諧波附加損耗及降損節(jié)能分析

1、諧波附加損耗及降損節(jié)能分析一、諧波損耗推導(dǎo)1、前言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載得到廣泛的應(yīng)用，因此非線性負(fù)載帶來的諧波問題逐步得到人們的重視，人們對諧波的研究逐步深入，研究重點側(cè)重于諧波對電網(wǎng)及電網(wǎng)中設(shè)備造成的危害，對諧波產(chǎn)生的各種能源損耗研究不多，該文針對諧波附加損耗的計算是在奧地利george j,wakileh博士的計算基礎(chǔ)上由解放軍理工大學(xué)汪彥良等四位導(dǎo)師補充完成。該文主要針對集膚效應(yīng)增大導(dǎo)體的阻抗進行研究，根據(jù)日本電力公司提供的資料，5次諧波含量為10%時，就能使變壓器損耗比不存在諧波時增大10%。2、集膚效應(yīng)時諧波附加損耗分析各設(shè)備的損耗分類較復(fù)雜。以變壓器為例分析：變壓器損

2、耗分為：銅耗、鐵耗、介質(zhì)損耗、雜散損耗等。其鐵耗又分為磁滯損耗和渦流損耗。不管分類如何復(fù)雜，按性質(zhì)分只有兩類：基本損耗和諧波損耗。諧波環(huán)境下，考慮集膚效應(yīng)時，導(dǎo)體的各次諧波阻抗為 (1)式中，rn為導(dǎo)體中n次諧波電流所對應(yīng)的電阻，；n為諧波次數(shù)。（1） 變壓器的銅耗考慮集膚效應(yīng)時，根據(jù)（1）可得變壓器銅耗為 （2）式中，p為變壓器銅耗，w；各次諧波電流，a；n=1時，表示基波電流；為變壓器繞組基波電阻；為各次諧波含量，是指各次諧波電流與基波電流的比值，即表示為 后面公式采用都才是為了表達(dá)方便。表示諧波電流，表示基波電流。由式（2）可知，變壓器的銅損耗由兩部分構(gòu)成。第一部分為基本的銅損耗，是由基

3、波電流產(chǎn)生的；第二部分為諧波損耗，它是基波損耗的k倍 (3)在變壓器中，當(dāng)繞組導(dǎo)線施加畸變電流時，發(fā)生第一次集膚效應(yīng)；繞組磁化變壓器鐵心后，產(chǎn)生了畸變磁場，又施加在繞組上，在繞組導(dǎo)線上發(fā)生第二次集膚效應(yīng)。當(dāng)變壓器繞組為-y接線方式時，3n次零序諧波電流疊加。變壓器的諧波損耗通常歸類為雜散損耗，及線圈渦流損耗，它是引起變壓器鐵心額外發(fā)熱的重要因素。在各類電器設(shè)備中，諧波電流的附件損耗占基本銅耗的比例，以變壓器為較大。（2） 變壓器鐵耗鐵耗是指發(fā)生在鐵心中的損耗，鐵心被外加勵磁磁化，在磁化過程中產(chǎn)生了能量損耗。鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗，它導(dǎo)致變壓器和電機效率降低，鐵心溫度升高，從而限制了出力的提

4、高。磁滯損耗是由鐵心磁化極性的反轉(zhuǎn)造成的，有磁性材料的尺寸和品質(zhì)、磁通密度的最大值和交流電流的頻率決定的。對于正常范圍1.5wb/m2以下的磁通密度，基波頻率下的磁滯損耗為 （4）式中，為常數(shù)，其值由鐵心材料和尺寸決定：為交流電流的基波頻率；為磁通密度n次諧波最大值；為指數(shù)，其值取決于鐵心材料，通常為1.6。當(dāng)考慮諧波時，由式（4）可得 （5）由（5）推導(dǎo)得 （6）式中，為n次諧波的磁滯損耗標(biāo)值；為第n次諧波的磁滯損耗；n為諧波次數(shù)，n=1表示基波；為磁通密度n次諧波最大值；為磁化電流的第n次諧波峰值；為總磁滯損耗。渦流損耗是由渦流電流流動引起的功率損耗，渦流感生于變壓器鐵心中，由交流勵磁引起

5、。基本渦流損耗為 （7）式中，k為常數(shù)，取決于鐵心材料、尺寸和疊片厚度?？紤]諧波及集膚效應(yīng)時，由式（7）可得 （8） （9）式中，為n次諧波的磁滯損耗標(biāo)值；為第n次諧波的磁滯損耗；n為諧波次數(shù)，n=1表示基波；為磁通密度n次諧波最大值；為磁化電流的第n次諧波峰值；為總渦流損耗。則總鐵耗為 （10）由以上分析可知，鐵心的損耗中無論是磁滯損耗還是渦流損耗，它的損耗都具有相同的形式，均是由基本損耗和諧波損耗構(gòu)成。在磁滯損耗中，諧波造成的附件損耗是基本損耗的k倍 （11）在渦流損耗中，諧波造成的附件損耗是基本損耗的k倍，此時k系數(shù)為 （12）顯然，諧波引起的渦流損耗增加值超過有磁滯引起的磁滯損耗增加值

