电网谐波对继电保护的影响与预防措施分析.pdf

8 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 文章编号 ： 1 0 0 4 2 8 9 X( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 0 8 0 4 电网谐波对继电保护的影响与预防措施分析 陈威 ， 李璨 ， 张阁 ( 1 永州电业局， 湖南 永州4 3 5 0 0 0 ； 2 广西大学电气工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 ) 摘要： 先对电网谐波问题进行 了分析 ， 讨论了电网谐波对继 电保护的影响以及对继电保护装置的影响 ， 最后 分 析 了目前预防谐波对继电保护影响的措施 ， 并提 出了可行性建议。 关键词 ： 谐波； 继电保护； 误动； 拒动 中图分类号： T M 7 1 文献标识码 ： B Aa n a ly s is o f t h e Effe ct o f Po we r Gr id Ha r mo n ic o n Re la y Pr o t e ct io n a nd Pr e ca u t io na r y M e a s ur e s CHEN We i ， L I Ca n ， ZHANG G e ( 1 Y o n g z h o u P o w e r S u p p l y B u r e a u ， Y o n g z h o u 4 3 5 0 0 0， C h i n a ； 2 C o l le g e o f E le ct rica l E n g i n e e ri n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a ct： F i r s t ， t h e p a p e r a n a ly z e s t h e h a r mo n i c p r o b le m o f a p o we r n e t wo r k； t h e n d is cu s s e s t h e e f f e ct o f t h e p o we r n e t wo r k h a r mo n ic o n r e la y p r o t e ct i o n a nd r e la y p r o t e ct io n d e v ice Fi n a ll y， a n a l y z e s o f p r e s e n t p r e v e n t iv e h a rm o n ic a n d t h e me a s wr e s a n d p r o p o s e s f e a s ib le s u g g e s t i o n s Ke y wo r ds ： h a r mo n i c ；r e la y p r o t e ct io n； ma lf u n ct io n ； r e f u s e t o a ct 1 引言 随着 电力 电子技术的迅速发展 ， 电力系统中增加 了大量的电力电子设备， 其中包括以开关方式工作的 静止变流器和从低压小容量民用电器设备到高压大容 量的工业交 、 直流变换装置 ， 它是一种非线性时变拓扑 负载 ， 不可避免的会产生非正弦周期电流 ， 向电网注入 谐波。 各种谐波分量的存在对 电力系统产生了严重的谐 波污染I 4 J ， 影响了电力系统继 电保护及安全 自动装 置的正常工作， 危害了电力系统的安全稳定运行。谐 波电流、 电压的出现， 会危害继电保护设备的一次和二 次设备， 干扰设备的正常工作， 会改变继电保护设备的 工作特性 一 。由于不同类型继电器的设计性能和工 作原理不同， 谐波的影响程度也不同。因此， 对谐波污 染造成的危害影响进行分析并加以限制， 是非常必要的。 2 电网的谐波问题 谐波是非正弦周期交流量进行傅立叶分解， 得到 频率为基波频率整数倍的分量。一般认为是非线性负 荷 的用电方式产生 了非正弦周期 电流 ， 该谐 波电流在 电网中产生谐波压降 ， 也就形成 了电网电压的畸变而 出现谐波电压， 称之为谐波“ 污染” 。非线性负荷实际 上是一种 电能转换方式用电 ， 将标准的 5 0 H z额定 电 压 的交流电源转换为其他形式 的电源 ， 以适应不同的 用 电要求 ， 其也是用电技术发展的体现 。 现以电网中广泛采用的三相不控整流器为例来分 析谐波的特性 ， 这种整流器普遍 的应用于工业交直流 变换、 变频设备、 城市轻轨和地铁行业中， 以及目前的 新兴产业电动汽车充电站中也采用此种整流器。