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電力系統中諧波對繼電保護的影響

發布時間:2012-06-07 09:21所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

在我國經濟社會快速發展的大形勢下,企業和居民對電力的需求越來越大,安全用電顯得更加重要,如果發生大面積停電的突然事件,會造成巨大的經濟損

  不斷發展的電力系統以及出現的新型電氣設備,生產生活中越來越多的非線性負荷與電網接軌。它們在電網中產生了大量的諧波,對電網設備和系統產生了嚴重的危害,降低了電能質量,使經濟效益受損,在高壓直流輸電的應用中,電力系統諧波的問題尤為突出。系統波形的諧波分量在電力系統發生短路故障時,或者電氣設備運行在非正常工作狀態下時將進一步增大。諧波會加快電力設備損耗,導致電線絕緣老化,最終可能使絕緣擊穿,設備損壞;受它的干擾,繼電保護和自動裝置也會產生誤動或拒動,發生故障,無法保護電力系統的安全穩定運行。所以,了解諧波對繼電保護及自動裝置的影響,最大限度地抑制其影響,十分重要。

  二、諧波的概述

  (一)電力系統中的諧波

  “諧波”即harmonic wavelength一詞起源于聲學,以下簡稱(HW)。在國際標準電工定義中,HW是一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波的整數倍。近年來,一些學者又將不是基波整數倍頻率的分量定義為分數HW,或稱為間HW,而將頻率低于工頻的間HW又定義為次HW。但在本文中,主要討論的是基波整數倍的HW,其它HW不作分析。在電力系統中,HW產生的根本原因是由于非線性負載所致。目前由于大量非線性負荷的接入電力系統,例如可控硅整流裝置、電弧設備、電氣化機車、辦公電子設備等,當這些設備連入電網后,將使系統中的電壓、電流產生高次HW。這些HW的出現將使電能質量嚴重惡化,危及電力系統安全和經濟運行,并影響某些用戶的正常生產。目前國際上公認,HW的“污染”是電力系統的公害。

  (二)繼電保護的重要作用

  一旦電網中的發電機、變壓器、輸電線路等設備發生故障,繼電保護裝置就會自動啟用,如果設備出現問題是短暫的,切除故障,重合后繼續供電,維持電網安全、穩定運行,如果設備出現問題是持續的,切除故障后,采取一定措施繼續供電,仍能維持電網安全、穩定運行。因此,繼電保護在保障電力設備和電力系統安全運行上發揮著重要作用。我們必須發揮好繼電保護作用,管理好繼電保護設備,提高繼電保護質量。

  三、諧波對繼電保護的影響

  (一)諧波對電磁型繼電器的影響

  當HW含量小于百分之四十時,它的整定值誤差將不會大于百分之十,可是由于繼電保護裝置是按基波電壓或電流整定的,所以在非靜態的狀況下會產生一定的影響。HW存在時,對電流繼電器而言將引起保護拒動,當含有HW的畸變電壓作用于繼電器時,電壓繼電器的動作值總是比基波時的整定值偏高很多,所以對欠電壓繼電器可能會誤動,對過電壓繼電器卻又可能會拒動。特別是在投切空載變壓器時會產生HW含量很高的勵磁涌流,高次HW分量(主要是兩次HW)會造成繼電器誤動導致斷路器立即跳閘。

  (二)諧波對感應型繼電器的影響

  在磁場的作用下,感應型繼電器中的圓盤或圓筒都將產生感應電流,這種電流和空間中另一磁場相互作用產生電磁轉矩,導致圓盤或圓筒轉動。該類型的繼電器的可動部分慣性較大,動作速度慢,HW轉矩對其影響并不嚴重。據有關專家的測算顯示,受畸變電流中的HW分量在繼電器磁盤上產生了附加轉矩的影響,繼電器的起動靈敏度隨著輸入電流的頻率由五十赫茲增加到二百五十赫茲時將逐漸變動,尤其是三次HW和五次HW電流所產生的轉矩對繼電器的靈敏度影響比較大,這是因為畸變電流產生作用在繼電器磁盤上的轉矩等于該電流中基波分量和各次HW分量產生的轉矩總和。因為HW電流分量產生的轉矩可正可負,所以繼電器可能產生誤動也可能產生拒動,各同次頻率HW間的相位差以及HW分量的有效值決定了它的后果。

