电网谐波对变压器损耗的影响分析

电网谐波对变压器损耗的影响分析

【摘 要】变压器是电力系统中联系不同电压等级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中。研究变压器谐波损耗的计算，对变压器的经济运行、降损和节能都有重要的意义。本文对变压器谐波损耗进行了仿真，确定了变压器谐波损耗的理论依据。本文采用对比的方法，分析了变压器在线性负载和非线性负载下变压器谐波损耗的情况。

【关键词】变压器；谐波损耗；线性负载；非线性负载

引言

据统计，变压器的总损耗约占去了总发电量的8%。值得注意的是，随着电力系统谐波污染的加剧，谐波对变压器造成了许多不利的影响，尤其是增加了变压器的损耗。因此，对变压器的谐波损耗计算进行深入细致的研究，具有非常重要的现实意义。

1 谐波模型的建立

当高次谐波作用于变压器时，由于集肤效应的影响其内部参数会发生很大变化，在变压器等效模型基础上，利用叠加原理将各次谐波看成是一系列的电流源，分别叠加在变压器上，构成变压器的谐波等效模型。为了便于计算和测量，我们将一次侧电阻、电抗、激磁电阻和激磁电抗归算到二次侧，这样在计算变压器的谐波损耗时就只需测量二次侧的谐波电流，在很大程度上简化了谐波计算模型，降低了采集端的复杂程度，其等效模型如图1示：

图1 n次谐波的变压器的等效模型

其中 、 为第n次谐波作用下变次器一次侧归算到二次侧的谐波电阻和电抗， 、 为第n次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的激磁电阻和激磁电抗， 、 为第n次谐波作用下变压器二次侧绕组的电阻和电抗。

2 集夫效应原理

以变压器的等效模型参数值为基准，根据集夫效应原理，不同谐波的频率下，导体的阻抗不同，频率越高，导体的阻抗就越大。导体每个单位长度的电阻和电感计算公式为：

； ； ；

上式中：b---导体半径，mm； ——电导率，铜为 ； ——集夫深度，mm； ——工作频率，Hz； ——导体的电阻率； ——导体的绝对磁导率。

由上式可知，导体的工作频率越高，其阻抗就越高。以50Hz时的电阻和电抗为基准，各次谐波的电阻值为基准值的 倍，各次谐波电抗近似为基波值。

3 运用Matlab进行变压器谐波损耗仿真

图2 变压器谐波损耗仿真原理图

图3 电流一定且各次谐波含有率一样时变压器损耗与谐波次数的关系

图4 基波电流一定谐波含油率不一样时5次谐波下变压器损耗与谐波含有率的关系

结论：（1）电流一定时，假设各次谐波含有率一样，变压器3、5、7次变压器谐波损耗波形相似，开始时损耗振荡上升，后趋于平稳。且随着谐波次数的增加，变压器谐波损耗增加。

（2）基波电流一定时，假设谐波含有率THD（In/I1）不一样，变压器在5次谐波下不同谐波含有率时变压器谐波损耗波形相似，开始时损耗振荡上升，后趋于平稳。且随着谐波谐波含有率的增加，变压器谐波损耗增加。

4 基于试验变压器谐波损耗的计算

本文所设计的变压器谐波检测电路主要由变压器、单相调压器、负载（电子万用炉）组成。试验变压器的名牌参数为：SN=5000VA， 短路损耗：160W，空载损耗：75W，空载电流：12%， 阻抗电压：3.5%，额定电压：380/380，连接组：YYN-12，U1N=380V，U2N=380V。试验时，变压器处于非满载运行。试验中，调压器的调压范围为0V到220V之间。电子万用炉是采用可控硅电压电路调节，同时兼作电源开关，使主电炉发出不同的功率，适应不同功率加热的需要，调节旋钮的位置，确定炉面的使用功率，当旋钮右旋最大位置时，电炉呈纯电阻状态，炉面功率最大，反之则电炉呈非线性状态，炉面功率最小。

图5 试验平台整体框架

4.1 线性负载下变压器谐波损耗分析

连结好试验接线，将电子万用炉功率调到最大值，使电子万用炉处于线性负载，合上电源，调节调压器，并调节电子万用炉，记录三组数据如表1，变压器在线性负载下，谐波电流变化非常小，以至于试验测得的结果相同，不便于观察趋势，以变化较明显的7次谐波为例。根据变压器谐波损耗 及负载率 可以得到图6关系图：

表1 线性负载不同负载率试验结果

负载电流 各次谐波电流有效值（10-2A）

3 5 7 9 11 13

4A 4.0 6.0 3.6 0.8 2.8 0.8

5A 4.0 7.5 4.5 1.0 3.5 1.0

3.3A 4.3 5.0 2.3 0.8 2.3 1.1 图6

图7 变压器谐波损耗与7次谐波电流有效值的关系

图8 线性负载下总谐波损耗与负载率的关系

图9 线性负载下变压器总谐波损耗与总畸变率的关系

线性负载下变压器的谐波损耗表现出特定的特征：

（1）各次谐波产生的谐波损耗与谐波电流有效值的平方成正比。不同负载下各次谐波产生的损耗不一样，与负载率，谐波次数有关。

（2）变压器总损耗随总畸变率的增加而减少，而随负载率的增加而增大，并表现一定的饱和区。产生原因：线性负载本身不产生谐波。谐波产生的根本原因是变压器自身产生的，与铁心的饱和程度，绕组的链接方式，以及其他变压器参数有关系。

4.2 非线性负载下变压器谐波损耗分析

连结好试验接线，将电子万用炉功率调到非最大值，使电子万用炉处于非线性负载，合上电源，调节调压器，并调节电子万用炉，记录三组数据如表2，对特定的谐波，谐波电阻 一定，谐波损耗 与谐波电流的有效值的平方 成正比，以3次谐波电流为例进行分析。根据变压器谐波损耗 及负载率 可以得到图10的结果：图10 非线性负载下变压器谐波损耗与谐波次数的关系

表2 非线性负载不同负载率试验结果

负载端电流（A） 各次谐波电流有效值（A）

3 5 7 9 11 13

3.5 0.97 0.55 0.11 0.07 0.046 0.042

4.5 1.638 0.77 0.12 0.139 0.045 0.09

5.7 2.568 1.12 0.15 0.21 0.052 0.15

图11 非线性负载下变压器3次谐波损耗与谐波电流的关系

图12 非线性负载下变压器总谐波损耗与负载率的关系

图13 非线性负载下变压器总损耗与总畸变率的关系

非线性负载下变压器的谐波损耗表现出特定的特征：

（1）各次谐波产生的谐波损耗与谐波电流有效值的平方成正比。不同负载下各次谐波产生的损耗不一样，与负载率，谐波次数有关。

（2）变压器总损耗随总畸变率的增加而增大，而随负载率的增加而增大。

原因分析：非线性负载是产生谐波的主要原因。各次谐波含有率与负载性质，变压器连结方式有关。

5 结束语

电力网络日趋复杂，电网负荷非线性程度高，谐波造成的危害逐渐加大，了解谐波规律，才能有针对性的采取消除谐波污染的措施，为电网的经济运行、降损和节能奠定基础。

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