谐波对配电变压器的影响研究

谐波对配电变压器的影响研究

孙健

广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523000

摘要：随着社会经济的快速发展，电力系统规模的不断扩大，非线性负荷也在逐渐增加，谐波对配电网的影响越来越大，带来了巨大的经济损失。本文对配电变压器的谐波老化寿命经济损失进行了研究，建立了相应的老化剩余寿命模型。同时，分析了谐波对变压器降容率的影响，建立了谐波下变压器降容率的数学模型。

关键词：谐波；变压器；经济损失；老化寿命；降容率

0引言

国内外也对谐波展开了大量的调查、研究，来自日本国内的一项调查显示，低压用户给电网造成的谐波污染最严重，配电网中近40%的谐波都是来自商业以及居民用户。大量谐波在配电网中流通，不仅会使得电网产生附加损耗，造成电能浪费，还会引起电力设备温度升高，加快绝缘老化，缩短设备的使用寿命。另外，还会降低供电设备容量的利用率，增加设备的故障率，造成继电保护装置误动作等等，这些影响与危害在无形中都会给电网带来额外的经济损失。

1谐波危害

在电力系统中，谐波的产生主要来自两个方面：一个是来自用户的非线性负荷，另一个就是来自系统的影响。

用电设备是产生谐波的主要原因。非线性设备产生的谐波电流通过网络注入到系统电源中，畸变电流经系统阻抗使母线电压发生畸变，使电能质量受到污染。

来自系统的影响主要有以下几点。其一，系统中交流发电机内部的定子和转子间的气隙，由于受到铁心齿、槽或工艺的影响，分布不均匀，虽然各相电势的波形对称，但三相电势中含有一定数量的奇次谐波；其二，电网中大量变压器的励磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或者过励磁时则更为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源；其三，当电网中投切空载变压器或电容器时，合闸涌流注入电网也会形成突发性谐波。

谐波会造成铁芯涡流损耗增加，谐波电流会使铜耗增大。另外，高频电流的集肤效应使得有效电阻值增大，从而损耗增加，导体发热严重，加速绝缘老化，缩短使用寿命。由于损耗增加，也会影响变压器的实际使用容量，造成容量利用率降低。因此，在购买变压器时，应该考虑预留出因谐波损耗所占的一部分容量。

2谐波对配电变压器的影响分析

变压器损耗主要包括三大部分：铁耗、铜耗和其它杂散损耗。其中，铁耗主要为铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗。铜耗主要包括电流流过绕组时产生的直流电阻损耗和涡流损耗。只有铁耗与电压大小有关，其它均由电流大小决定。

为了便于计算谐波对变压器的影响程度，根据IEEE标准C57.12.91-1995，将变压器总损耗分为空载损耗和负载损耗，变压器损耗分解模型如图2-1所示。

目前，没有较好的办法直接计算涡流损耗或者其它杂散损耗，一般可直接用负载损耗减去电阻损耗，得到涡流损耗和其它杂散损耗之和。对于油浸式变压器，可近似认为杂散损耗的33%为绕组涡流损耗。

2.1谐波对配电变压器温升的影响

变压器有两个主要的热源，即变压器的铁芯和绕组。通常情况下，绕组的平均温度最高，铁芯平均温度次之。变压器内部不同部分的温度不一样，同一部分的温度也有区别。对于同一部分，比如绕组，温度一般由下往上逐渐升高，但由于最高点的散热相对好些，所以最高点的温度不是最高。

对于自冷ONAN模式的油浸式变压器而言，由于最热点的温度对变压器的绝缘性能及老化寿命有较大影响，因此需要重点关注。通常情况下自冷模式的油浸式变压器最热点温度大约在绕组高度方向的3/4处，宽度向外方向的1/3处。但绕组最热点温度一般不可直接测量，可通过顶层油温来间接计算。顶层油温一般可以测量，也可通过以下方法来计算。

根据公式就可以计算出变压器在运行时间t内的寿命损失。

2.3谐波对配电变压器容量利用率的影响

谐波电流流过变压器时，不仅会造成变压器损耗增大，油温和绕组温度升高，老化速率加快，还会对变压器的安全运行产生影响。为了防止变压器在谐波的影响下过载或者温升过高，给变压器带来安全隐患，变压器一般需要降容运行。

根据调查显示，不同国家对谐波影响下的变压器降容率规定不同。在日本，相关规定表明，不允许流过变压器的谐波电流含量超过20%，如果超过该比例，变压器需要降容15%，保持在额定容量的85%运行。另外，随着负荷的不断增加，当变压器处于规定的降容运行边界时，此时原变压器就不能再继续增带负载，需要另外购买变压器来分担负担。由此可见，受谐波的影响，变压器不但需要降容运行，造成容量浪费，同时浪费的这部分容量需要通过额外购买变压器来进行补偿，这些都增加了电网的建设和运行成本。

在东莞，由于受谐波电流的影响，变压器的经济损失比较严重。相关资料显示，东莞电网中的配电变压器由于受谐波影响，全部降容量达到了726MVA，而这部分变压器中每年约有10%达到了规定的降容边界，需要额外购买的变压器总容量约为72MVA，大约需要多花费1453万元。

由上述分析可知，由于谐波的影响，造成变压器容量利用率下降带来的经济损失是巨大的。为了能够更加准确地评估出这部分的经济损失，必须能够准确的计算出变压器在不同谐波含量下的容量利用率。

谐波条件下，变压器的容量利用率D可表示为：

变压器的谐波电流含量越高，Kh值越大，变压器的容量利用率就越低，造成的经济损失也就越大。

3结论

本文首先介绍了谐波对变压器负载损耗、温升的影响：谐波电流含量越高，变压器负载损耗越大，顶层油温以及绕组热点温度也就越高。结合谐波下的绕组热点温度，根据《油浸式电力变压器导则》建立了谐波下的变压器老化寿命评估模型，模型显示随着绕组热点温度的升高，变压器的相对老化速率在增大，导致寿命损失增加。分析了谐波对变压器容量利用率的影响，建立了谐波下的变压器降容率的数学模型。

作者简介：

孙健（1988—），男，本科，助理经济师，从事电力市场营销线及电力信息线招标管理工作。E-mail：15920203252@163.com