本科毕业论文--基于谐波条件下变压器的损耗研究.docx

学号 2012040211026 密级_ _武汉东湖学院本科毕业论文基于谐波条件下变压器的损耗研究 院（系）名 称 ：机电工程学院 专 业 名 称 ：电气工程及其自动化 学 生 姓 名 ：李文涛 指 导 教 师 ：毛涛二一六年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF WUHAN UNIVERSITYResearch on the loss of transformer based on harmonic condition College ：Mechanical and electrical engineering college Subject ：Electrical Engineering And Automation Name ：Li wentao Directed by ： Mao taoMay 2016郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 李文涛 日 期： 2016.5.3 摘要文中对变压器谐波条件下的损耗进行了量化研究。首先建立了谐波条件下油浸式变压器的有功功率损耗的分解模型，得出了功率损耗相对谐波电流畸变率和变压器负载率的表达式，结合变压器有功功率损耗的关系，建立了变压器谐波损耗与谐波电流畸变率和变压器负载率关系的模型。分析了不同谐波畸变率和负载率下变压器谐波损耗的变化规律，以某型变压器为例进行了谐波条件下损耗的计算。介绍了目前主流的谐波抑制方法：有源滤波法和无缘滤波法。分析了这两种滤波法各自的优缺点。文中对制定针对性措施以提高变压器谐波条件下的运行经济性具有参考价值。 关键词：变压器；谐波；损耗 Abstract In this paper, the loss of transformer harmonic condition is studied. First established under the condition of harmonic oil immersed transformer active power loss of the decomposition model, power loss relative harmonic current distortion rate and the transformer load rate expressions, based on the relationship between the active power loss of transformer, the transformer harmonic loss and harmonic current distortion rate and transformer load rate relationship established model are obtained. The variation law of harmonic loss of transformer under different harmonic distortion rate and load ratio is analyzed, and the calculation of the loss under harmonic condition is carried out by taking a transformer as an example. This paper introduces the current main methods of harmonic suppression: active filtering and edge filtering method. The advantages and disadvantages of the two kinds of filtering method respectively. This paper has the reference value to the development of targeted measures to improve the economic operation of the transformer harmonic condition.Keywords: Transformer；harmonic；loss 目录第一章绪论1.1研究目的及意义1.1.1研究目的1.1.2 研究意义1.2国内外现状和发展趋势1.2.1国内现状和发展趋势1.2.2国外现状和发展趋势第二章变压器简介2.1变压器原理及用途2.2变压器的基本结构2.2.1铁芯2.2.2绕组2.2.3油箱2.2.4套管2.3干式变压器结构及特点2.4油浸式变压器结构及特点第三章变压器谐波损耗的计算3.1变压器的分解模型及谐波损耗分析3.2变压器谐波损耗的实例计算分析第四章谐波抑制4.1常用的谐波抑制方法4.2无源电力滤波器4.2.1无源滤波器简介4.2.2无源滤波器的原理4.2.3无源电力滤波器的优缺点4.3有源电力滤波器4.3.1有源滤波器简介4.3.2有源滤波器的优缺点第五章结论与展望5.1结论5.2展望参考文献致谢第一章绪论1.1研究目的及意义1.1.1研究目的电能在当今社会中有着举足轻重的作用，人类的生产生活已经离不开电能。