它的 原理是将电网三相交流电经过二极管整流变换为直流 电， 由于二极管的单向导通性， 会使整流器交流侧的电 流波形产生严重畸变， 含有大量谐波。图 1 为三相不 控整流器的实测 a 相电压电流波形， 分析如下： 将三相不控整流器交流侧的a 相非正弦周期电流 进行傅立叶分解后可得： 屯 = ，d ( si n 一 si n 5 r 一 si n7 + 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 9 - 卅去 n l ) = ， d si + J ( 一 1 ) 2 - s in n to t 式中， d 为整流后的直流电流平均值， 由上式可得 电流基波和各次谐波的有效值为： 根据以上分析 ， 三相不控整流器交流侧 电流 的主 要谐波次数为 6 k 1 ， ( k = 1 ， 2 ， 3 ) ， 不含3的倍数次 谐波， 也不含有偶数次谐波， 而且谐波的幅值与其次数 成反比， 即谐波次数越高， 其有效值越小。这就说明了 非线性负载对电网的谐波污染相当严重 。 1 图 1 三相不控整流器交流侧电压电流波形 3 谐波的影响场合分析 电网谐波对继电保护的影响主要分为两方面： 对 输电线保护的影响和对变压器保护的影响分。 3 1 谐波对输电线保护的影响 当电网中谐波电流或谐波电流含量较大 时， 采用 工频变化量或者相电流、 相电压 突变量作为起动元件 的输电线保护就会出现问题， 比如会使保护装置和收 发信机不能正常起动。 对于采用以突变量作为起 动元件 的继 电器 ， 当其 受到谐波影响时， 起动元件会不断起动， 会使程序长时 间处在振荡闭锁模块中， 如果此时区内发生故障， 将严 重影响保护的快速性； 对于采用以工频变化量作为起 动元件的阻抗继电器， 其动作速度较快， 极易受到谐波 电压、 电流的影响。如果谐波含量大于限值 ， 在进行整 定时必须给予适当考虑。 3 2 谐波对变压器保护的影响 工程中， 变压器的差动保护一般以突变量作为其 起动判据， 包括采用相电流采样值的突变量、 基于半周 积分算法的相电流工频变化量等， 上述两者都不能完 全消除谐波影响， 可能导致变压器差动保护不正常起动。 在变压器的差动电流速断和比率差动保护中， 在 微机保护的 V F C插件中装设了滤波电路， 而且在软件 计算中采用了全周傅立叶算法， 这样就极大的避免了 谐波对保护的影响。 电网中的谐波既有 正序谐 波也有负序 和零序谐 波， 对于负序和零序谐波对保护的影响与电力系统中 的负序和零序分量相似。 4 谐波对继电装置的影响分析 4 1 谐波对 电磁型继 电器的影响 工程 中的电磁型电流继电器以线圈内流过的电流 有效值作为判据， 其动作转矩与电流有效值的平方成 正比。此种方式有个较大的缺点， 无论线圈内流过基 波或谐波电流， 都可以使继电器动作， 所以谐波可能会 使电流继电器误动作。电压继电器与电流继电器相 比， 其线圈匝数较多 ， 阻抗也随之增大 ， 当继电器感应 到谐波电压时， 如果动作值 比基波时整定值大， 过 电压 继电器可能拒动 ， 欠 电压继电器 可能误动 。与其 它类 型的继电器相 比， 电磁型继电器的响应时间较长 ， 对整 定值的误差要求也相当较低 ， 在 电网谐波含量较小时 ， 谐波对其影响不大， 但是如果谐波含量较大， 而且衰减 较慢 ， 此时就会对电磁型继电器产生严重影响， 继电器 误动造成电网事故 。例如 ： 变压器在空载状态下投切 时， 就会产生谐波含量很高的励磁涌流， 以2 次谐波为 主的高次谐波会造成继电器误动。 4 2 谐波对感应型继 电器的影响 感应型继电器可动部分惯性较大， 谐波转矩对其 影响不严重。在磁场的作用下， 这种继电器的圆盘或 圆筒将会产生电磁感应转矩， 它会推动圆盘或者圆筒。 工程运行经验表明 ； 随着流人继电器频率的上升 ， 其启 动灵敏度降低 ， 这是 由于畸变 电流中的谐波 电流产生 的附加谐波转矩造成 的， 因为 畸变 电流产生 的转矩等 于基波转矩和各高次谐波转矩的总和。电网中含量较 多的谐波为 3次、 5次和 7次谐波 ， 其产生 的附加谐波 转矩对感应型继电器的灵敏度影响最大。对于各次谐 波而言， 其产生的谐波转矩可正可负， 这就造成了继电 器有可能误动也有可能拒动。 4 3 谐波对整流型继电器的影响 整流器继电器的是将输入的交流量或者几个输入 的交流量进行整流， 转换为直流量 ， 其动作特性由整流 后的直流电压、 电流信号决定。