在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，高次諧波畸變是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，其對(duì)電力變壓器的影響不容小覷。高次諧波畸變是如何影響電力變壓器的性能、效率以及使用壽命的。本文將深入探討諧波畸變對(duì)電力變壓器的具體影響，并討論一些緩解影響的策略。
理解高次諧波畸變
在理想的電力系統(tǒng)中，電壓和電流波形通常是具有單一頻率（通常是50Hz 或60Hz）的純正弦波。然而，在實(shí)際情況中，非線性負(fù)載如變頻驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)、熒光燈等會(huì)向電力系統(tǒng)中引入諧波電流。
高次諧波是指基頻的整數(shù)倍頻率。例如，二次諧波的頻率為100Hz或120Hz（分別對(duì)應(yīng)50Hz或60Hz的基頻），三次諧波的頻率為150Hz或180Hz等。這些諧波電流會(huì)畸變電壓和電流波形的正弦波形狀，從而導(dǎo)致高次諧波畸變。
高次諧波畸變對(duì)電力變壓器的影響
1.損耗增加
電力變壓器主要有兩種損耗：銅損和鐵損。
銅損：與通過(guò)繞組的電流平方成正比。高次諧波電流會(huì)增加變壓器繞組的總電流，從而大幅增加銅損。例如，如果存在大小為基頻電流10%的高次諧波電流，由于電流與損耗之間的非線性關(guān)系，銅損可能會(huì)增加約21%。
鐵損：由磁滯損耗和渦流損耗組成，也會(huì)隨著高次諧波畸變而增加。渦流損耗與頻率的平方成正比。由于高次諧波具有比基頻更高的頻率，因此變壓器鐵心的渦流損耗會(huì)大幅增加。這種損耗的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器運(yùn)行溫度升高，進(jìn)而降低其效率并可能縮短使用壽命。
2.過(guò)熱問(wèn)題
高次諧波畸變引起的損耗增加會(huì)導(dǎo)致電力變壓器過(guò)熱。過(guò)熱是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗赡軙?huì)損壞變壓器中使用的絕緣材料。絕緣材料的溫度等級(jí)是有限的，如果溫度超過(guò)這個(gè)等級(jí)，絕緣材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，可能導(dǎo)致絕緣崩潰，最終導(dǎo)致變壓器故障。
此外，過(guò)熱還會(huì)對(duì)變壓器部件造成機(jī)械應(yīng)力。溫度變化引起的繞組和鐵心的膨脹與收縮可能會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)，進(jìn)一步惡化問(wèn)題，增加短路的風(fēng)險(xiǎn)。
3.容量減少
高次諧波畸變還會(huì)降低電力變壓器的有效容量。通常，變壓器是根據(jù)其在基頻下處理一定量負(fù)載的能力來(lái)評(píng)估的。當(dāng)存在高次諧波電流時(shí)，變壓器需要攜帶額外的電流，從而有效減少其在基頻下能夠處理的負(fù)載量。
例如，一個(gè)額定為1000kVa的變壓器在基頻下，如果存在顯著的高次諧波畸變，可能只能處理800kVa。這種容量的減少可能會(huì)導(dǎo)致需要更換變壓器或使用更大的變壓器來(lái)滿足負(fù)載要求，從而增加電力系統(tǒng)的成本。
4.諧振問(wèn)題
高次諧波可能會(huì)引起電力系統(tǒng)的諧振。當(dāng)變壓器的感抗與系統(tǒng)的容抗在特定的高次諧波頻率下相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振。一旦發(fā)生諧振，系統(tǒng)的阻抗會(huì)變得非常低，導(dǎo)致高次諧波電流大幅增加，從而可能引發(fā)過(guò)電壓和過(guò)電流。這些諧振條件可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的變壓器和其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。此外，它們還可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和其他電力質(zhì)量問(wèn)題，從而影響敏感負(fù)載的性能。
高次諧波解決方案：針對(duì)受影響的電力系統(tǒng)
1.設(shè)計(jì)能夠抵抗諧波畸變的變壓器
例如，使用較大截面積的繞組來(lái)減少由諧波電流引起的銅損。此外，采用優(yōu)質(zhì)低渦流鐵心材料，以降低鐵損，從而最大限度地減少諧波引起的鐵心損耗增加。
2.高次諧波濾波器
提供可安裝在電源系統(tǒng)中的高次諧波濾波器，以減少流入變壓器的諧波電流。高次諧波濾波器通過(guò)為諧波電流提供低阻抗路徑，將其從變壓器周?chē)至?，從而發(fā)揮作用。
3.監(jiān)測(cè)與維護(hù)
