［摘 要］ 随着工业技术的迅猛发展，电力系统中的非线性负荷明显增多，由其产生的高次谐波的危害问题也日益突出。本文阐述了电力系统谐波对电磁式继电器、整流型继电器、微机型继电器及各种自动装置的影响及防止措施，又对微机保护借助硬件（有源滤波器）和软件（数字滤波器），清除电力系统高次谐波分量进行了阐述。
　　
　　1 谐波的产生和危害
　　谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。
　　
　　1.1高次谐波的产生
　　随着工业技术的迅猛发展，电力系统中的非线性负荷明显增多，因而高次谐波的危害问题也日益突出，其中包括：
　　(1)各种阀型换流设备（如电气化铁道机车）。
　　2001年西北电研院在安康地区几个带有牵引负荷出线的变电站，进行了谐波分量及负序分量的现场测试，结果表明安康电网由电气机车负荷产生的三、五次谐波电流含量超标。
　　(2)耗用电弧能的设备（电弧炼钢炉和电焊设备等）。
　　(3)铁磁性设备（电力变压器、电抗器等）。
　　(4)其它（电解设备和某些家用电器等）。
　　
　　1.2高次谐波的主要危害
　　(1)加强绝缘劣化，缩短电气设备寿命。
　　(2)增加维修工作量。
　　(3)增多电网损耗。
　　(4)产生干扰使保护及自动装置误动。
　　(5)使计量器件产生误差。
　　(6)对无线电通讯系统造成干扰。
　　2 谐波对继电保护和自动装置的影响
　　2.1继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件
　　使得继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件可以列出以下七条，其中第1和第2条之一是必须具备的。
　　(1)在电气距离上接近大的谐波源。
　　(2)安装地点存在谐波严重放大或接近谐波谐振条件。
　　(3)装置的动作整定值很小，例如接在差动电路、零序电路或负序电路上。
　　(4)装置的元件或动作原理对谐波敏感，例如采用晶体管继电器、半波比相判断的方式、依靠检出过零点等等。
　　(5)谐波损伤了装置的某个部分，例如使动作接点粘连，导致误动。
　　(6)安装地点的短路容量太小，例如在海上油井平台上、自备机组成孤立网运行等。
　　(7)尚有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生。
　　
　　2.2 高次谐波对各种类型继电保护的影响：
　　
　　2.2.1谐波对电磁继电器的影响
　　(1)DL-11型电流继电器是常用的电流保护元件，在不同频率下其动作是反映通入电流有效值的平方，当有谐波电流时，电流的有效值是：
　　
　　 其中I1，I2 ……In分别为基波和各次谐波的有效值。
　　经试验，在不同频率下DL-11电流继电器，动作电流时误差很小。试验结果见表1
　　表1 DL-11电流继电器在各次谐波下的动作电流
　　 基波 2次 3次 4次 5次 6次 7次
　　动作值(A) 1.5 1.51 1.51 1.52 1.52 1.52 1.53
　　
　　当在基波上叠加30%不同相角的3次谐波时，动作值则如表2。
　　表2 叠加30%不同相角的3次谐波下的动作电流
　　相位角(度) 0° 60° 30° -30°
　　动作值(A) 1.52 1.47 1.51 1.47
　　 显然，当继电器的电流含有谐波时，按基波整定的电磁型继电器在谐波作用下也能启动。
　　(2)电磁型电压继电器的动作还与流过其线圈的电流有效值平方成比例。线圈匝数很多，阻抗分量很大，其阻抗看作为R+jωL。因对不同频率而言，ωL也不同，高次谐波使动作值增大的原因是线圈阻抗增大。当含有谐波的电压接入继电器时，动作值误差一般为正误差，低压继电器这时很容易动作。
　　 电磁型继电器的动作速度较慢，对定值误差也要求不高，在谐波含量小于10%时，谐波对其影响不太大。但是，在谐波含量很大并且各次谐波衰减又较慢的场合，电磁型继电器误动也会造成大的系统事故。
　　
　　2.2.2谐波对整流型继电器的影响
　　整流型距离保护装置（如LH-21型）的振荡闭锁经常动作，产生这些现象的原因是利用负序滤波器将三相电流转变为单项电压（正比于负序电流），该滤序器由接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器构成（如图1）。当系统电流中含有谐波，并且三相谐波并不相等也不对称时，负序滤波器就有很大的谐波输出，加之裂相回路对谐波的进一步放大作用，使整流出的直流脉动很大，因而使保护误启动。
　　
　　图1 负序滤波器
　　2.2.3谐波对计算机产生影响的可能途径有二:(1)电源供给系统；(2)计算机的模拟量输入回路。
　　 当模拟量的输入回路含有谐波时，将影响计算机的正常工作，所以在测量和控制用的计算机系统均毫无例外地在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器，以抑制谐波，增加有用信号与干扰信号之比。
　　
　　2.2.4谐波对距离保护的影响
　　距离保护装置中的测距元件，通常按线路的基波阻抗整定。在故障情况下，当有谐波电流时（特别是三次谐波），所测的阻抗相对于基波阻抗值可能会有相当大的误差。因而当故障电流流经高阻性的阻抗接地时，接地阻抗将是主要的。如果电流中谐波分量较大，应采取滤波措施，否则造成继电器误动的可能性很大。通过试验，谐波含量在5%以下，则谐波对继电器的影响不大。
