关于电网高次谐波对变压器设备的影响分析

邵先进 周明 龚海峰

摘 要：随着我国社会经济的蓬勃发展，电网行业也得到显著的发展和壮大。通常情况下，电网系统中常含有高次谐波，这将可能导致变压器设备中铁心饱和，使其产生的噪声提高，铁心突然发烫，对整个设备的运行安全构成严重威胁。本文将通过案例分析的方式，对谐波对变压器产生的影响以及防治措施进行分析和阐述。

关键词：电网 高次谐波 变压器设备 影响

中图分类号：TM132 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0089-02

在电网系统中，一般会存在高次谐波分量，这将在很大程度上可能导致铁心饱和状况发生，进而使其产生的噪声值提升，铁心的热量在短时间内上升，影响整个设备的正常顺利运行。对此，应对故障发生的原因进行分析，并且采取正确合理的措施进行有效的解决。

1 谐波对变压器产生的影响及防治措施

1.1 影响

在电网系统中，通常情况下，变压器与变频器将会同时工作，这时由变频器工作过程中，受电流影响而产生的谐波将会对变压器的正常运转产生影响。而变压器又属于整个电网系统中的关键部分，在供电网络正常运转的情况下，一旦变压器受到谐波的影响而难以实施正常工作，将会导致整个电网系统的瘫痪，进而为供电企业带来巨大损失。另外，当电网设备中有电流经过时，不同电网设备所产生的频率谐波也不尽相同，这些谐波将会在电网中相互作用和影响，对变压器的正常运行带来严重干扰。一旦变压器难以实施正常运行，变频器中的电流将会变得更加不稳，产生更多的谐波对变压器造成破坏，如此反复地恶性循环，将直接导致变压器的工作效率和质量受到严重影响，长此以往还会缩短设备的使用期限，为供电企业的健康发展带来极大的不良影响[1]。

1.2 防止措施

对于电网高次谐波对变压器设备产生的影响问题，为了使不良影响得到有效的控制，使系统的运行质量得到显著提升，应采取两方面措施，一方面从谐波的根源处入手，减少对非线性、大容量设备的应用。另一方面，则是在波源之外实施有效的处理。第一，使整流装置中脉冲的数量增加，这主要是因为谐波的数量n与脉冲数量p之间存在正比例关系，而谐波电流的平方根又与谐波次数成反比例关系，因此可以通过提升脉冲数量的方式减少谐波分量。第二，将电抗器串联到不具备电抗器的电容器中，以此来提升对谐波的抵御能力，减少谐波对变电器设备产生的影响。第三，安装LC滤波器，能够对谐波所产生的电流进行就近吸收。当处于工频工况的情况时，滤波器能够对无功功率进行供给，使功率因数得到有效的改善，对高次谐波具有十分显著的抑制作用。

2 谐波对变压器影响的实际案例分析

2.1 故障产生

某电台技术人员在对变压器设备實施巡检时发现存在异常情况，该设备的类型为三相干式整流变压器，存在的问题主要体现在：运行过程中产生的噪音量较高，将近70dB，根据相关规定标准，一台正常变压器设备在工作时的声音应为48dB左右，该设备已经超过标准数值。在温度上体现出较大的发热现象，铁心表面的温度将近95℃，正常情况下的温度应为65℃左右，因此在温度上也明显超过规定标准。在功率方面，功率因数为0.82，正确情况下应为0.95，因此具有明显的下降趋势。经过深入验证和核实后得知，该设备中电流存在不平衡现象，A相的电流为10A，B相和C相均为7.5A，A相电流过大[2]。

2.2 故障检测

为了保障变压器设备的安全以及传输工作的正常进行，首先利用备用设备将其替换下来，但发现故障问题仍然存在，这将说明与该设备无关，初步考虑是系统电源出现故障而引发，因此启动备用的发电机组，发现故障问题被解决。通过查找该设备的存档资料能够对其具体信息进行了解和掌握，该设备的类型为三相干式整流变压器，次级两组电压之间的相位差距为30°，通过两组串联的全波整流之后，将其转变为脉动直流电源，进而为相关设备的运行提供所需电源。为了使故障原因被彻底找出，技术人员利用高精度功率分析仪对电源进行了检测，通过检测结果能够看出，在该电网系统的电源中，包含大量的高次谐波分量，主要以三次、五次、七次等奇次谐波为主，尤其是五次谐波的含量最多。其中，I5A为18.2%，I5B为22.6%，I5C为21.4%。同时，通过检测还能够看出，在该变压器设备中，在三相电抗方面也不尽相同。其中，XA为0.8130，XB为0.8425，XC为0.8404。

2.3 故障原因

通过上述检测与分析之后能够得出，该三相变压器出现故障的主要原因为电网系统中的高次谐波分量较多，使得设备中铁心首先电流的影响发生畸形，由正弦波形转变为尖顶波形，导致铁心饱和，当设备处于运行状态时，出现较强的噪声。同时，由于变压器中的铁心受到影响发生损耗，主要表现在磁滞以及涡流两个方面，而谐波的产生将会加强对涡流的消耗，即，这时将会导致铁心温度持续升高，出现较为明显的发热现象。另外，谐波还会促使无功电流的增加，进而使系统的功率因数下降。由于在变压器制造过程中，在线圈的尺寸中存在误差，致使三相电抗之间出现不均衡现象，A相电抗明显偏低，其他两项的数值较为接近。具体的电抗计算公式为：

（1）

式中，为电抗，单位；为频率，单位Hz；N为线圈的数量；为线圈漏磁的面积，单位cm2；为电抗修正系数，范围主要在0.95～1.03之间；是初级与次级线圈平均电抗的高度值，单位cm。

通过上述公式的计算能够得出，电抗与频率之间存在正相关的关系，即频率的数值越高，三相变压器中存在的偏差将越大。同时，当A相线圈的电抗数值变小，又处于高频状况下时，将会使得A相输出电压数值增加，进而带动次级负荷电流也随之提升，最终出现三相电流不均衡问题，主要体现在A相电流与其他两项相比较大[3]。

2.4 解决措施

对于上述故障问题的解决措施主要包括以下两个方面：第一，将变压器设备中的初级侧与三相电容器进行并联，以此来实现对谐波的过滤作用。第二，将变压器的初级侧与电感相串联，这样做能够实现三相电抗之间的平衡，使得负荷电流能够达到均衡状态。通过使用上述方法对电网系统进行维修，实施输电工作时发现故障问题已经得到了合理解决，三相电的运行处于均衡状态，这将再次验证了上述推断的合理性，对于异常情况的消除发挥了重大作用。

3 结语

综上所述，随着社会经济的迅猛发展，电力电网已经成为人们生产生活中不可缺少的一部分，变频器在其中的应用能够使系统运行的效率得到显著提升，与此同时，其产生的谐波也将对变压器设备等产生较大的不利影响。对此，电力企业应加强重视，积极投入人力物力对电网中高次谐波进行抑制，采用科学合理的方式减少其对变压器设备产生的不良影响，使电力系统的安全性与稳定性得到显著提升，实现电力企业的健康可持续发展。

参考文献

[1] 翁汉.复杂电磁暂态下变压器差动保护异常动作行为分析及对策研究[D].华中科技大学，2012.

[2] 朱光伟.基于LABVIEW的电力变压器在线振动监测系统的设计及研究[D].西华大学，2013.

[3] 蒯狄正，万达，邹云.直流输电地中电流对电网设备影响的分析与处理[J].电力系统自动化，2015（2）：81-82.