進(jìn)行監(jiān)測(cè)服務(wù)，持續(xù)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的高次諧波水平和變壓器的性能。通過(guò)定期監(jiān)測(cè)諧波畸變，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并及時(shí)采取措施防止變壓器故障。
理解高次諧波畸變
在理想的電力系統(tǒng)中，電壓和電流波形通常是具有單一頻率（通常是50Hz 或60Hz）的純正弦波。然而，在實(shí)際情況中，非線性負(fù)載如變頻驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)、熒光燈等會(huì)向電力系統(tǒng)中引入諧波電流。
高次諧波是指基頻的整數(shù)倍頻率。例如，二次諧波的頻率為100Hz或120Hz（分別對(duì)應(yīng)50Hz或60Hz的基頻），三次諧波的頻率為150Hz或180Hz等。這些諧波電流會(huì)畸變電壓和電流波形的正弦波形狀，從而導(dǎo)致高次諧波畸變。
高次諧波畸變對(duì)電力變壓器的影響
1.損耗增加
電力變壓器主要有兩種損耗：銅損和鐵損。
銅損：與通過(guò)繞組的電流平方成正比。高次諧波電流會(huì)增加變壓器繞組的總電流，從而大幅增加銅損。例如，如果存在大小為基頻電流10%的高次諧波電流，由于電流與損耗之間的非線性關(guān)系，銅損可能會(huì)增加約21%。
鐵損：由磁滯損耗和渦流損耗組成，也會(huì)隨著高次諧波畸變而增加。渦流損耗與頻率的平方成正比。由于高次諧波具有比基頻更高的頻率，因此變壓器鐵心的渦流損耗會(huì)大幅增加。這種損耗的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器運(yùn)行溫度升高，進(jìn)而降低其效率并可能縮短使用壽命。
2.過(guò)熱問(wèn)題
高次諧波畸變引起的損耗增加會(huì)導(dǎo)致電力變壓器過(guò)熱。過(guò)熱是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗赡軙?huì)損壞變壓器中使用的絕緣材料。絕緣材料的溫度等級(jí)是有限的，如果溫度超過(guò)這個(gè)等級(jí)，絕緣材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，可能導(dǎo)致絕緣崩潰，最終導(dǎo)致變壓器故障。
此外，過(guò)熱還會(huì)對(duì)變壓器部件造成機(jī)械應(yīng)力。溫度變化引起的繞組和鐵心的膨脹與收縮可能會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)，進(jìn)一步惡化問(wèn)題，增加短路的風(fēng)險(xiǎn)。
3.容量減少
高次諧波畸變還會(huì)降低電力變壓器的有效容量。通常，變壓器是根據(jù)其在基頻下處理一定量負(fù)載的能力來(lái)評(píng)估的。當(dāng)存在高次諧波電流時(shí)，變壓器需要攜帶額外的電流，從而有效減少其在基頻下能夠處理的負(fù)載量。
例如，一個(gè)額定為1000kVa的變壓器在基頻下，如果存在顯著的高次諧波畸變，可能只能處理800kVa。這種容量的減少可能會(huì)導(dǎo)致需要更換變壓器或使用更大的變壓器來(lái)滿足負(fù)載要求，從而增加電力系統(tǒng)的成本。
4.諧振問(wèn)題
高次諧波可能會(huì)引起電力系統(tǒng)的諧振。當(dāng)變壓器的感抗與系統(tǒng)的容抗在特定的高次諧波頻率下相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振。一旦發(fā)生諧振，系統(tǒng)的阻抗會(huì)變得非常低，導(dǎo)致高次諧波電流大幅增加，從而可能引發(fā)過(guò)電壓和過(guò)電流。這些諧振條件可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的變壓器和其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。此外，它們還可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和其他電力質(zhì)量問(wèn)題，從而影響敏感負(fù)載的性能。
高次諧波解決方案：針對(duì)受影響的電力系統(tǒng)
1.設(shè)計(jì)能夠抵抗諧波畸變的變壓器
例如，使用較大截面積的繞組來(lái)減少由諧波電流引起的銅損。此外，采用優(yōu)質(zhì)低渦流鐵心材料，以降低鐵損，從而最大限度地減少諧波引起的鐵心損耗增加。
2.高次諧波濾波器
提供可安裝在電源系統(tǒng)中的高次諧波濾波器，以減少流入變壓器的諧波電流。高次諧波濾波器通過(guò)為諧波電流提供低阻抗路徑，將其從變壓器周?chē)至?，從而發(fā)揮作用。
3.監(jiān)測(cè)與維護(hù)
進(jìn)行監(jiān)測(cè)服務(wù)，持續(xù)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的高次諧波水平和變壓器的性能。通過(guò)定期監(jiān)測(cè)諧波畸變，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并及時(shí)采取措施防止變壓器故障。