而在电能的生产、变换、分配中都必须要有变压器才能完成。变压器是将一种等级的交流电变换成另一种等级的交流电的电气设备。一般来说，从发电供电，一直到用电，需要经过三到四次的变压过程。因此，变压器的总容量是非常大的。由于变压器是一种静止的电气设备，在能量转换过程中没有机械损耗，所以它的效率比同容量的旋转电机高。对于变压器而言，谐波对其损耗的影响是很大的。为了了解谐波对变压器损耗的具体影响，首先必须通过计算取得数据。本文即将对此作出具体的计算。 1.1.2 研究意义 变压器的总损耗在电力系统能量损失中占有极大的比例。随着社会的进步，电力系统中非线性原越来越多，它们产生的谐波对电力系统造成了极大的影响，尤其是变压器。变压器的谐波损耗与电力系统中谐波的含量有直接的关系。由谐波所引起的变压器谐波损耗占变压器损耗的极大一部分。因此对变压器的谐波损耗计算进行深入细致的研究对降低谐波对变压器所造成的损耗具有非常重要的现实意义。1.2国内外现状和发展趋势1.2.1国内现状和发展趋势 文献 2对变压器的损耗及其计算进行了详细的分析，在此基础上，提出了一种计算变压器谐波损耗的方法，该方法借助谐波影响下变压器的等效电路，利用叠加原理，推导得出了变压器谐波损耗的计算公式。文献 3针对变压器谐波损耗问题，对适合于估算的改进参数法测量法和等值法进行分析，并评述其优缺点。文献 4提出了一种新型的时频域结合的三相变压器谐波模型，建立了利用该模型对电力变压器的谐波损耗进行仿真和实验研究，证明了模型的有效性和实用性!谐波损耗将造成干式变压器带载能力的下降。文献 5对变压器的损耗及其计算进行了详细的分析，在此基础上，提出了一种计算变压器谐波损耗的方法。该方法借助谐波影响下变压器的等效电路，利用叠加原理，推导得出了变压器谐波损耗的计算公式。文献 6推导了基于变压器基波磁通补偿的串联混合型有源电力滤波器的新原理,得出当串联变压器二次侧注入的基波电流和电网电流的基波成分满足基波补偿条件时,则串联变压器可以实现对基波呈现很低阻抗,而对谐波呈现很高的励磁阻抗。通过采用电流型谐波源进行接近实用化的实验,证明了该原理的正确性并取得了极好的补偿特性。 1.2.2国外现状和发展趋势文献7分析在变压器谐波损耗的现实意义被视为安全的一个重要方面,经济运行和节能设备和整个系统。在这篇文章中,谐波等效参数模型已经使用,谐波绕组的频率相关特性模型进一步研究了电磁的角度来看,和谐波损耗与绕组电阻修正频率和等效非线性叠加考虑问题。为了拿出优势,一些算法提出了传统的曲线拟合,IEEE标准。变速系统指的是实际热泵模型建立了最后,有效性,该方法的可行性和准确性文献9首先分析了国内外现有变压器谐波模型发展情况及其适用范围的局限性,进而提出利用Jiles-Atherton磁滞模型表征铁心的非线性,通过Jiles-Atherton磁滞模型拟合函数计算励磁电流。在此基础上,综合考虑谐波情况下集肤效应、邻近效应对绕组的影响,考虑三相变压器相与相之间、原边与副边之间的互感,提出了一种新型的时频域结合的三相变压器谐波模型,该模型具有良好的收敛速度。最后,利用该模型对电力变压器的谐波损耗进行仿真和实验研究,证明了模型的有效性和实用性。文献11本文分析了各类设备的谐波附加损耗,它们的附加倍数具有相似的形式,仿真分析了非线性负载性能参数对谐波损耗的影响,合理的设备参数能够有效降低谐波损耗,达到降损节能的目的。 第二章变压器简介2.1变压器原理及用途变压器是利用电磁感应原理，改变电压等级的电气设备。在电力系统中，为了将大功率的电能输送到远距离的用户区，需采用升压变压器将发电机发出的电压(通常只有10.5kV20kV)逐级升高到200kV500kV，以减少线路损耗;到达用户地区后再降低电压等级，直到可以用人们日常生活使用。因此，变压器的总容量要比发电机的总容量大得多，一般是(67)：1，在电力传输中，变压器具有极为重要的作用。2.2变压器的基本结构 图2.1 变压器基本结构变压器的基本结构可分为:铁芯、绕组、油箱（干式变压器除外）、套管。2.2.1铁芯 图2.2 铁芯铁芯是变压器的磁路，它分为芯柱和铁轭两部分。芯柱上套绕组，铁轭将芯柱连接起来构成闭合磁路。为了减少交变磁通在铁芯中产生磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁芯由冷轧高硅钢片叠装而成。为了进一步降低空载电流、空载损耗，铁芯叠片采用全斜接缝，上层与下层叠片接缝错开。芯柱截面是内接于圆的多级矩形，铁轭与芯柱截面相等。