少谐波或者是对谐波进行补偿的两种方式。调谐滤波和无源滤波是被动应对电力系统中特定的谐波，具有很大的局限性，如果系统中的谐波分量是变化的，则需要根据实际情况来设计不同的滤波柜，而有源滤波技术是一种主动应对谐波的方式，它由功率器件组成，通过随时随地地监测电力系统运行的状态，主动产生与谐波电流相反的等量电流来达到消除谐波电流，实现电网的净化。
        4.3有源谐波的治理
        有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上。对治理方式的有效改进，它的滤波效果相对来说比较完善，在额定功率的范围内，由电力电子元件构成一个共同的回路，并且在这种情况下，产生一个系统的共同频率，它的应用范围比较广，包括计算机控制系统以及供电系统等多个领域上，尤其是对于一些大型电力系统中产生的谐波来说，它的消除效果是非常好的，不会受到电子元件的影响，但是由于成本较高，对于一些用户来说，并不是特别受欢迎和重视。
        4.4加入滤波器的应用
        在电力系统中，有效控制谐波产生还有个最有效的办法就是加入滤波器，这样不但可以抑制产生，还可以抑制蔓延。电容、电感和电阻组成的滤波电路称为滤波器，它的作用在于，它可以把电路中的特定频率以及线路进行有效的整合，从而对谐波进行到限制蔓延的作用，以达到消除工作。从现在来看，此阶段，有一种滤波器能达到良好的效果，那就是数字滤波器，它与模滤波器相作用，在电力系统中，它将运行路线当作为一个变量，对外界输入信号进行整合处理，从而实现频谱修改的作用，以致达到良好的应用效果。
        结语
        综上所述，对于电力系统来说，谐波的产生有着一定的危害，对机电型继电保护装置、微机继电保护等方面都有着一定的影响，有关人员需要从有源谐波治理、无源谐波治理等方面进行设计，从而减少谐波对电力系统的破坏，延长它们的使用寿命。
        参考文献：
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        [3]孙晓明，秦亮，刘涤尘.继电保护测试装置线性功率放大器的数字预畸[J].电力自动化设备，2018，38（04）：196-203.