例如在某系列的方向 阻抗继电器中， 其以两个电气量的环形整流比相器构 1 0 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 成， 如果电网含有谐波时， 其动作特性呈现为一个不规 则的封闭曲线， 不再是一个圆， 封闭曲线上有许多凹凸 不平点， 每隔一个周期都会出现凸点或者凹点， 随着谐 波含量的增大 ， 凹凸幅值越大。产生这种现象的原因 是谐波 电流流人电流 回路时 ， 环形整流比相器输出的 交流分量增大， 就会造成继电器动作特性损坏不光滑。 4 4 谐波对静态型继 电器的影响 静态型继电器主要 由电子器件构成 ， 不包含机械 运动 ， 其最大的优点是抗干扰和消除了谐波影响， 所 以 静态型继电器越来越受到人们的关注。静态型继电器 是按相位 比较原理构成 的继 电器 ， 被 比较的两个交流 电流用积分比相器或者微分 比相器进行 比较 。 5 预防措施分析 预防电网谐波对继电保护的影响应该从两方面人 手 ： 主动性措施和被动性措施。主动性措施即谐波抑 制措施， 就是将电网中的谐波彻底消除， 使继电保护运 行在工频状态下； 被动性措施即改进继电保护的措施， 在 电网谐波无法得到有效抑制的状态下 ， 被迫的进行 继 电保护的改进 ， 以增强对谐波的抵抗性。 5 1 谐波抑制措施 目前 ， 在谐波处理上通常采用两种方法 ： 一是采取 措施减少电力电子设备 自身产生的谐波； 二是增设滤 波装置滤除电网中的谐波。对于第一种方法 ， 一般采 用 的是多脉动整流方法 ， 是按一定的规律将两个或多 个( 通常为偶数个) 变流器进行组合， 通过移相变压器 对电网电压进行移相， 使得各个整流桥输人电压存在 一 定的相位差， 从而获得整流负载电流之间的相位差， 不同相位差的整流负载 电流在电网侧 的叠加 ， 可以使 某些次谐波相互削弱或抵消， 从而实现电网侧电流的 图2 1 2脉动整流器交流侧电压电流波形 正弦化矫正。图2为 1 2脉动整流器交流侧的电压电 流波形， 与图1 相比， 其电流波形畸变率下降， 各次谐 波含有率也明显减小。 此时 ， 电流 中只含 有少量的 1 2 k1 ， ( k=1 ， 2 ， 3 ) 次谐波。可见， 1 2 脉动整流变压器电网侧的谐波 电流较 6脉动整流变压器有较大改善 。 将 1 2脉动整流器交流侧的 a相非正 弦周期电流 进行傅立叶分解后可得： a 5 - 1 1 f 。 ( f )= ， d ( s in t o t 1 s in 5 t o t 一了 1 s in 7 t o t + 1 1 1 s i n 1 l t o t + 亩 汕 i 1 3 to t 一 锄 i 1 7 to t 一 亩 锄 i 1 9 to t ) 厅 1 = 49 id s in t o t + (一1 ) !s in n w t 盯 n 1 n k=1， 2， 3 对于谐波抑制 的第二种方法 ， 在工程中装设 的滤 波装置包括无源滤波器和有源滤波器 ， 无源滤波器价 格相对低廉 ， 采用 电容 c 和 电感 L元件组成 滤波 电 路， 在谐振频率下合成阻抗为零， 迫使该次谐波电流流 向滤波支路， 不能传播到电网造成危害， 但是其滤波效 果有限； 有源滤波器在工程应用时要备有谐波发生源 和大功率晶闸管元器件 ， 还要配有跟踪控制和脉宽调 制系统， 其滤波效能优越 ， 但成本稍高 。 5 2 改进继 电保护的措施 对于改进继电保护主要由两方面的措施 ： 辅助措 施和 自主措施。如选择辅助措施 ， 可采用配 电系统 中 自带的频率测试仪对谐波频率进行测试， 以辅助继电 保护装置对电压、 电流进行测量和值的比较； 也可以以 使保护中的输入信号正常为 目的， 增加滤波装置； 也可 以以使继电保护装置只反应突变量， 且仅反应突变量 为目的， 接人一个微分电路于继电保护装置的执行元 件前 ， 也就是说 ， 使用反 映增量的装置 ； 或者加装谐 波 闭锁环节于配 电系统 中的各类保 护间。对于 自主措 施， 是以继电保护装置自身为基础， 通过对继电保护装 置的动作整定值进行合理设定 ， 以使继电保护装置的 动作正确 、 可靠 。 6 总结 电网中的谐波对电力系统产生的严重的危害， 畸 变的电流、 电压波形既可以降低继电器动作的灵敏度， 也可以增加保护动作的延时， 从而导致继电器在某些 情况下误动作或拒动作。基于此， 提出以下建议： ( 1 ) 参照国标 电能质量 公用 电网谐波 G B T 1 4 5 9 4 9 3的谐波标准， 对各谐波源负荷进行评价。 