2.2.2绕组 图2.3 绕组变压器的电路部分。装配时，低压绕组靠着铁芯，高压绕组套在低压绕组外面，高低压绕组间设有油道（或气道），以加强绝缘和散热。2.2.3油箱 图2.4 油箱油箱内充满变压器油，变压器的器身放在里面。由于变压器油的绝缘等级很高，这样即可以变压器的绝缘强度，并且变压器油的散热性能很好，能使变压器在工作时很好的散热。2.2.4套管图2.5 套管变压器套管是变压器油箱外的绝缘装置，绕组上引出的引线必须穿过套管，使引线之间以及变压器外壳之间达到绝缘效果，同时套管还能起到固定引线的作用。套管一般使用陶瓷材料并做成多级伞型用来增加爬电距离。常用的变压器按其冷却方式不同可分为以空气为冷却介质的干式变压器和以油为冷却介质的油浸式变压器。2.3干式变压器结构及特点图2.6 干式变压器（1） 干式变压器就是变压器器身不放在油箱内的变压器。环氧浇注的干式变压器是配电系统中重要的电力设备。环氧树脂是一种难燃且绝缘的材料。所以环氧树脂浇注的干式变压器具有无油、难燃、运行低损耗、防灾能力突出等特点被广泛应用。 （2）高、低压绕组采用铜带或者箔带绕成 。 （3）线圈不吸潮。铁芯，夹件经过特殊工艺处理可在100%相对湿度和其他恶劣环境中运行。绝缘等级有F、H级。（4）体积小，重量轻，占地空间小，安装方便。2.4油浸式变压器结构及特点 图2.7 油浸式变压器（1）低压绕组采用铜箔绕抽的圆筒式结构；高压绕组采用多层圆筒式结构，使之绕组的安匝分布平衡，漏磁小，机械强度高，抗短路能力强。 （2）线圈和铁心采用真空干燥，变压器油采用真空滤油和注油的工艺，使变压器内部的潮气降至最低。 （3）由于波纹片取代了储油柜，使变压器油与外界隔离，这样就有效地防止了氧气、水份的进入而导致绝缘性能的下降。 第三章变压器谐波损耗的计算3.1变压器的分解模型及谐波损耗分析变压器的谐波损耗模型分解图如下 图3.1 变压器谐波损耗的分解模型根据上图可以知道变压器各部分的损耗如下:变压器的总损耗PTOTAL、空载损耗 PNL(励磁损耗) 、负载损耗 PLL(阻抗损耗) 。负载损耗 PLL可进一步细分为P(I2R) 损耗和杂散损耗PTSL。杂散损耗 PTSL可细分为绕组杂散损耗 PEC和除绕组外其它元件中的杂散损耗POSL;各损耗间的关系如下： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） 式中IR 为额定条件下变压器的电流有效值，Ih为第h次谐波电流的有效值。PEC-R是额定工频条件下的涡流损耗、POSL-R是额定工频条件下的杂散损耗。同样可以得到具有任意谐波电流分布，且总电流有效值为I时的绕组涡流损耗、杂散损耗分别为: （3.5） （3.6） 式中I 为变压器电流有效值I=；PEC-O是工频电流有效值为I时的涡流损耗、POSL-O是工频电流有效值为I时的杂散损耗式（3.5）和（3.6）可改写为： （3.7） （3.8）式中系数FHL和FHL-STR分别为： （3.9） （3.10） 对（3.7）式变形: 由于 所以（3.7）式 可变形为： （3.11） 用同样的方法对（3.8）式变形可得 （3.12） 由（3.11）和（3.12）式可以看出对于某一给定的谐波而言绕组涡流损耗PEC和杂散损耗POSL只与谐波畸变率ThD和负载率有关。下面只需要将PEC-R和POSL-R计算出来，即可得出变压器负载损耗PLL与谐波畸变率ThD和负载率的关系。变压器额定I2R损耗的求解公式为： （3.13）其中：I1-R为额定负载条件和额定频率下的高压侧基波线电流有效值；I2-R为额定负载条件和额定频率下的低压侧基波线电流有效值；R1和R2分别为高压侧和低压两个端子间测得的直流电阻；对于三相变压器K=1.5。变压器额定总杂散损耗PTSL-R的求解公式为： （3.14）变压器额定涡流损耗PEC-R的求解对干式变压器，额定绕组涡流损耗为： （3.15）对油浸式变压器，则有 （3.16）变压器额定其它杂散损耗POSL-R的求解对干式变压器，额定其它杂散损耗： （3.17）对油浸式变压器，则为： （3.18）对于已经指定的变压器来说，由（3.13）（3.14）（3.15）（3.16）（3.17）（3.18）式 可以算出负载总损耗损耗PLL与谐波畸变率ThD和负载率的关系。3.2变压器谐波损耗的实例计算分析 下面以某一变压器为案例进行计算分析： 湖北省武汉市某地的一台三相双绕组油浸式电力变压器的具体参数如下:额定容量/kVA：31500；额定电压/kV：121/10.5；连接组号：YN/d11；额定频率/Hz：50；额定空载损耗/W：47000；短路损耗/W：200000；短路电压百分比数10.5；空载电流百分比数2.7。