　　
　　2.2.5谐波会引起故障录波器误启动、频率仪测试不准，准同期装置合闸误差角超过允许值等自动装置的误动。
　　3 继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施
　　 评价保护继电保护性能时通常使用三个指标：灵敏度、选择性、速动性。导致这些性能恶化的主要原因之一，就是输入电流和电压的波形产生畸变。
　　
　　3.1继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施
　　3.1.1采用按基波动作的回路。
　　 采用滤波器是将直流分量和高次谐波分量滤掉，剩下的基波分量在检测回路里进行检测。
　　(1)使用共振型电流互感器的带通滤波器。
　　 (2)使用运算放大器的带通滤波器，由于它具有体积小和精确度高的优点，现在已广泛使用。
　　 3.1.2使用限时回路。
　　 3.1.3检测畸变波形的正负非对称性。
　　
　　 3.2谐波的运用
　　 3.2.1变压器差动保护利用二次谐波。
　　 变压器励涌流中的高次谐波成分很大，并以二次谐波为主。所以开发了具有利用二次谐波制动的变压器差动继电器，二次谐波越大，继电器的制动特性越强，故可防止励磁涌流引起的误动作。
　　3.3.3利用三次谐波电压构成100%定子接地保护。
　　 利用三次谐波电势构成的定子接地保护，用以消除基波零序电压元件保护不到的死区。
　　
　　4微机保护采用抑制谐波的措施
　　
　　 微机保护借助硬件（有源滤波器）和软件（数字滤波器），清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据，可进行高精度的各种保护运算。
　　 数字滤波用软件实现，因此不受外界环境（如温度）的影响，可靠性高，具有高度的规范性。它不像模拟滤波器那样会因元件的差异而影响滤波效果，也不存在元件老化和负载阻抗匹配问题。另外，数字滤波器还具有高度的灵活性，当需要改变滤波器的性能时，只需重新编程即可。
　　
　　4.1微机保护的基本构成（如图2所示）
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2 微机保护的基本构成
　　 微机保护从系统引入电流和电压二次，借助内装的中间变换器，将它们转换为适合于用电子回路进行处理的大小，接着用滤波器使输入电流和电压里的谐波分量和直流分量衰减，再在模数转换部分进行模/数转换。然后在数字运算处理部分用数字化的数据进行保护运算，最后向外部输出信号。
　　
　　 4.2数字信号处理的基本组成
　　 此系统先把模拟信号变换为数字信号，然后用数字技术进行处理 ，最后再还原成模拟信号。这一系统的方框图见图3所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图4表示了框图中的各有关信号波形，输入模拟信号χa（t）（见图4（a））先经过前置预滤波器，作用是将输入信号χa（t）中高于某一频率（称折叠频率，等于抽样频率的一半）的分量加以滤除，然后在模拟-数字变换器（A/D变换器）中每隔T秒（抽样周期）取出一次χa（t）的幅度，抽样后的信号称为离散时间信号，它只表示一些离散时间点O，T，2T，…nT，…上的信号值χa（O），χa（T），…，χa（nT），…，如图4（b）所示，抽样过程即是对模拟信号的时间量化的过程。随之在A/D变换器的保持电路中将抽样信号进一步变换成数字信号，一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有一定限制的，例如4位码，只能表示16种不同的信号幅度，把这些幅度称为量化电平，当离散时间信号幅度与量
　　
　　
　　化电平不相同时，就要以最接近的一个量化电平来近似它。所以经A/D变换器后，不但时间量化了，而且幅度也量化了，这种信号就被称为数字信号，它是数的序列，每个数则用有限个二进制数码来表示（如图4（c）所示），我们用χ（n）来代表输入数字化后的序列，自变量n是整型变量，它表示这个数在序列中的次序，为了形象起见，用一个垂直线段来表示其数值大小，如图4（d）所示。随后，数字信号序列通过数字信号处理系统的核心部分，即数字信号处理器，按照预定的要求，在处理器中将信号序列χ（n）进行加工处理，得到输出数字信号y（n）（如图4（e）所示）。再后，y（n）通过数字模拟（D/A）变换器，将数字序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点O，T，2T，…，nT，…上的幅度应等于序列y（n）中相应数码所代表的数值大小。最后还要通过一个模拟滤波器，以滤除掉不需要的高频分量，平滑成所需的模拟输出信号Ya（t），如图4（f）所示。
　　
　　5 结束语
　　 抑制谐波的真实物理意义是将谐波具有的能量尽可能的用一个装置吸收，不让谐波进入系统或只有很少量的进入系统。最好在谐波源就地安装滤波装置，以减少谐波对电网的影响。
　　电网中应合理利用各站的补偿电容器组，采取适当串联5%~6%电抗器，选择重要变电站进行安装相控电抗型动态无功补偿装置（简称SVC），改善供电系统的稳定性，抑制系统过电压和改善其动态特性，抑制谐波、提高负荷的功率因素，快速无功调节，抑制电压闪变，解决电网负荷不对称等问题。
　　 继电保护和自动装置应合理利用硬件滤波器和数字滤波软件，对进入TA、TV二次侧的谐波量进行滤波处理，来预防谐波的干扰使其稳定、可靠的运行。