諧波隔離四繞組電力變壓器

對(duì)于目前電網(wǎng)中，由于存在化工企業(yè)和鋼鐵企業(yè)等不同負(fù)荷，他們所帶來的諧波，使變電站諧波污染變得越來越嚴(yán)重。目前變電站的諧波治理主要采用的技術(shù)為無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)，但這兩種技術(shù)存在著一定的缺點(diǎn)。無源濾波要為避開諧振過電壓和諧波放大的危害，常常進(jìn)行偏調(diào)諧設(shè)計(jì)，從而影響濾波器的濾波效果，其發(fā)展受到限制。有源濾波要備有大量的電力電子裝置和復(fù)雜的跟蹤檢測控制系統(tǒng)，成本高昂，且受電力電子器件容量的限制，也無法從完全的解決諧波電流對(duì)交流電網(wǎng)和對(duì)輸變電設(shè)備運(yùn)行的影響。

一種新型的高效諧波治理的諧波隔離四繞組電力變壓器，通過變壓器繞組阻抗的特殊設(shè)計(jì)，利用變壓器的安匝平衡原理和“諧波超導(dǎo)回路”原理，在變壓器鐵芯中抑制諧波磁通，實(shí)現(xiàn)諧波隔離目的。變壓器的諧波隔離技術(shù)利用了原有濾波技術(shù)的特點(diǎn)，但不是利用其它設(shè)備來制造一個(gè)大小相同、方向相反的電流，來消除系統(tǒng)中的諧波，其創(chuàng)造性的使用變壓器自身的自藕感應(yīng)，這也是該種濾波方式的新穎之處。本章重點(diǎn)分析了諧波隔離四繞組電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)，從諧波隔離四繞組電力變壓器的等值電路角度解釋變壓器設(shè)計(jì)原理。提出了諧波隔離四繞組電力變壓器設(shè)計(jì)的兩個(gè)必要條件，通過磁通分析和等值電路分析兩方面揭示變壓器的諧波隔離原理 。

通過上述對(duì)諧波隔離四繞組變壓器及其感應(yīng)調(diào)諧裝置的諧波隔離原理分析可知，要將220kV繞組與110kV及35kV繞組隔離，滿足變壓器的兩負(fù)荷側(cè)，對(duì)220kV網(wǎng)側(cè)的諧波隔離，必須使變壓器濾波繞組等值阻抗為零，這就是諧波隔離四繞組電力變壓器設(shè)計(jì)的核心。

在變壓器中，其繞組的等值阻抗和繞組之間的短路阻抗有密切聯(lián)系，而兩繞組之間的短路阻抗可以由變壓器兩兩短路實(shí)驗(yàn)測得，其值和繞組之間的氣隙、幅向、尺寸是成正比例關(guān)系，通過調(diào)整繞組的結(jié)構(gòu)和布局就可實(shí)現(xiàn)諧波隔離變壓器濾波繞組的設(shè)計(jì)要求。因此，為了實(shí)現(xiàn)諧波隔離四繞組變壓器濾波側(cè)的等值阻抗為零的特殊目的。同時(shí)把濾波繞組設(shè)計(jì)在220kV側(cè)繞組和110kV負(fù)荷側(cè)繞組之間，并且微調(diào)繞組的間隙。一般常規(guī)設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，通常都在鐵心的最外側(cè)放置220kV側(cè)繞組，在鐵心的最內(nèi)側(cè)放置35kV側(cè)。所以，諧波隔離四繞組電力變壓器，任沿用這一設(shè)計(jì)思路 。2100433B

感應(yīng)濾波技術(shù)是湖南大學(xué)劉福生教授最先提出、歷經(jīng)羅隆福教授，張志文教授，李勇教授和許加柱教授的改進(jìn)，歷經(jīng)多年發(fā)展成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型濾波技術(shù)。感應(yīng)濾波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，歷經(jīng)阻抗匹配平衡牽引變壓器，諧波隔離單相牽引變壓器，新型換流變壓器，直至研究的諧波隔離四繞組電力變壓器。

感應(yīng)濾波技術(shù)的概念，源于湖南大學(xué)劉福生教授提出的阻抗匹配平衡牽引變壓器。通過引出抽頭，外接濾波調(diào)諧支路構(gòu)成的具有諧波隔離功能的平衡變壓器。該變壓器運(yùn)用于機(jī)車的兩相供電。

諧波隔離單相牽引變壓器是將感應(yīng)濾波技術(shù)運(yùn)用與電氣化鐵路改造過程中，提出的一種具有諧波隔離功能的單相牽引變壓器，該變壓器運(yùn)用于電氣化鐵道的單相機(jī)車牽引負(fù)荷供電，該變壓器濾波和無功補(bǔ)償相比傳統(tǒng)無源濾波技術(shù)效果顯著改善。新型換流變壓器通過進(jìn)一步改善變壓器繞組的接線方式，實(shí)現(xiàn)了將感應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用于直流輸電領(lǐng)域。該換流變壓器二次側(cè)繞組采用延邊三角形，通過兩個(gè)引出端點(diǎn)分別于換流器電容支路相連接，通過脈波整流機(jī)組的一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好的濾波和無功補(bǔ)償功能。諧波隔離四繞組電力變壓器是為有效解決目前某些220kV變電站諧波含量超標(biāo)的問題所提出的。該220kV變電站，有110kV和35kV兩個(gè)負(fù)荷側(cè)，都有較重諧波傳入電網(wǎng)，需要在變電站進(jìn)行諧波治理。直接在220kV側(cè)治理是不現(xiàn)實(shí)的;分別在110kV側(cè)和35kV側(cè)治理，則需要安裝兩套濾波器，也沒有現(xiàn)實(shí)可行性。采用加裝濾波繞組的方案，使得變壓器成為四繞組變壓器，則有兩種方案，傳統(tǒng)四繞組變壓器方案和新型感應(yīng)濾波變壓器方案。