谐波含量如下：h(A)1151.020.510.120.070.0320.0012表3.1谐波畸变率(%)负载率25%变压器负载损耗PLL(W)负载率50%变压器负载损耗PLL(W)负载率75%变压器负载损耗PLL(W)负载率100%变压器负载损耗PLL(W)117203538141148332002592172475399111523120096731732854314115956202256417438547541169472040175175795533611821220634761775456019119793209076717963568521216672124088181985779512378921618091845558821126097220284101875760215128819225860111907861314131708230259121943962758134956236033131996064842139646244371142041866673143765251694152089668010148069257041162138470537152458267149172202673107158241277428182263475537163709287150192325778028169315297115202389179506175021307061表3.2图 3.2 变压器谐波负载总损耗与谐波畸变率的关系变压器负载率率(%)谐波畸变率5%时变压器负载损耗PLL(W)谐波畸变率10%时变压器负载损耗PLL(W)谐波畸变率15%时变压器负载损耗PLL(W)谐波畸变率20%时变压器负载损耗PLL(W)1070137208752079802013053138341508116920302312124 87727683318224037215408774532652683505533660215680107950660774858450995734112288701036601132211285001510388013386214635016630619573590168091183897209153246400100206347225860257041307061表3.3图 3.3 变压器谐波负载总损耗与负载率的关系在负载率不变的情况下，根据上表中的谐波含量，可以得到谐波畸变率从1%到20%时的变压器负载损耗与谐波畸变率的关系曲线，如下图所示。 由图3.2可以看出，当负载率不变时，变压器总负载损耗会随着谐波电流畸变率的增大而增大，并且上升的趋势愈发明显。由图3.3可以看出，在谐波电流畸变率不变时，变压器总负载损耗也会随之增大，且增大趋势愈发明显。这说明在负载率或者谐波畸变率增大时，变压器的负载损耗都会随之增大，且增大速率也会随之上升。第四章谐波抑制4.1常用的谐波抑制方法无源滤波器又叫LC滤波器，他可以补偿谐波和无功功率。这种滤波器由于它的结构简单，运行可靠且设备的价格便宜一直都被广泛使用。由于无源滤波器只能过滤某一指定的谐波而对于的频率都变化的谐波，无源滤波器就无法应对了，必须采用更加先进的有源滤波器。有源滤波器可以滤除大小频率都变化的谐波，但是其结构复杂，造价昂贵并且运行的稳定性也不如无源滤波器。所以有源滤波器不如无源滤波器使用的广泛。4.2无源电力滤波器4.2.1无源滤波器简介无源滤波器又称LC滤波器。它是由电容、电感和电阻组成的滤波装置。LC滤波器虽然有许多缺点，但是它结构简单，造价低，运行可靠。所以它仍是目前使用最广泛的滤波器。图4.1 无源电力滤波器结构图4.2.2无源滤波器的原理无源滤波器滤波的原理实质上是通过电容与电感的调节匹配对某一谐波联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统，从而达到滤波要求。滤波器设置在要滤出的谐波频率上使感抗和容抗相等从而相互抵消，这称为调谐。在调谐频率上，滤波器表现出低阻抗特性，这样该频率的谐波就可以顺利的通过滤波器返回谐波源。而对非调谐频率的基波或其他频率的谐波则表现出为高阻抗，所以对非调谐频率的基波和其他谐波影响很小。4.2.3无源电力滤波器的优缺点无源滤波器优点(1) 结构简单、造价低并且运行可靠。(2)维护方便、技术设计、制造经验成熟。因此，无源滤波器是目前采用最为广泛的谐波抑制手段。无源滤波器缺点(1)谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，L、C参数的漂移将导致滤波性能改变，使滤波性能不稳定。(2)在特定频率下，电源阻抗和LC滤波器之间可能会发生串联谐振，使电源侧某次谐波电压向LC滤波器注入很大谐波电流。4.3有源电力滤波器4.3.1有源滤波器简介有源电力滤波器(Active Power Filter，APV)能一直大小和频率变化的谐波。和传统的无源电力滤波器相比，是一种很有前途的消除或抑制负载或电网谐波手段。 图 4.2 有源电力滤波器结构图 4.3.2有源滤波器的优缺点 有源电力滤波器是依靠电力电子装置，在检测到系统产生一组谐波时，它会自动产生一组与系统谐波幅值相等但是相位相反的谐波向量与系统谐波想抵消，这样既可达到滤波效果。 