对于不达标的谐波源必须采取相应的谐波抑制措施后 才允许接入电力系统； ( 下转第 1 5页) 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 1 5 统理论和实际都没有大的突破 ； ( 4 ) 全局控制系统： 以分布式系统代替原有以 E MS为中心的集 中式 系统是 未来 电力系统发展 的趋 势， 研究如何利用全局的 P M U量来协调各个局部的控 制使全局最优 ； 、 ( 5 ) 参数辨识和检验模型仿真结果： P M U出现后， 如何将原有的模型和参数与 P M U量测值进行结合； ( 6 ) 低频振荡分析与控制： 各个 P S S如何协调， 考 虑通信时延时怎样控制算法； ( 7 ) 全网同步监测和事故分析 以及 界面可视化 ： 实时提供系统中的故障、 振荡、 失步和运行量越界等报 警信息， 能够记录扰动后的详细信息， 同时开发友好的 人机界面， 使必要时操作员做出正确的策略； ( 8 ) 电压和频率稳定评估 和控制 ： 电压稳定是一 个相对慢过程 ， 因此利用 P MU更容易来实现。目前仅 限于对两机系统的研究。研究关键负荷点的电压裕度 和崩溃情况， 如何预测电压失稳， 以及电压控制装置如 何和保护协调。稳定控制和系统保 护一体化 ， P MU可 提供系统全局的量， 这为研究新型保护提供了很好的 机会， 保护和控制是否有必要一体化。 参考文献 1 吴笃贵 ， 徐政 基于相量量测的电力系统谐 波状 态估计 ( I ) 理 论、 模型与求解方法 J 电工技术学报 ， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 2 ) ： 6 4 6 8 W U Du - g u iXU Z h e n g P o we r S y s t e m Ha r mo n ic S t a t e E s t ima t io n Ba s e d o n P h a s o r M e as u r e m e n t s ( I )， I 1l l e 0 叭 M o d e l a n d S o l u t i o n A lg o r it h m J T r a n s a ct i o n s o f C h i n a E l e ct mt e ch n i ca l S o ci e t y ， 2 0 0 4，1 9 ( 2 ) ： 6 46 8 2 吴笃贵， 徐政 基于相量量测的电力系统谐波状态估计( I I ) 可观性 、 质量评估与算例研究 J 电工技 术学报 ， 2 0 0 4， 1 9 ( 3 ) ： 7 6 8 1 W U Du g u iXU Z h e n g P o we r S y s t e m Ha r mo n ic S t a t e E s t ima t i o n Ba s e d o n P h a s o r Me a s u r e m e n t s ( I I ) 0 b s e r v a b i l it y A n a l y s i s ， Q u al i t y E v a l u a t i o n AI g o r i t h m and E x a mp l e S t u d i e s J T r a n s a ct i o n s o f C h i n a E l e ct mt e ch n i cal S o ci e t y ， 2 0 0 4，1 9 ( 3) ： 7 68 1 3 O S e n ame ， D S im o n ， D R o b e F e e d b a ck S ch e d u l i n g f o r R e al - t i m e C o n t r o l o f S y s t e m s w i t h C o m m u n i ca t i o n D e l a y s J P m ce e d in g s E T F A 0 3I EEE C o n f e r e n ce Vo lu me 2，1 6 1 9 S e p t 2 0 0 3 4 谢 小荣， 肖晋 宇， 童 陆园， 等 采用 广域 量测信 号的互联 电 网区间 阻尼控制 J 电力系统 自 动化， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 2 ) ： 3 7 4 0 XI E Xia o r o n g ，XI AO J in n in g，T ONG L u y u an ，e t a1I n t e r a le a Da mp in g C o n t r o l o f I n t e r co n n e ct e d P o we r S y s