电能表谐波引起的变电站保护装置告警问题分析

广东电网有限责任公司惠州供电局 李启奕 骆光 苏贤乐

1 主变保护装置谐PT异常告警现象

某220kV 变电站#1 主变保护A 屏保护装置（型号：PCS-978）报警灯亮，低压侧一分支PT 异常，保护装置采集到低压侧一分支电压为：A 相61.15V、B 相59.29V、C 相60.05V、零序电压3.27V、外接零序电压1.92V。

一是正序电压小于30V 且任一相电流大于0.04A或开关在合位状态。

二是负序电压大于8V。

三是相电压中的3 次谐波分量超过工频分量的10%，用来检测PT的N线是否正常。

由于装置采集的电压数据显示各项电压幅值正常，实际情况明显不满足判据第一点、第二点，所以现场检查重点转为该电压是否满足判据第三点，即电压是否含有较大的谐波分量，根据录波装置采集的电压量，该电压确实有较大的谐波分量。

2 谐波告警原因分析

2.1 谐波的产生及危害

电力系统中谐波产生的根本原因是非线性负载。即当电流流经负载时，其与所加的电压不呈线性关系，因此形成非正弦电流，即电路中有谐波产生[1]。

根据法国数学家傅立叶分析原理证明，谐波频率是基波频率的整倍数，任何重复的波形都为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角，谐波可以区分为偶次与奇次性。对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波[2]。

由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备效率；谐波影响各种电气设备正常工作，对电机造成附加损耗外，还会产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，还使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏；谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确；对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信号丢失，使通信系统无法正常工作。

变电站内谐波污染问题的存在直接影响电力设备的正常工作，因此加强对变电站内谐波防治的研究尤为重要。

2.2 谐波告警原因分析

主变保护装置出现PT异常告警，根据实测的数据初步分析是PT回路存在相应的谐波分量并超过装置的判断阈值。电压谐波数据I 如图1所示。由图1可知，电压波形畸变严重，含有较大谐波，数据显示3次谐波分量约为11.55%。

图1 电压谐波数据I

变电站的母线PT是用来测量母线电压的一种测量设备，通常二次侧具有多组二次输出绕组，分别带有各种二次设备的负载，保护装置、测控装置、计量装置等二次设备并接于相应的二次绕组。此次PT出现谐波异常告警现场排查方向是分别从一次侧二次侧着手，由于10kV 系统一次侧电压没有发生畸变，220kV、110kV 系统电压波形均正常，而10kV系统接近空载，所带一次设备元件少，负荷很小，所以10kV系统一次侧电压畸变的可能性不大，而10kV PT 二次电压发生畸变，因此首要是从PT的二次负载出发。

由测量的数据可知，该变电站谐波异常告警是近期才出现的现象，应优先考虑近期变电站的二次设备有无变更情况，经查询变电站的工作记录，发现该变电站近期有进行电能表批量更换的记录，且更换的时间节点正好是主变保护出现PT异常告警的时间点，因此工作人员排查的重点是电能表。工作人员现场排查分析的思路是通过排除法判别是否由该设备引起或产生异常警报，逐个拆除10kV 电能表确定是否为电能表引起异常警报。

试验发现每拆除一个电能表，谐波分量就相应地减少，拆除4 个电能表后，3 次谐波分量为10.4%，拆除8个电能表后，3次谐波分量为9.5%。

电压谐波数据II如图2所示。由图2可知，引起10kV PT 二次电压谐波异常原因之一是电能表，且累加效果呈线性。该型号的电能表在二次电压回路产生3 次谐波电压干扰，且谐波强度与所带电能表数量成正比，当3 次谐波电压分量达到10%，就被带有谐波检测的主变低压侧保护装置感应到，触发PT异常告警，影响保护正确动作。

图2 电压谐波数据II

3 电能表引起的谐波原因及解决方案

3.1 电能表引起的谐波原因

为进一步分析电能表引起谐波的原因，现场通过三相电能表现场校验仪检测每只电能表对谐波的影响，经测试每只该型号电能表对3 次谐波会有约0.2%～0.4%的波动，其他厂家的电能表影响在0.15%左右，个别电能表基本无影响。

现场测试是通过断开电能表的电压来测试电能表对电压回路的影响，平均每只电能表对3 次谐波影响值为0.23。现场同时还进行了另外一组PT的测试，在另外一组PT二次负载下，平均每只电能表对3 次谐波影响值为0.45，在接不同PT 的情况下，每只电能表对谐波产生了不同的影响。

电压回路的3次谐波下降测试情况如表1所示。

表1 3次谐波下降测试情况

断开电能表谐波测量情况如图3所示。现场变电站异常支路PT 共接入26 只该型号规格三相多功能电能表，为进一步判断电能表是否为谐波源，工作人员在试验室校验台体挂表24块进行测试，与现场电能表同型号同规格，电压谐波分量实测为0.06%，与现场实测11.55%谐波不符，相差巨大。

图3 断开电能表谐波测量情况

经过现场测试，在相同条件下（同一厂家，同一型号规格、同一批次电能表），每个电能表在不同PT 负载下对谐波产生了不同的影响，谐波分量平均值相差约一倍，可排除电能表本身是谐波源。

PT为感性元件，当负载为非线性负载且回路当中含有一定的谐波分量时，两者会产生性能叠加。变电站电能表为经母线电压PT接入的接线方式，该型号的电能表采用了线性电源，即内部采用变压器实现电压转换，变压器初级线圈如同一电感，即26台电能表作为感性负载接入PT，产生一定的叠加效果。

当电表累积到一定数量，其影响较大，加上基础谐波含量，有可能超出10%阈值而造成报警。采用开关电源方案的其他型号电能表在电源接入电路较线性电源多了X2 电容，而X2 电容对谐波有一定的抑制作用，所以影响较小。

三相多功能电能表技术规范等现行的规范制度中，针对电能表谐波方面的指标没有明确的规定，根据国标检定规程该型号批次电能表经现场检验为合格。在此情况下，无法定义该型号批次电能表为不合格设备或是质量问题而进一步对该批次电能表进行处理，对于电能表谐波引起的变电站保护装置告警问题需进一步研究解决方案。

3.2 解决方案

3.2.1 方案一

对于此问题，建议在电能表进线侧的电压线路上，并接RC 滤波以减小线路上的谐波分量，并接RC滤波电路原理如图4所示。

图4 并接RC滤波电路原理

目前，已经通过滤波器验证，确定对目前的谐波情况有所改善，同时不会对电能表的计量性能及整体供电线路产生负面影响。

3.2.2 方案二

在PT开口三角电压二次回路上进行并接钨丝灯泡（额定功率95W）进行消谐处理，电压3 次谐波占比明显下降，主变保护PT异常告警信号复归。

3.2.3 方案三

由于PT为感性元件，当负载为非线性负载且回路当中含有一定的谐波分量时，两者会产生性能叠加，电能表非谐波源但对谐波有一定的放大影响，因此减少在同一个PT二次负载下的电能表数量也可减少谐波分量。

4 结语

变电站二次回路点多面广，所涉及的二次设备繁多，变电站主变保护装置出现PT 异常告警，排查过程非常烦琐，费时费力。此次经过一系列的分析排查，判断由某型号电能表使用的线性电源引起的相电压中3 次谐波分量超过工频分量的10%报警，从继电保护、电路理论等基本原理出发，分析形成了该问题的原因，经过现场测试试验并提出解决方案，以期给后续同类问题的处理提供参考。