  (三)諧波對整流型繼電器的影響

  整流型繼電器的主要特點是將輸入交流量進行整流,或者將幾個輸入交流量組合后進行整流,繼電器的動作特性取決于整流后的電壓信號(或電流信號)及其動作判據。基本上每隔兩∏/n時有凹點(或凸點)出現,而且HW含量越大,凹凸越厲害。以兩個電氣量的環形整流比相器回路構成的方向阻抗繼電器為例。進行分析當電流回路中含有HW分量時,其動作特性不再是一個圓,而是呈現為一個不規則的封閉曲線有,許多凹凸不平點。在某些情況下,如輸電線路發生接地短路時,由于電流中HW分量比較大,導致整流型保護裝置拒動。主要是因為在電流回路通入含有HW分量的電流時,環形整流比相器輸出的交流分量增大,從而造成繼電器動作特性破損不光滑。因此在設計這些繼電器時必須考慮到HW的影響。

  四、電力系統中諧波的消除方法

  (一)限制諧波振蕩過電壓產生

  對這個問題,可以從兩個方向加以解決,限制電網中HW振波過電壓,一方面在零序回路里增加阻尼,限制HW振的產生和發展,另一方面設法改變互感器的感抗或電網對地容抗,避免匹配成HW振參數。具體來講,主要有六種設計方式:一是在互感器開口三角繞組端口接阻尼電阻或消HW裝置;二是增加電網對地電容;三是電壓互感器高壓側中性點經電阻接地或經大電容接地;四是選用性能好的電磁式電壓互感器,或改用電容式電壓互感器;五是電壓互感器中性點不接地;六是電網中性點經消弧線圈接地。上面的這些設計各有特點,但從經濟性、可靠性、使用效果和使用時是否方便等方面考慮,在互感器開口三角繞組端口接阻尼電阻或消HW裝置具有其它方法無法比擬的優勢。

  (二)互感器開口三角繞組端設置消諧裝置

  通過瞬間斷續觸發接在電壓互感器開口的雙向可控硅,瞬間斷續短接電壓互感器開口三角,利用系統自身的零序電壓、零序電阻增加諧振回路阻尼、釋放HW振能量。事實上,在電壓互感器開口三角繞組端口接阻尼電阻消HW時,外接阻尼電阻越小消HW效果越好。為零時,效果最佳,雙向控硅瞬間斷續短接,就相當于外接阻尼電阻等于零,還不影響其它自動檢測裝置和繼電器的工作。這種裝置在實踐應用中,可以使電流系統多頻率HW振問題得到比較好的解決。能及時檢測到HW并消除,同時分辨出HW振的頻率:可以區分HW振與電網接地故障;不影響其它自動化裝置和繼電器的正常工作;設置簡單方便,安全可靠,且不涉及電網一次設備;在無人值守的綜合自動化變電站也適用。

  結語

  隨著越來越多的電力電子設備應用于配電系統中,其給配電系統帶來的不良的影響,尤其是對繼電保護的影響和可能產生的HW諧振、HW放大現象,必然會引起相關技術領域人員越來越多的關注;除此以外,在配電系統中的任何一種“改變”,如加裝用于提高供、配電電能質量的電力電子設備等,都會或多或少的改變系統的阻抗結構,從而引起電壓、電流及等效阻抗的變化,因此,對繼電保護本身而言,其動作性能應該不受外界干擾,且其自身具備正確區分正常、故障及不正常運行狀態的能力,這也是一種必然的發展趨勢。

  參考文獻

  [1]張明,畢鵬翔,劉健.配電系統電壓穩定性的研究【J】電力建設,2010,23(10):41~43

  [2]羅毅,涂光瑜.配電系統電壓跌落問題的研究【J】繼電器,2010,31(10):56~62


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