關于電網高次諧波對變壓器設備的影響分析

邵先進 周明 龔海峰

摘 要：隨著我國社會經濟的蓬勃發展，電網行業也得到顯著的發展和壯大。通常情況下，電網系統中常含有高次諧波，這將可能導致變壓器設備中鐵心飽和，使其產生的噪聲提高，鐵心突然發燙，對整個設備的運行安全構成嚴重威脅。本文將通過案例分析的方式，對諧波對變壓器產生的影響以及防治措施進行分析和闡述。

關鍵詞：電網 高次諧波 變壓器設備 影響

中圖分類號：TM132 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0089-02

在電網系統中，一般會存在高次諧波分量，這將在很大程度上可能導致鐵心飽和狀況發生，進而使其產生的噪聲值提升，鐵心的熱量在短時間內上升，影響整個設備的正常順利運行。對此，應對故障發生的原因進行分析，并且采取正確合理的措施進行有效的解決。

1 諧波對變壓器產生的影響及防治措施

1.1 影響

在電網系統中，通常情況下，變壓器與變頻器將會同時工作，這時由變頻器工作過程中，受電流影響而產生的諧波將會對變壓器的正常運轉產生影響。而變壓器又屬于整個電網系統中的關鍵部分，在供電網絡正常運轉的情況下，一旦變壓器受到諧波的影響而難以實施正常工作，將會導致整個電網系統的癱瘓，進而為供電企業帶來巨大損失。另外，當電網設備中有電流經過時，不同電網設備所產生的頻率諧波也不盡相同，這些諧波將會在電網中相互作用和影響，對變壓器的正常運行帶來嚴重干擾。一旦變壓器難以實施正常運行，變頻器中的電流將會變得更加不穩，產生更多的諧波對變壓器造成破壞，如此反復地惡性循環，將直接導致變壓器的工作效率和質量受到嚴重影響，長此以往還會縮短設備的使用期限，為供電企業的健康發展帶來極大的不良影響[1]。

1.2 防止措施

對于電網高次諧波對變壓器設備產生的影響問題，為了使不良影響得到有效的控制，使系統的運行質量得到顯著提升，應采取兩方面措施，一方面從諧波的根源處入手，減少對非線性、大容量設備的應用。另一方面，則是在波源之外實施有效的處理。第一，使整流裝置中脈沖的數量增加，這主要是因為諧波的數量n與脈沖數量p之間存在正比例關系，而諧波電流的平方根又與諧波次數成反比例關系，因此可以通過提升脈沖數量的方式減少諧波分量。第二，將電抗器串聯到不具備電抗器的電容器中，以此來提升對諧波的抵御能力，減少諧波對變電器設備產生的影響。第三，安裝LC濾波器，能夠對諧波所產生的電流進行就近吸收。當處于工頻工況的情況時，濾波器能夠對無功功率進行供給，使功率因數得到有效的改善，對高次諧波具有十分顯著的抑制作用。

2 諧波對變壓器影響的實際案例分析

2.1 故障產生

某電臺技術人員在對變壓器設備實施巡檢時發現存在異常情況，該設備的類型為三相干式整流變壓器，存在的問題主要體現在：運行過程中產生的噪音量較高，將近70dB，根據相關規定標準，一臺正常變壓器設備在工作時的聲音應為48dB左右，該設備已經超過標準數值。在溫度上體現出較大的發熱現象，鐵心表面的溫度將近95℃，正常情況下的溫度應為65℃左右，因此在溫度上也明顯超過規定標準。在功率方面，功率因數為0.82，正確情況下應為0.95，因此具有明顯的下降趨勢。經過深入驗證和核實后得知，該設備中電流存在不平衡現象，A相的電流為10A，B相和C相均為7.5A，A相電流過大[2]。

