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(jìn)行了分析，說明對電力系統(tǒng)中所 有非線性負(fù)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(guān)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(yīng)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(yuǎn)，若不在電力電子裝置 廣泛應(yīng)用之際采取存效對策，后果是嚴(yán)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(shè)計及運(yùn)行有關(guān)，也來自電力變壓器的勵磁電流。現(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(dāng)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(dá)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(guān)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(dāng)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(dá)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(dāng)勵磁電流為正弦波且電流的振幅足夠大使其相應(yīng)的磁通峰值達(dá) 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(dá)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(yīng)于磁通波形的上 升部分，而回環(huán)的下降段則對應(yīng)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?？梢娮儔浩鞣蔷€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(yīng)力 增加。諧波電流使變壓器產(chǎn)生附加銅耗及相應(yīng)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(yīng)及鄰近效應(yīng)時短路 電阻增加的影響系數(shù)，一般電力變壓器，當(dāng)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(cè)，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(guān)部門試驗,相同的電纜敷設(shè)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(yùn)行也有較大影響，使繼電保護(hù)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(yán)重后果。諧波電 壓還會使計算機(jī)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理帶來嚴(yán)重影響，特別是運(yùn)算速度 快的計算機(jī)產(chǎn)生誤動作,使正常工作程序遭到破壞。據(jù)有關(guān)資料介紹， 由于供電系統(tǒng)高次諧波的干擾，致使信息機(jī)不能正常工作的比例約為 88.5%。因此對供電質(zhì)量提出了新的要求，除保證電壓和頻率的質(zhì)量外, 還規(guī)定較嚴(yán)格的諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。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(zhì)量和確保安全經(jīng) 濟(jì)運(yùn)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(fù)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(fù)荷并聯(lián)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置，使它們的電流和負(fù)荷電流 互相補(bǔ)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(fù)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(shè)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(dāng)?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(shè)備的進(jìn)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(yán)重影響 電壓波形的三倍次諧波。5、結(jié)束語本文對變壓器的非線性特征進(jìn)行了分析，說明了對電力系統(tǒng)中所 有非線性負(fù)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(shè)計各種電氣設(shè)備時，一般都假定電源