典型非线性负荷对主变运行性能的影响分析

李冬雪李云帆.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 .大连天籁安全评价咨询有限公司



典型非线性负荷对主变运行性能的影响分析

李冬雪1李云帆2
1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 2.大连天籁安全评价咨询有限公司

【摘要】本文以大连马场220kV变电站为例，对二号主变高低压侧电压畸变率、闪变电压和谐波电流进行了测试，以测试结果为依据对2号主变噪声异常现象进行了分析，从而确定了主变产生异常噪声的原因，从制造工艺和结构设计方面提出了抑制噪声的几点措施，不仅给变电站的运行成本带来经济效益，而且消除了设备上的安全隐患，为电网的安全运行提供了坚实的硬件保障。

【关键词】非线性负荷；变压器；噪声；设计

电弧炉变压器是炼钢电弧炉最关键的大型配套设备。其运行时要经受电炉炼钢过程中产生的冲击过电压，如果对这种冲击过电压不加以限制，对电网电能质量将产生非常严重的影响。本文通过对大连马场220kV变电站二号主变噪声异常现象的分析，确定了产生异常噪声的原因，提出了抑制噪声的几点措施，不仅给变电站的运行成本带来经济效益，而且消除了设备上的安全隐患，为电网的安全运行提供了坚实的硬件保障。

1　主变噪声异常分析

马场220kV变电站共运行4台主变，马场220kV变电站2号主变（220/36.7/10.5kV，YN，yn0，d11）35kV侧为钢厂冶炼电弧炉冲击性负荷，经测试两台主变35kV侧谐波和闪变超标，两台主变噪声明显异常，在日常检查中发现#2主变绕组垫块已松动。为了监测东北特钢冲击负荷对电网电能质量的影响，大连供电公司2010～2012年进行了三次谐波测试工作，系统接线图如图1，测试内容，见表1。

测试方案：

针对变电站附近钢厂投运时对马场220kV变电站2号主变出现声音异常和噪声过大的现象，进行现场实时的谐波及闪变测试。在马场2号主变低压侧（35kV侧）进行测试，测试35kV母线AB相电压、CB相电压，35kV母线进线A相电流、C相电流。

图1　系统接线图

表1　2010～2012年度谐波测试

在完成对主变低压侧的电能质量测试后，对马场220kV变电站2号主变高压侧（220kV侧）进行测试，测试220kV母线A、B、C相电压，220kV母线进线A、B、C相电流。

谐波及闪变等测试标准，见表2、3。

表2　电网谐波电压（相电压）、闪变限值

表3　各次谐波电流允许值

一次侧测试结果：2号主变220kV母线A相电压最大值为134.26kV，最小值为131.53kV，95％概率大值为133.48kV； 220kV母线A相电压总畸变率最大值为1.32， 最小值为0.72，95％概率大值为0.90；220kV母线A相电压中5次谐波电压含有率相对较大，最大值为0.99％，95％概率大值为0.77％；2号主变A相最大负荷电流为58.99A；谐波电流中5次谐波相对较大。

根据电压闪变的测试结果看，2号主变一次侧母线电压长时闪变最大值为0.63。

二次侧测试结果：2号主变35kV母线AB相电压最大值为37.15kV；最小值为35.06kV；95％概率大值为36.62kV；CB相电压最大值为37.48kV；最小值为35.17kV；95％概率大值为36.69kV；35kV母线AB相电压总畸变率最大值为6.48；最小值为0.54；95％概率大值为3.08；CB相电压总畸变率最大值为6.09；最小值为0.54；95％概率大值为3.13；35kV母线AB相电压中2次谐波电压含量最大，占基波含量的4.07％（最大值）0.25％（95％概率大值），其次是3、4、5、6、7次谐波含量相对较高，其中AB相3次谐波占基波含量的2.13％（最大值）0.66％（95％概率大值），4次谐波占基波含量的2.48％（最大值）0.19％ （95％概率大值），5次谐波占基波含量的2.48％（最大值）2.16％（95％概率大值），6次谐波占基波含量的2.21％（最大值）0.25％（95％概率大值），7次谐波占基波含量的2.43％（最大值）1.72％（95％概率大值），CB相谐波电压的含量与AB相电压的变化趋势相似；2号主变最大负荷电流A相为1.47kA，C相为1.84kA，负荷具有一定的周期变化特点，谐波电流中2、5、7次谐波电流相对较大，其中2、5次谐波电流最大。

根据电压闪变的测试结果看，2号主变二次侧母线电压长时闪变最大值为4.21。

测试结论：

（1）从测试结果看，本次测试的整个测试周期内，2号主变高压侧谐波电压总畸变率的95％概率大值为0.90％（A相）满足国家标准的限制值，A相各次谐波电压含有率均未发生超标的情况。2号主变一次侧各次谐波电流在测试周期谐波电流未超标（图2和图3给出了主变高压侧3次和5次谐波的测试曲线）从图2、3中可以看出谐波电流95％概率大值未超过国家标准限制值。2号主变一次侧母线电压长时闪变最大值为0.63，未超过国家标准限制值。

（2）主变低压侧谐波电压总畸变率的95％概率大值为3.08（AB相）、3.13（CB相），具体数据如图4、5。超过国家标准的限制值，其中2、3、4、5、6、7次谐波电压含有率在冲击时刻发生超标，主变二次侧谐波电流在一个生产周期2次谐波电流短时出现155.2A的较大值，5次谐波电流为50～70A超过国家标准限制值，2号主变二次侧母线电压长时闪变最大值为4.21，超过国家标准限制值。