t e ms Us in g W id e a r e a Me asu r e me n t s J A u t o m a t i o n o f E l e ct ric P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 2 ) ： 3 7 4 O 5 常乃超， 郭志忠 基于广域量测的全局非线性控制 J 中国电机 工程学报， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 2 ) ： 4 3 4 8 CHANG Na i ch a o，GUO Z h i z h o n g Glo b al No n lin e a r Ex cit a t io n C o n t r o l B a s e d o n W id e a r e a M e as u r e m e n t s J P r o ce e d i n g s o f t h e C s e e ， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 2 ) ： 4 3 4 8 6 Y u C S ，L i u C WS e l f - co r r e ct i o n t w o m a ch i n e e q u i v al e n t mo d e l fo r s t a b i li t y co n t r o l o f F A C T s y s t e m u s i n g r e a1 t i m e p h aso r m e asu r e m e n t s J I EE P r o ce e d in g s G e n e r a t io n， T r a n s mis s io n a n d Dis t ri b u t io n， 2 0 0 2， 1 4 9 ( 4) ： 3 8 93 9 6 7 黄志刚， 邬炜， 韩英铎 基于同步相量测量的电压稳定评估算法 J 电力系统 自 动化， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 8 3 3 Hu an g Zh i g a n g，W u W e i，Han Yin g d u o An Alg o r t h m for Vo lt a g e S t a b ilit y A s s e s s me n t B a s e d o n S y n ch r o n i z e d P h aso r Me a s u r e me n t J A u t o ma t i o n o f E l e ct ric P o w e r S y s t e ms ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 83 3 8 “ u C W， C h a n g C C ， S u M C N e u re f u z z y n e t w o r k s fo r v o lt ag e s e - cu r i t y m o n i t o rin g b ase d o n s y n ch r o n i z e d p h a s o r m e asu r e me n t s J I E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e ms ， 1 9 9 8 ，1 3 ( 2 ) ： 3 2 6 3 3 2 9 R e h t a n z C，B e r t s ch J Wi d e a r e a me a s u r e me n t and p r o t e ct i o n s y s t e m fo r e m e r g e n cy v o l t a g e s t a b i l i t y co n t r o l C I E E E P o w e r E n g in e e rin g S o ci e t y W in t e r Me e t in g ，2 0 0 2，2：8 4 28 4 7 1 0 L a r s s o n M，R e h t a n z CP r e d ict i v e fr e q u e n cy s t a b i l i t y co n t r o l b ase d o n w i d e a r e a p h a s o r m e asu r e m e n t