优点：可滤除各次谐波。 缺点：造价昂贵，结构复杂并且运行可靠性不如无源滤波器。 第五章结论与展望5.1结论文中建立了变压器损耗的分解模型，从理论上分析了谐波存在时对各部分损耗的影响; 并且从理论分析了不同谐波畸变率和负载率下变压器谐波损耗的变化规律，得出谐波畸变率和负载率下变压器谐波损耗之间的公式关系，也从公式得到了即谐波畸变率与负载率的平方与变压器谐波损耗值呈正向比例关系。通过第三章的实例计算结果可以看到，随着负载率和谐波电流畸变率的增大，变压器负载总损耗也随之增大，图3.2中在负载率大于75%后变压器负载总损耗的增大趋势慢慢呈现出来。在负载率为75%时，谐波畸变率由1%增大到50%时变压器负载总损耗由114833W增大到了175021W，变压器的负载总损耗竟相差了0.5倍。在负载率为100%时相差更大。从图3.3中也可以看到负载率增大同样引起变压器负载总损耗的增大。当谐波畸变率不变时变压器的负载总损耗会随着负载率的增大而增大，而且上升的趋势也越来越大。同一负载率下，谐波畸变率的增加也会引起变压器负载总损耗的增加。但是在现实生产生活中，一般的电力变压器的负载率都稳定在65%-75%左右。所以我们一般只有通过降低谐波畸变率来降低变压器的负载总损耗。通过这个例子我们可以发现谐波的存在对变压器的负载损耗的影响是极其大的，因此降低电力系统中的谐波含量是非常有必要的，这对变压器的降损节能具有极其重要的工程意义。5.2展望 通过本文的的研究，发现谐波对变压器的损耗产生了极大的影响，而变压器在电力系统中有着举足轻重的作用。因此通过降低电力系统中的谐波含量从而降低变压器附加损耗是研究电力系统节能降损的一个新方向。 参考文献1温惠王同勋毛涛2乐健2刘开培2基于谐波畸变率和负载率的变压器损耗及寿命损失分析 (1.国网智能电网研究院，北京102211; 2.武汉大学电气工程学院，武汉430072)2刘成君，杨仁刚.变压器谐波损耗的计算与分析.电力系统保护与控制与控制，2008, 36 (13):33 36.3李国栋，李培，徐永海，等.变压器谐波损耗计算方法比较与仿真田.电力系统保护与控制，2010, 38 (18):634李琼林，邹磊，刘会金，等.电力变压器谐波损耗仿真计算与试验研究J.电网技术，2013, 37 (12):3521 3527.5变压器谐波损耗的计算与分析 刘成君，杨仁刚 （中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）6李达义，陈乔夫，贾正春一种实用的基于基波磁通 补偿的串联混合型有源电力滤波器J电工技术学报，2003，18(1):68-71.7Chao Pan, Lingguo Kong,Li Zhenxin,Qing Zheng, Zezhong Wang Analysis Based on Improved Method for Transformer Harmonic Losses8ZHANG Zhan-long1,WANG Ke12,LI De-wen1,ZHOU Jun3,WU Xi-hong1,HUANG Song1,TANG Ju1 (1.State Key Laboratory of PowerT ransmission Equipment&System Security and NewT echnology,Chongqing University, Chongqing 400030,China;2.Chongqing Changshou Power Supply Bureau,Chongqing4 01220,China;3.SichuanZ igongE lectric Power Bureau,Zigong 643000,China)9LI Qionglin;ZOU Lei;LIU Huijin;CUI Xue;ZHANG Zhenan;FEI Shangbei;State Grid HAEPC Electric Power Research Institute;School of Electrical Engineering,10LI Guo-dong1,LI Pei2,XUYong-hai2,YAO Shu-jun2 (1.Tianjin Electric Power Science & Research Institute,Tianjin 300022,China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)11Wang Yanliang Yue Zhishun Wang Jinquan Zhang Qi (Engineering Institute of Engineering Corps,PLA University 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