（3）2号主变2次、5次谐波电流超过国家标准限制值会增大变压器噪声和发热，因#2主变高压侧电能质量未超过国家标准限制值，低压侧并未给其它用户供电，不会因为电能质量问题对其它用户产生影响。

从测试结论不难看出，2号主变低压侧5次谐波电流超过国家标准限制值是导致变压器噪声增大的主要原因。

图2　3次谐波电流变化曲线

图3　5次谐波电流变化曲线

图4　测试过程35kV母线AB相电压闪变变化曲线

图5　测试过程35kV母线CB相电压闪变变化曲线

2　谐波电流对主变运行的危害

产生谐波的根本原因是由于给非线性阻抗特性的电气设备（如东北特钢的电弧炉）供电。这些非线性负荷在工作时向系统反馈高次谐波，导致供电系统的的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。

影响变压器铁芯噪声的频谱范围通常在100～500Hz之间，谐波电流对变压器的危害主要有以下几个方面：

（1）增大变压器的铜损耗和铁损耗，随着谐波频率增高，集肤效应会更加严重，铁损耗也会更大。

（2）会引起变压器外壳外层硅钢片和某些紧固件发热，并有可能引起变压器局部严重过热。

（3）会引起变压器的噪声过大和振动。由于电弧炉负载电流变化很大，以致绕组产生震动，特别当预紧力不足时，巨大的轴向电磁力将使线匝绝缘和垫块承受气隙的出现和消失所引起的的机械震荡，导致绝缘损坏。

3　动力变压器的选型与优化设计

为提高变电站运行的安全性、可靠性，从提高供电能力、降低维修成本、节能降耗和适应电网发展，将马场220kV变电站一号主变更换为抗谐波和冲击能力强的钢厂冶炼专用动力变压器是十分必要的。

根据马场变电站的现有情况，与变压器厂家沟通后，初步确定马场变电站一号主变改造的主要设备参数如下：

（1）接线组别：由于YNd11接线组别变压器较YNynd11接线型式变压器对谐波的抑制效果好，因此，建议将现有的三绕组YNynd11接线型式两台主变，更换为双绕组YNd11接线型式主变。

（2）短路阻抗：经过沟通沟通核算，在满足其供电要求的前提下，提高心变压器的短路阻抗，由原12％提高到15％～18％，以满足变压器抗冲击能力。

（3）过负荷能力：要求变压器具有1.4倍的长期过负荷能力，以保证主变在冲击性负荷下安全工作。

噪音方面采取的优化措施：降低铁心磁密Bm。由1.7T降到1.59T（直接减小铁心激磁时磁致伸缩引起的铁心振动）主要按照变压器的运行负荷的情况，控制变压器的磁密，以满足噪音要求；使用磁致伸缩小的优质Hi-B硅钢片；多级阶梯型（Step-Lap）铁心叠级结构；油箱上使用阻尼加强筋；优化设计避免铁心和油箱的共震区域。

4　变压器性能对企业电网的影响

变压器谐波电流对企业电网的影响主要表现在造成电网的功率损耗增加，缩短设备使用寿命，接地保护功能或者设备遥控功能失常，用电负荷高导致线路和设备过热等，特别是谐波产生的中性线电流，可导致配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成企业生产设备及辅助性设备无法安全可靠运行。尤其是电网设计要求为为一级负荷（例如消防设备设施的供电）的化工生产、金属冶炼等高危行业，供电中断对企业的消防系统正常启动以及事故发生时消防系统设备设施的可靠性启动造成极大的影响。对电网的安全性、稳定性可靠性电流影响还表现在可能引起电网发生谐振，使正常的供电中断、事故升级。

5　结论

本文对大连马场220kV变电站一号主变噪声异常现象进行了分析，通过测试一号主变高低压测电压畸变率和谐波电流，确定了产生异常噪声的原因，提出了抑制主变噪声的几点优化措施，优化设计后主变压器的空载和负载损耗大幅度降低。为变电站的运行成本带来经济效益为电网的安全运行提供了有力保障。

参考文献

[1]赵玉寿.电弧炉引起的电压波动和闪变的抑制方法研究[D].湖北：武汉科技大学，2012

[2]朱蕾蕾，朱贺，张豫川.高阻抗电弧炉变压器技术参数设计[J].工业加热，2012，41（2）：11-14

[3]阎立懿，肖玉光，王立志，等.超高功率电弧炉变压器容量及技术参数的确定[J].特殊钢，2005，26（2）：35-37

[4]张懋鲁.电炉与电炉变压器[J].变压器，2005，42，（11）：B1-B2

[5]向志雄.炼钢电弧炉变压器的改进[J].变压器2006，43（9）：34-38

[6]谭亲跃.大容量脉冲功率系统对电能质量的影响研究[D].湖北：华中科技大学，2011

[7]Shizhu Huang，Jianhua Li，Juan Zhao.Simulation for Probabilistic Harmonic Currents of Electrical Railway Traction Substation.Power System Technology[J].Automation of Electric Power Systems，2002，（6）：26-31

[8]谭闻，张小武.电力变压器噪声研究与控制[J].高压电器，2009，45（2）：70-76

[9]李冰，胡国清.降低变压器噪声的措施初探[J].变压器，2004，41（8）：40-42

[10]江川.城区变电站变压器噪声分析及治理[J].山东电力技术，2002，（3）：72-74

[11]吕敬友，黄玉，池爱平，等.变电站噪声对环境的影响与防治措施[J].电力与能源，2011，32（2）：162-164

[12]王葵.电网谐波数据的检测与分析研究[D].山东：山东大学，2008