变压器谐波分析

1、变压器谐波分析摘要：本文对变压器的非线性特征进行了分析，说明对电力系统中所有非线性负载产生谐波的必然性，提出了抑制和消除谐波影响的基本途径。矣键词：谐波、危害、抑制1、 刖日随着人量非线性的电力电了装置如电力变压器等应用于电力系统，交流电流将成为含有高次谐波的畸变电流，这些高次谐波电流流过电源和系统的电抗时，使供电电压波形发生畸变。谐波是污染电力系统的公害，正如环境污染一样，影响广泛而深远，若不在电力电子装置广泛应用Z际采取有效对策，后果是严重的。2、 变压器非线性励磁特性及谐波的产生电力系统中的谐波源，除了现代最主要的静止型变流器外，迄今广泛使用的变压器，也是一种不可忽视的谐波源。这种波形畸

2、变主要与变压器的设计及运行有矢，也来自电力变压器的励磁电流。现将变压器谐波的产生分析如下：根据变压器的工作原理）当忽略绕组的电阻和漏抗（因变压器两个绕组的耦合十分紧密，耦合系数21,即无漏磁通），原边电压S与电动势句的瞬时方程式为血二-句二？Esinwt=Md?/dt.式中陶电动势包的最大值;w为正弦电动势角频率；乂为变压器原边绕组的匝数;中为铁芯中的主磁通。由此可得主磁通的表达式：(P=-dt=coswt=式中为主磁通的最人值。上式表明JNNAw在空载时原边正弦电压产生正弦磁通。然而由于磁通与励磁电流是非线性尖系，所以原边电流并不是纯正弦波。磁通和产生它的励磁电流i是用铁芯的磁化曲线来表征。

3、由钢片叠成的没有磁滞损耗的理想铁芯的磁化曲线如图1(a)所示，当原边电压HJ为正弦波Q为正弦波，而励磁电流为如图1(b)所示的尖顶波，其中含有主要的是三次谐波，还有其它高次谐波。图1变压器的磁化曲线(无感滞此励磁电流为非正眩周期电流，其傅立叶级数表达式为i=j2hsinwt+V2Z3sin(3wt+180)式中人表示基波电流的有效值；？3表示三次谐波电流的有效俏。当励磁电流为正弦波且电流的振幅足够人使其相应的磁通峰侑达到饱和，则用上述类似作图方法可得到铁芯中的主磁通波为平顶波，其中主要含有三次谐波及其它高次谐波，其傅立叶级数表达式为：sinwt+P3msin3wt+式中为基波磁通的振幅；4町为

4、三次谐波的振幅。考虑到铁芯磁滞的特性，磁滞曲线的上升段对应于磁通波形的上升部分，而回环的下降段则对应于磁通波形的下降部分于是非正弦的励磁电流将不再与其最人值相对称，如图2所示。图2变压器的磁曲线（竹磁滞）图1和图2中的励磁电流波形的畸变，主要是由三倍次谐波弓I起，特别是三次谐波。可见变压器非线性的励磁特性是电力系统中的一种谐波源。3、变压器谐波的危害谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料的应力增力口。谐波电流使变压器产生附加铜耗及相应的铁耗，其附加损耗可用下式表示：细二3工角2*叫话、式中1,为通过变压器的n次谐波电流；Rr?为变压器短路电阻。心丁为计及集肤效应及邻近效应时短路电阻

5、增加的影响系数，一般电力变压器，当谐波次数n分别为5、7、11.13时，Kw2.1,K7T=2.5,Kiir=3.2,Ki3T=3.7o谐波电压还会使变压器励磁电流增大，效率降低，并恶化了功率因数。对于变压器用变压器，这种影响更为突出，因为滤波器-般装在交流侧，不能消除这种影响，除需要增加变压器容最外，在变流器用变压器油箱上还经常出现一些过热点。变压器副边输出谐波电压使输电线路热损耗增加，绝缘老化，寿命缩短;据有矢部门试验，相同的电缆敷设条件，若通过一般的工频电流，其使用寿命为25年，而含有高次谐波的非正眩电流，其使用寿命则只有9年。高次谐波对继电器的运行也有较人影响，使继电保护装置和自动化装

6、置动作不稳定，甚至发生误动或拒动造成严重后果。谐波电压还会使计算机中的数据传输和处理带来严重影响，特别是运算速度快的计算机产生误动作，使正常工作程序遭到破坏。据有矢资料介绍，由于供电系统高次谐波的干扰致使信息机不能正常工作的比例约为88.5%因此对供电质量提出了新的要求，除保证电压和频率的质量外，还规定较严格的谐波含量标准。另外高次谐波电流还对通讯系统产生声波干扰。4、变压器谐波的抑制由于变压器本身的非线性特性产生谐波，而变压器又是电力系统使用最广泛的，几乎绝人部分有供电的地方，就必然有变压器，所以必须重视这种谐波的污染，这对改善电力系统的供电质量和确保安全经济运行是十分必要的。一般来说电力系

7、统抑制和消除谐波的影响基本上有两种途径:从改变非线14负荷本身性能考虑，减少它们注入系统中的谐波电流或是与非线性负荷并联适当的补偿装置，使它们的电流和负荷电流互相补偿，从而使从系统吸收的总电流和系统的电源电压波形一致。也可以向非线性负荷的电源变压器注入谐波电流来抵消注入系统的谐波电流。(2)不改变注入系统的谐波电流的人小，而只是设法改变谐波电流的流向来消除和防止谐波的影响，例如适当地配置电力电容器组或者改变电力电容器组的配置点，从而使谐波电流流经危害较小的路径；或者使电容器容抗与电网感抗所组成的等效电路的谐振自然频率改变，避开与变压器谐波电流的谐振；再如在变压器供给易受谐波膨响的用电设备的进口处并联滤波器，使得谐波在电源入口处被旁路。还可以利用变压器绕组的接线方式来抑制谐波，考虑到对称三相非正弦波中的三倍次谐波分量的相位均相同，故通常将三相变压器原边或副边的任何一个绕组联接成三角形，给三倍次谐波提供通路以抑制严重影响电压波形的三倍次谐波。5、结束语本文对变压器的非线性特征进行了分析，说明了对电力系统中所有非线性负荷产生谐波的必然性，并指出谐波电流及电网电压畸变的危害，提出了抑制和消除变压器谐波最基本的途径。又由于在设计各种电气设备时，一般都假定电源电