Вплив гармонік на пристрої захисту в енергосистемах

Гармоніки можуть порушувати роботу пристроїв захисту або погіршувати їх характеристики. Характер порушення залежить від принципу роботи пристрою. Цифрові реле і алгоритми, засновані на аналізі вибірки даних або точки перетину нуля особливо чутливі до гармонік.

В більшості випадків зміни характеристик неістотні. Випробування показали, що більшість типів реле нормально працюють при коефіцієнті спотворення до 20 %. Проте збільшення частки потужних перетворювачів в мережах може в майбутньому змінити ситуацію.

Проблеми, що виникають через гармоніки, різні для нормальних і аварійних режимів які розглянені нижче.

Вплив гармонік в аварійних режимах. Пристрої захисту зазвичай реагують на напругу або струм основної частоти, а всі гармоніки в перехідному режимі або фільтруються, або не впливають на пристрій. Останнє характерне для електромеханічних реле, особливо використовуваних в максимальному струмовому захисті. Ці реле мають велику інерцію, що робить їх практично нечутливими до вищих гармонік.

Більш істотним являється вплив гармонік на роботу захисту, заснованого на вимірюванні опорів. Дистанційний захист, заснований на вимірюванні опорів на основній частоті, може давати істотні помилки у разі наявності в струмі КЗ вищих гармонік (особливо 3-го порядку). Велика кількість гармонік зазвичай спостерігається у випадках, коли струм КЗ тече через землю (опір землі домінує в загальному опорі контура). Якщо гармоніки не фільтруються, вірогідність помилкової роботи вельми велика.

У разі металевого КЗ в струмі і напрузі переважає основна частота. Проте у зв'язку з насиченням трансформатора струму виникає вторинне спотворення кривої, особливо у разі великої аперіодичної складової в первинному струмі. У цих випадках також виникають проблеми забезпечення нормальної роботи захисту.

У сталих режимах роботи нелінійність, пов'язана з перезбудженням трансформатора струму, викликає тільки гармоніки непарного порядку. У перехідних режимах можуть виникнути будь-які гармоніки, та найбільші амплітуди мають зазвичай друга і третя.

На щастя, всі ці проблеми є проблемами правильного проектування. Правильний вибір устаткування усуває безліч труднощів, пов'язаних з вимірювальними трансформаторами.

Фільтрація гармонік, особливо в цифрових захистах, найбільш важлива для дистанційного захисту. Ряд робіт, виконаних в області цифрових способів фільтрації, показали, що хоча алгоритми такої фільтрації частот достатньо складні, отримання потрібного результату не представляє особливих труднощів.

Вплив гармонік на системи захисту в нормальних режимах роботи електричних мереж.Низька чутливість пристроїв захисту до параметрів режиму в нормальних умовах обумовлює практичну відсутність проблем, пов'язаних з гармоніками в цих режимах. Виняток становить проблема, обумовлена включенням в мережу потужних трансформаторів, яке супроводжується кидком струму намагнічення. На практиці високий вміст вищих гармонік в струмі намагнічення трансформатора, в більшості випадків використовується для блокування відключення високовольтних вимикачів захистом трансформатора, не дивлячись на виключно високий пік струму намагнічення.

Амплітуда струму залежить від індуктивності трансформатора, опору обмотки і моменту часу, в який відбувається включення. Залишковий потік в повітряному зазорі в момент перед включенням декілька збільшує або зменшує труднощі залежно від полярності потоку по відношенню до початкового значення миттєвої напруги. Оскільки струм у вторинній обмотці під час намагнічення відсутній, великий первинний струм може викликати помилкове спрацьовування диференціального захисту.

Найбільш простим способом є використання затримки часу, проте це може привести до серйозного пошкодження трансформатора, якщо аварія відбудеться під час його включення. На практиці нехарактерну для мереж другу гармоніку, присутню в струмі включення, використовують для блокування захисту, хоча захист залишається достатньо чутливим до внутрішніх пошкоджень трансформатора під час включення.