傳統(tǒng)四繞組方案是在變壓器220kV繞組、110kV繞組和35kV繞組側(cè)之后加裝濾波繞組。新型方案是:在220kV之后，安裝35kV濾波繞組(也可以為110kV，取決于濾波器成本)，之后，才是110kV和35kV負(fù)載繞組，使得兩負(fù)載繞組的諧波與220kV繞組被隔離，所以，也稱這種變壓器為諧波隔離變壓器。諧波隔離變壓器有兩個(gè)濾波組(3繞組變壓器):220kV繞組、濾波繞組、110kV繞組和220kV繞組、濾波繞組、35kV繞組。兩個(gè)感應(yīng)濾波組均要求滿足等值阻抗值趨近于零的濾波條件。經(jīng)過仿真研究，感應(yīng)濾波的方案比傳統(tǒng)繞組方案好:傳統(tǒng)方案無法同時(shí)保證35kV和110kV側(cè)諧波負(fù)載的濾波要求，從220kV側(cè)觀察，就是諧波無法達(dá)標(biāo)。而感應(yīng)濾波方案，220kV側(cè)諧波能夠達(dá)標(biāo)。

該技術(shù)研究的實(shí)用意義在于通過充分利用變壓器設(shè)備自身的電磁特性進(jìn)行濾波，在各種電力濾波方式中開創(chuàng)了一條感應(yīng)濾波的新路。將感應(yīng)濾波技術(shù)運(yùn)用于多種變壓器，依靠變壓器內(nèi)部繞組構(gòu)成的安匝平衡消除諧波和濾波器的全調(diào)諧等方式，可大大減少了諧波與無功對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害。變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)利用了有源濾波思想，但不是利用其它設(shè)備來制造一個(gè)大小相同、方向相反的電流，來消除系統(tǒng)中的諧波，其創(chuàng)造性的使用變壓器的自藕原理，這也是該種濾波方式的新穎之處 。

諧波隔離四繞組變壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該變壓器基本結(jié)構(gòu)是由鐵心，繞組構(gòu)成，相比三繞組電力變壓器，諧波隔離變壓器僅僅是多出一個(gè)濾波繞組。其一次繞組城，二次繞組城、城和城。一次繞組城接入220kV電網(wǎng)，稱之為網(wǎng)側(cè)繞組;城接入35kV配套全調(diào)諧濾波支路。濾波繞組為諧波隔離四繞組電力變壓器的核心。其關(guān)鍵設(shè)計(jì)是濾波繞組在各種諧波條件下呈現(xiàn)零阻抗和外接特殊設(shè)計(jì)的配套調(diào)諧裝置。繞組城接入35kV電網(wǎng)，稱之為35kV側(cè)負(fù)載繞組，繞組城接入110kV電網(wǎng)，稱之為110kV側(cè)負(fù)載繞組。

電力變壓器繞組變形測試儀、變壓器繞組變形檢測儀、變壓器繞組變形測量儀、變壓器繞組變形分析儀

電網(wǎng)諧波來自于3個(gè)方面：

1.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

2.是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。

3.是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的 30%;接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

諧波治理諧波來源

電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。

對(duì)于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10%以上時(shí)，由于電機(jī)的磁飽和，會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。

為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：

· 電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。

· 交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。

· 交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。

· 開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。

這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì)有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對(duì)稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實(shí)電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時(shí)率就更小了，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響比較小，但發(fā)現(xiàn)在燒電焊時(shí)，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。

交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

開關(guān)電源設(shè)備應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級(jí)電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會(huì)通過配變污染到10kV電網(wǎng)。

諧波治理現(xiàn)狀淺析

通過對(duì)市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴(yán)重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對(duì)于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對(duì)于大功率的用戶來說，危害就很大了，對(duì)于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補(bǔ)償就無法進(jìn)行，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補(bǔ)償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對(duì)5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動(dòng)機(jī)、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，多交了電費(fèi)。

諧波治理諧波治理

1．諧波治理的總體思路。諧波的治理應(yīng)當(dāng)首先考慮預(yù)防，控制好諧波產(chǎn)生的源頭，使系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進(jìn)行進(jìn)一步的治理。因此，在選擇設(shè)備和構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)該將減小諧波做為一項(xiàng)重要的條件來考慮。對(duì)于交流和直流兩大類通信電源設(shè)備：在其他條件同等或類似的情況下，UPS系統(tǒng)應(yīng)該優(yōu)先選擇12脈沖或者Delta變換的設(shè)備，直流系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇有更好的整流電路和完善的濾波措施的產(chǎn)品。

其次，在預(yù)防的基礎(chǔ)上，再考慮補(bǔ)救措施。特別是對(duì)于既有的用戶低壓系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本固定，諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補(bǔ)救措施得以控制。

2．治理諧波的預(yù)防性措施。預(yù)防性的解決辦法是指避免諧波及其后果出現(xiàn)的措施，如下。

（1）整流器中的相位抵消（通過選擇合適的相位移動(dòng)，由低脈波數(shù)整流器構(gòu)成的高脈波數(shù)整流器可以消除諧波）或諧波控制。應(yīng)該使用具有較高脈波數(shù)的整流器，如使用12脈沖的整流器來代替6脈沖整流器。

（2）開發(fā)有效的過程和方法來控制、減小或消除電力系統(tǒng)設(shè)備的諧波。

3．治理諧波的補(bǔ)救性措施。補(bǔ)救性的解決方法是指為克服既有諧波問題所采用的技術(shù)，包括使用LC無源濾波器、使用有源濾波器、電路解諧，詳見下面的治理方法。