典型非線性負荷對主變運行性能的影響分析

李冬雪李云帆.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院 .大連天籟安全評價咨詢有限公司

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典型非線性負荷對主變運行性能的影響分析

李冬雪1李云帆2
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【摘要】本文以大連馬場220kV變電站為例，對二號主變高低壓側電壓畸變率、閃變電壓和諧波電流進行了測試，以測試結果為依據對2號主變噪聲異?，F(xiàn)象進行了分析，從而確定了主變產生異常噪聲的原因，從制造工藝和結構設計方面提出了抑制噪聲的幾點措施，不僅給變電站的運行成本帶來經濟效益，而且消除了設備上的安全隱患，為電網的安全運行提供了堅實的硬件保障。

【關鍵詞】非線性負荷；變壓器；噪聲；設計

電弧爐變壓器是煉鋼電弧爐最關鍵的大型配套設備。其運行時要經受電爐煉鋼過程中產生的沖擊過電壓，如果對這種沖擊過電壓不加以限制，對電網電能質量將產生非常嚴重的影響。本文通過對大連馬場220kV變電站二號主變噪聲異?，F(xiàn)象的分析，確定了產生異常噪聲的原因，提出了抑制噪聲的幾點措施，不僅給變電站的運行成本帶來經濟效益，而且消除了設備上的安全隱患，為電網的安全運行提供了堅實的硬件保障。

1　主變噪聲異常分析

馬場220kV變電站共運行4臺主變，馬場220kV變電站2號主變（220/36.7/10.5kV，YN，yn0，d11）35kV側為鋼廠冶煉電弧爐沖擊性負荷，經測試兩臺主變35kV側諧波和閃變超標，兩臺主變噪聲明顯異常，在日常檢查中發(fā)現(xiàn)#2主變繞組墊塊已松動。為了監(jiān)測東北特鋼沖擊負荷對電網電能質量的影響，大連供電公司2010～2012年進行了三次諧波測試工作，系統(tǒng)接線圖如圖1，測試內容，見表1。

測試方案：

針對變電站附近鋼廠投運時對馬場220kV變電站2號主變出現(xiàn)聲音異常和噪聲過大的現(xiàn)象，進行現(xiàn)場實時的諧波及閃變測試。在馬場2號主變低壓側（35kV側）進行測試，測試35kV母線AB相電壓、CB相電壓，35kV母線進線A相電流、C相電流。

圖1　系統(tǒng)接線圖

表1　2010～2012年度諧波測試

在完成對主變低壓側的電能質量測試后，對馬場220kV變電站2號主變高壓側（220kV側）進行測試，測試220kV母線A、B、C相電壓，220kV母線進線A、B、C相電流。

諧波及閃變等測試標準，見表2、3。

表2　電網諧波電壓（相電壓）、閃變限值

表3　各次諧波電流允許值

一次側測試結果：2號主變220kV母線A相電壓最大值為134.26kV，最小值為131.53kV，95％概率大值為133.48kV； 220kV母線A相電壓總畸變率最大值為1.32， 最小值為0.72，95％概率大值為0.90；220kV母線A相電壓中5次諧波電壓含有率相對較大，最大值為0.99％，95％概率大值為0.77％；2號主變A相最大負荷電流為58.99A；諧波電流中5次諧波相對較大。

根據電壓閃變的測試結果看，2號主變一次側母線電壓長時閃變最大值為0.63。

二次側測試結果：2號主變35kV母線AB相電壓最大值為37.15kV；最小值為35.06kV；95％概率大值為36.62kV；CB相電壓最大值為37.48kV；最小值為35.17kV；95％概率大值為36.69kV；35kV母線AB相電壓總畸變率最大值為6.48；最小值為0.54；95％概率大值為3.08；CB相電壓總畸變率最大值為6.09；最小值為0.54；95％概率大值為3.13；35kV母線AB相電壓中2次諧波電壓含量最大，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次諧波含量相對較高，其中AB相3次諧波占基波含量的2.13％（最大值）0.66％（95％概率大值），4次諧波占基波含量的2.48％（最大值）0.19％ （95％概率大值），5次諧波占基波含量的2.48％（最大值）2.16％（95％概率大值），6次諧波占基波含量的2.21％（最大值）0.25％（95％概率大值），7次諧波占基波含量的2.43％（最大值）1.72％（95％概率大值），CB相諧波電壓的含量與AB相電壓的變化趨勢相似；2號主變最大負荷電流A相為1.47kA，C相為1.84kA，負荷具有一定的周期變化特點，諧波電流中2、5、7次諧波電流相對較大，其中2、5次諧波電流最大。