2.2 故障檢測

為了保障變壓器設備的安全以及傳輸工作的正常進行，首先利用備用設備將其替換下來，但發現故障問題仍然存在，這將說明與該設備無關，初步考慮是系統電源出現故障而引發，因此啟動備用的發電機組，發現故障問題被解決。通過查找該設備的存檔資料能夠對其具體信息進行了解和掌握，該設備的類型為三相干式整流變壓器，次級兩組電壓之間的相位差距為30°，通過兩組串聯的全波整流之后，將其轉變為脈動直流電源，進而為相關設備的運行提供所需電源。為了使故障原因被徹底找出，技術人員利用高精度功率分析儀對電源進行了檢測，通過檢測結果能夠看出，在該電網系統的電源中，包含大量的高次諧波分量，主要以三次、五次、七次等奇次諧波為主，尤其是五次諧波的含量最多。其中，I5A為18.2%，I5B為22.6%，I5C為21.4%。同時，通過檢測還能夠看出，在該變壓器設備中，在三相電抗方面也不盡相同。其中，XA為0.8130，XB為0.8425，XC為0.8404。

2.3 故障原因

通過上述檢測與分析之后能夠得出，該三相變壓器出現故障的主要原因為電網系統中的高次諧波分量較多，使得設備中鐵心首先電流的影響發生畸形，由正弦波形轉變為尖頂波形，導致鐵心飽和，當設備處于運行狀態時，出現較強的噪聲。同時，由于變壓器中的鐵心受到影響發生損耗，主要表現在磁滯以及渦流兩個方面，而諧波的產生將會加強對渦流的消耗，即，這時將會導致鐵心溫度持續升高，出現較為明顯的發熱現象。另外，諧波還會促使無功電流的增加，進而使系統的功率因數下降。由于在變壓器制造過程中，在線圈的尺寸中存在誤差，致使三相電抗之間出現不均衡現象，A相電抗明顯偏低，其他兩項的數值較為接近。具體的電抗計算公式為：

（1）

式中，為電抗，單位；為頻率，單位Hz；N為線圈的數量；為線圈漏磁的面積，單位cm2；為電抗修正系數，范圍主要在0.95～1.03之間；是初級與次級線圈平均電抗的高度值，單位cm。

通過上述公式的計算能夠得出，電抗與頻率之間存在正相關的關系，即頻率的數值越高，三相變壓器中存在的偏差將越大。同時，當A相線圈的電抗數值變小，又處于高頻狀況下時，將會使得A相輸出電壓數值增加，進而帶動次級負荷電流也隨之提升，最終出現三相電流不均衡問題，主要體現在A相電流與其他兩項相比較大[3]。

2.4 解決措施

對于上述故障問題的解決措施主要包括以下兩個方面：第一，將變壓器設備中的初級側與三相電容器進行并聯，以此來實現對諧波的過濾作用。第二，將變壓器的初級側與電感相串聯，這樣做能夠實現三相電抗之間的平衡，使得負荷電流能夠達到均衡狀態。通過使用上述方法對電網系統進行維修，實施輸電工作時發現故障問題已經得到了合理解決，三相電的運行處于均衡狀態，這將再次驗證了上述推斷的合理性，對于異常情況的消除發揮了重大作用。

3 結語

綜上所述，隨著社會經濟的迅猛發展，電力電網已經成為人們生產生活中不可缺少的一部分，變頻器在其中的應用能夠使系統運行的效率得到顯著提升，與此同時，其產生的諧波也將對變壓器設備等產生較大的不利影響。對此，電力企業應加強重視，積極投入人力物力對電網中高次諧波進行抑制，采用科學合理的方式減少其對變壓器設備產生的不良影響，使電力系統的安全性與穩定性得到顯著提升，實現電力企業的健康可持續發展。

參考文獻

[1] 翁漢.復雜電磁暫態下變壓器差動保護異常動作行為分析及對策研究[D].華中科技大學，2012.

[2] 朱光偉.基于LABVIEW的電力變壓器在線振動監測系統的設計及研究[D].西華大學，2013.

[3] 蒯狄正，萬達，鄒云.直流輸電地中電流對電網設備影響的分析與處理[J].電力系統自動化，2015（2）：81-82.