有关K-factor变压器的浅析和探讨

1、有关K-factor变压器的浅析和探讨 有关K-factor变压器的浅析和探讨 摘 要：在过去几十年中，随着我国电力电子技术的迅速开展，大量可控硅的整流设备，制钢用电弧炉，电网用变压器群，饱和电抗器，敏感电子器件，UPS系统等具有非线性阻抗特性的电气设备投入到根底工业部门。这些设备在电力系统中产生大量的谐波，导致系统波形畸变严重，对输配电网络，通信线路，电气设备等造成巨大影响，尤其对配电变压器损害更大。K-factor变压器就是可应用于这些非线性负载(non-liner loads)条件下的变压器。 关键词：谐波；K-factor；变压器；分析 中图分类号：TM4 文献标识码：A1 K-fac

2、tor的定义和介绍 K-factor和谐波有着密切的联系。谐波是指具有根本波(50Hz或60Hz)的整数倍率的电流或电压。一般电力系统中，以第3谐波以上的奇数次谐波较为显着，并以第5谐波的含有率为最多。 当变压器的负载中有一定的高次谐波，会导致变压器负载损耗中的附加损耗增加，严重影响变压器的可靠性。K-factor 就是被用来定义电力系统中谐波含量(Harmonic content)的值，K值越大那么表示谐波含量越多，因谐波电流造成的变压器硅钢片，线圈，外壳和某些紧固件发热越严重，所以K-factor也可用来标识变压器因为谐波而产生的热效应的一个程度。 K-factor是一个可计算值，范围从1

3、到50。K-factor为1的变压器只能用于线形负载，K-factor为50的变压器那么可以用于最恶劣的谐波环境下。目前最典型和最普遍应用的是K-factor为13的变压器。一般负载型式与K值可参考表1。 表1 2 K-factor变压器的介绍和设计考前须知 非线性负载产生的谐波电流可导致变压器铜损和杂散损耗增加，谐波电压那么会增加铁损。与纯粹根本波运行的正弦电流和电压相比，谐波会在变压器里产生额外的热量并且导致变压器过热，降低变压器的使用寿命。 当一台变压器在设计阶段就明确将应用于非线性负载条件下，这台变压器对谐波必须具备一定程度的负载能力。比方一台K-4的变压器等同于可承受4倍一般变压器正

4、常的发热情况。这种变压器就是K-factor变压器。在相同容量、电压条件下，K值越大那么变压器本钱也越高。 K-factor变压器可以降低表A中的那些负载导致的谐波电流从而产生的热效应，理论上说在任何非线性负载的场合都应使用K-factor变压器。目前其主要用途在工厂自动化，计算机机房和大型办公楼等，因为在这些区域谐波含量较高。K-13变压器适用于大多数情况下的谐波负载，而当电流谐波失真度THD>75的时候，需要并联一台K-20的变压器进一步提高谐波负载的能力。 在设计K-factor变压器的时候，应该注意以下几点： 2.1 线圈导线除了承载变压器自身电流，还会承载由非线性负载引起的谐波

5、电流，线圈的有效电阻会因集肤效应而增大。此时一般采用多股扁平铜导线绕组窗双层屏蔽设计方案来提高电密，控制集肤效应带来的额外损耗。 2.2 谐波在角接绕组中产生额外的循环电流，在铁心中感应出的直流磁通会导致铁心饱和，电压不稳定和过热。绝缘材料应采用220的H级绝缘允许的最高工作温度150。 2.3 对于星形接法，中性点接地的绕组，当该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器组时，会产生3次谐波，使变压器铁心磁滞损耗和涡流损耗增加，此时应采用2倍相线截面积的零线系统设计方案。 2.4 除了额外的铜损和铁损，还应考虑到谐波电流引起的附加杂散损耗，这会让变压器运行温度大幅上升。铁心和线圈要设计

6、足够的油道，内部紧固件要考虑使用不导磁结构件。相比温升保证值，温升设计值要留取更大的裕度，确保变压器在平安的工作温度内运行。 3 K值的选择和计算 K值有两种计算方式： 3.1 UL Method： 计算变压器rms(root-mean-square)电流，一般被使用于系统有量测rms电流值时运用的方法。计算公式： 其中： h：谐波次数 Ih(pu)：h次谐波电流(rms)值对额定电流之pu值。 3.2 Normalized method： 计算各谐波电流与负载之根底电流(fundamental current)比值的单元数值。一般谐波值来自谐波分析仪，而谐波分析仪输出结果常与根底电流比拟得其

7、单元数值。计算公式： 其中： h：谐波次数 fh(pu)：h次根底电流(fundamental current)对额定电流之pu值。 两种方式计算的K值大约是相近的，最终依据标准ANSI/IEEE C57.110-1986来选取。一般标准K值：K=4，9，13，20，40，50。 K-13计算举例：(见表2) 计算好K值，可计算出当变压器负载有谐波时，其最大平安电流为： 其中： PLL-R(pu)：铜损=I2R+线圈内杂散损； fh：h次谐波电流对主波电流之比值； h：谐波次数； PEC-R(pu)：线圈内杂散损对I2R之标么值； K：变压器之K factor。 4 K值对变压器的影响： 谐波对于增加变压器的杂散损耗，可用下式计算： 其中: Peh：总杂散损； Pef：基于额定频率的杂散损； h：谐波次数； Ih：h次谐波电流(rms)值对额定电流之比值。 根据经验，可参考以下情况选择相应的K-factor变压器： 4.1 参考成功运行在非线性负载区域的变压器参数； 4.2 当网络中分布的非线性负载电子设备小于15%，使用一般变压器； 4.3 当网络中分布的非线性负载电子设备到达35%，使用K-4变压器； 4.4 当网络中分布的非线性负载电子设备到达75%，使用K-13变压器； 4.5 当网络中分布的非线性负载电子设