6、。（3） 諧波損耗的附加倍數(shù)通過變壓器銅耗和鐵耗分析可知，考慮諧波及集膚效應(yīng)時，無論是銅耗還是鐵耗，無論是磁滯損耗還是渦流損耗，諧波造成的附件損耗具有相同的形式 （13）式中，為諧波損耗：為基波損耗：n為諧波次數(shù)；為第n次諧波含有量：，為指數(shù)，不同設(shè)備、不同含義的附加損耗指數(shù)不同。實際上，對于電纜、電機、電容器等各類電力設(shè)備，以上結(jié)論也是成立的。它們的損耗均是由基波損耗和諧波損耗構(gòu)成，其中諧波損耗都具有式（13）的形式，只是附加倍數(shù)不同而已。主要電力設(shè)備的諧波附加損耗倍數(shù)如表1所示。表1 主要電力設(shè)備的諧波附加損耗倍數(shù)設(shè)備名稱諧波附加損耗類別附加倍數(shù)k發(fā)生集膚效應(yīng)次數(shù)變壓器繞組的附加損耗2鐵心

7、的磁滯附加損耗2鐵心的渦流附加損耗4電纜電纜導(dǎo)體附加損耗1介質(zhì)附加損耗2電容器介質(zhì)附加損耗電機轉(zhuǎn)子附加損耗（）1（）定子附加損耗雜散附加取基波損耗的0.5%1%， 通過以上各類設(shè)備的損耗分析可知，設(shè)備的損耗主要取決于基波損耗和諧波損耗?；〒p耗反應(yīng)了設(shè)備的性能差異，而諧波損耗則反映了供（配）電系統(tǒng)內(nèi)電流的畸變情況。諧波損耗是以基波損耗的附加倍數(shù)體現(xiàn)的，因此，人們希望通過提高設(shè)備性能來降低損耗，即降低基波損耗來提高設(shè)備的效率。近年來，節(jié)能型變壓器、高效電機、零阻抗電纜等相繼研發(fā)成功，有的設(shè)備已投入應(yīng)用。但是，這些設(shè)備研發(fā)成本高，造價昂貴，還沒有得到普及應(yīng)用，也不可能達(dá)到“零損耗”的狀態(tài)。所以，除

8、了進一步研究高性能的設(shè)備外，還應(yīng)把降低諧波損耗作為重點，由表1可見，各類設(shè)備的諧波損耗，均與系統(tǒng)內(nèi)諧波電流的含量密切相關(guān)，諧波電流含量反映了單次諧波的電流的相對大小，而諧波電流總畸變率則反映了總的畸變情況。諧波電流的含量和諧波電流總畸變率對諧波附加損耗的大小有相同的決定性影響，它們又取決于供（配）電系統(tǒng)內(nèi)非線性負(fù)載設(shè)備的性能參數(shù)值。二、根據(jù)武漢聯(lián)通中北路局站諧波治理實際測試數(shù)據(jù)計算諧波損耗1、武漢聯(lián)通諧波治理前后測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)品名稱1、諾電霸pq2、多功能系統(tǒng)節(jié)電器型號規(guī)格np-pq-3l-45multi-saver安裝地點中北路局站出廠編號狀態(tài)各項測試參數(shù)基波電流（a）有功功率視在功率無功功

9、率功率因數(shù)5次電流（a）7次電流（a）11次電流（a）13次電流（a）17次電流（a）補償前214.846.749.215.40.9530.518.38.68.17.4補償后202.645.547.311.40.975.45.94.53.93.5下降率5.7%2.6%3.7%25.9%82.3%67.8%47.7%51.9%52.7%3、5次諧波電流對比pq設(shè)備投入前 pq設(shè)備投入后4、7次諧波電流對比pq設(shè)備投入前 pq設(shè)備投入后5、11次諧波電流對比pq設(shè)備投入前 pq設(shè)備投入后6、13次諧波電流對比pq設(shè)備投入前 pq設(shè)備投入后7、17次諧波電流對比pq設(shè)備投入前 pq設(shè)備投入后二、武漢聯(lián)通中北路局站實際節(jié)電效果計算1、諧波治理前后各種損耗情況下附加倍數(shù)k值的確定。1）繞組的附加損耗值計算諧波治理前諧波治理后實際節(jié)電值2）鐵心的磁滯附加損耗值計算諧波治理前諧波治理后實際節(jié)電值3）鐵心的渦流附加損耗值計算諧波治理前諧波治理后實際節(jié)電值4）電纜導(dǎo)體附加損耗值計算諧波治理前諧波治理后實際節(jié)電值k值沒有算入電機損耗、雜散損耗、電容器損耗等數(shù)據(jù)。2、節(jié)電率計算根據(jù)諧波損耗總計算公式，通常一個變壓器電網(wǎng)平均基波損耗在10%左右，聯(lián)通公司配電比較規(guī)范，電網(wǎng)基波損耗按5%估算，由于諧波損耗是基波損耗的k倍，因此