變壓器諧波分析

1、變壓器諧波分析摘要：本文對變壓器的非線性特征進行了分析，說明對電力系統(tǒng)中所 有非線性負載產(chǎn)生諧波的必然性，提出了抑制和消除諧波影響的基本 途徑。關鍵詞：諧波、危害、抑制1、刖目隨著大量非線性的電力電子裝置如電力變壓器等應用于電力系統(tǒng)， 交流電流將成為含有高次諧波的畸變電流，這些高次諧波電流流過電 源和系統(tǒng)的電抗時，使供電電壓波形發(fā)生畸變。諧波是污染電力系統(tǒng) 的公害，正如環(huán)境污染一樣，影響廣泛而深遠，若不在電力電子裝置 廣泛應用之際采取存效對策，后果是嚴重的。2、變壓器非線性勵磁特性及諧波的產(chǎn)生電力系統(tǒng)中的諧波源，除了現(xiàn)代最主要的靜止型變流器外，迄今 廣泛使用的變壓器，也是一種不可忽視的諧波源。

2、這種波形畸變主要 與變壓器的設計及運行有關，也來自電力變壓器的勵磁電流?，F(xiàn)將變壓器諧波的產(chǎn)生分析如下：根據(jù)變壓器的工作原理，當忽略繞組的電阻和漏抗（因變壓器兩個 繞組的耦合十分緊密，耦合系數(shù)k=l，即無漏磁通），原邊電壓人與電 動勢么的瞬時方程式為仏= -emsnwt = ackp/dt.式中心電 動勢q的最大值;w為正弦電動勢角頻率;乂為變壓器原邊繞組的匝數(shù)； 0中為鐵芯中的主磁通。由此可得主磁通的表達式：o = - /-dt=-coswt = coswt,式中為主磁通的最大值。上式表明在空載時原邊正弦電壓產(chǎn)生正弦磁通。然而由于磁通與勵磁電流 是非線性關系，所以原邊電流并不是純正弦波。磁通0

3、和產(chǎn)生它的勵磁電流i是用鐵芯的磁化曲線來表征。由鋼 片疊成的沒有磁滯損耗的理想鐵芯的磁化曲線如圖1(a)所示,當原邊 電壓為正弦波,0為正弦波，而勵磁電流為如圖l(b )所示的尖頂波，其 中含有主要的是三次諧波，還有其它高次諧波。1變壓器的磁化曲線(尤磁滯)此勵磁電流為非正弦周期電流，其傅立葉級數(shù)表達式為 -y2irsinwt + v2/3 sin(3wt + 180°) +式中込表示基波電流的有 效值;/3表示三次諧波電流的有效值。當勵磁電流為正弦波且電流的振幅足夠大使其相應的磁通峰值達 到飽和，則用上述類似作圖方法可得到鐵芯中的主磁通波為平頂波，其 中主要含有三次諧波及其它高次諧

4、波，其傅立葉級數(shù)表達式為:+ 3msinwt + 式中巾m為基波磁通的振幅；中3m為三次諧波的振幅?？紤]到鐵芯磁滯的特性，磁滯曲線的上升段對應于磁通波形的上 升部分，而回環(huán)的下降段則對應于磁通波形的下降部分，于是非正弦 的勵磁電流將不再與其最大值相對稱，如圖2所示。閣2變壓器的磁曲線uf磁滯圖1和圖2中的勵磁電流波形的畸變,主要是由三倍次諧波引起, 特別是三次諧波。可見變壓器非線性的勵磁特性是電力系統(tǒng)中的一種 諧波源。3、變壓器諧波的危害諧波電壓可使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，使絕緣材料的應力 增加。諧波電流使變壓器產(chǎn)生附加銅耗及相應的鐵耗,其附加損耗可 用下式表示= 3sn=2/nnr式中為

5、通過變壓器的n次諧波 電流；為變壓器短路電阻。為計及集膚效應及鄰近效應時短路 電阻增加的影響系數(shù)，一般電力變壓器，當諧波次數(shù)n分別為5、7、 11、13 時，k5t =2.1, k7t=2.5, k11t=3.2, k13t=3.7。諧波電壓還 會使變壓器勵磁電流增大，效率降低,并惡化了功率因數(shù)。對于變壓器 用變壓器，這種影響更為突出，因為濾波器一般裝在交流側，不能消除 這種影響，除需要增加變壓器容最外，在變流器用變壓器汕箱上還經(jīng)常 出現(xiàn)一些過熱點。變壓器副邊輸出諧波電壓使輸電線路熱損耗增加，絕緣老化，壽命 縮短;據(jù)存關部門試驗,相同的電纜敷設條件，若通過一般的工頻電流, 其使用壽命為25年，

6、而含有高次諧波的非正弦電流，其使用壽命則只 有9年。高次諧波對繼電器的運行也有較大影響，使繼電保護裝置和 自動化裝置動作不穩(wěn)定，甚至發(fā)生誤動或拒動造成嚴重后果。諧波電 壓還會使計算機中的數(shù)據(jù)傳輸和處理帶來嚴重影響，特別是運算速度 快的計算機產(chǎn)生誤動作,使正常工作程序遭到破壞。據(jù)有關資料介紹， 由于供電系統(tǒng)高次諧波的干擾，致使信息機不能正常工作的比例約為 88.5%。因此對供電質量提出了新的要求，除保證電壓和頻率的質量外, 還規(guī)定較嚴格的諧波含量標準。另外高次諧波電流還對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生 聲波干擾。4、變壓器諧波的抑制由于變壓器本身的非線性特性產(chǎn)生諧波，而變壓器又是電力系統(tǒng) 使用最廣泛的，幾乎絕大部

7、分有供電的地方，就必然有變壓器,所以必 須重視這種諧波的污染，這對改善電力系統(tǒng)的供電質量和確保安全經(jīng) 濟運行是十分必要的。一般來說電力系統(tǒng)抑制和消除諧波的影響基本上存兩種途徑：(i)從改變非線性負荷本身性能考慮，減少它們注入系統(tǒng)中的諧波電 流或是與非線性負荷并聯(lián)適當?shù)难a償裝置，使它們的電流和負荷電流 互相補償，從而使從系統(tǒng)吸收的總電流和系統(tǒng)的電源電壓波形一致。 也可以向非線性負荷的電源變壓器注入諧波電流來抵消注入系統(tǒng)的 諧波電流。(2)不改變注入系統(tǒng)的諧波電流的大小，而只是設法改變諧波電流的流向來消除和防止諧波的影響，例如適當?shù)嘏渲秒娏﹄娙萜鹘M或者 改變電力電容器組的配置點，從而使諧波電流流經(jīng)

8、危害較小的路徑;或 者使電容器容抗與電網(wǎng)感抗所組成的等效電路的諧振自然頻率改變， 避開與變壓器諧波電流的諧振;再如在變壓器供給易受諧波影響的用 電設備的進口處并聯(lián)濾波器，使得諧波在電源入口處被旁路。還可以 利用變壓器繞組的接線方式來抑制諧波,考慮到對稱三相非正弦波中 的三倍次諧波分量的相位均相同，故通常將三相變壓器原邊或副邊的 任何一個繞組聯(lián)接成三角形，給三倍次諧波提供通路以抑制嚴重影響 電壓波形的三倍次諧波。5、結束語本文對變壓器的非線性特征進行了分析，說明了對電力系統(tǒng)中所 有非線性負荷產(chǎn)生諧波的必然性,并指出諧波電流及電網(wǎng)電壓畸變的 危害，提出了抑制和消除變壓器諧波最基本的途徑。又由于在設計各種電氣設備時，一般都假定電源