根據電壓閃變的測試結果看，2號主變二次側母線電壓長時閃變最大值為4.21。

測試結論：

（1）從測試結果看，本次測試的整個測試周期內，2號主變高壓側諧波電壓總畸變率的95％概率大值為0.90％（A相）滿足國家標準的限制值，A相各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況。2號主變一次側各次諧波電流在測試周期諧波電流未超標（圖2和圖3給出了主變高壓側3次和5次諧波的測試曲線）從圖2、3中可以看出諧波電流95％概率大值未超過國家標準限制值。2號主變一次側母線電壓長時閃變最大值為0.63，未超過國家標準限制值。

（2）主變低壓側諧波電壓總畸變率的95％概率大值為3.08（AB相）、3.13（CB相），具體數(shù)據如圖4、5。超過國家標準的限制值，其中2、3、4、5、6、7次諧波電壓含有率在沖擊時刻發(fā)生超標，主變二次側諧波電流在一個生產周期2次諧波電流短時出現(xiàn)155.2A的較大值，5次諧波電流為50～70A超過國家標準限制值，2號主變二次側母線電壓長時閃變最大值為4.21，超過國家標準限制值。

（3）2號主變2次、5次諧波電流超過國家標準限制值會增大變壓器噪聲和發(fā)熱，因#2主變高壓側電能質量未超過國家標準限制值，低壓側并未給其它用戶供電，不會因為電能質量問題對其它用戶產生影響。

從測試結論不難看出，2號主變低壓側5次諧波電流超過國家標準限制值是導致變壓器噪聲增大的主要原因。

圖2　3次諧波電流變化曲線

圖3　5次諧波電流變化曲線

圖4　測試過程35kV母線AB相電壓閃變變化曲線

圖5　測試過程35kV母線CB相電壓閃變變化曲線

2　諧波電流對主變運行的危害

產生諧波的根本原因是由于給非線性阻抗特性的電氣設備（如東北特鋼的電弧爐）供電。這些非線性負荷在工作時向系統(tǒng)反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的的電壓、電流波形畸變，使電力質量變壞。

影響變壓器鐵芯噪聲的頻譜范圍通常在100～500Hz之間，諧波電流對變壓器的危害主要有以下幾個方面：

（1）增大變壓器的銅損耗和鐵損耗，隨著諧波頻率增高，集膚效應會更加嚴重，鐵損耗也會更大。

（2）會引起變壓器外殼外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部嚴重過熱。

（3）會引起變壓器的噪聲過大和振動。由于電弧爐負載電流變化很大，以致繞組產生震動，特別當預緊力不足時，巨大的軸向電磁力將使線匝絕緣和墊塊承受氣隙的出現(xiàn)和消失所引起的的機械震蕩，導致絕緣損壞。

3　動力變壓器的選型與優(yōu)化設計

為提高變電站運行的安全性、可靠性，從提高供電能力、降低維修成本、節(jié)能降耗和適應電網發(fā)展，將馬場220kV變電站一號主變更換為抗諧波和沖擊能力強的鋼廠冶煉專用動力變壓器是十分必要的。

根據馬場變電站的現(xiàn)有情況，與變壓器廠家溝通后，初步確定馬場變電站一號主變改造的主要設備參數(shù)如下：

（1）接線組別：由于YNd11接線組別變壓器較YNynd11接線型式變壓器對諧波的抑制效果好，因此，建議將現(xiàn)有的三繞組YNynd11接線型式兩臺主變，更換為雙繞組YNd11接線型式主變。

（2）短路阻抗：經過溝通溝通核算，在滿足其供電要求的前提下，提高心變壓器的短路阻抗，由原12％提高到15％～18％，以滿足變壓器抗沖擊能力。

（3）過負荷能力：要求變壓器具有1.4倍的長期過負荷能力，以保證主變在沖擊性負荷下安全工作。

噪音方面采取的優(yōu)化措施：降低鐵心磁密Bm。由1.7T降到1.59T（直接減小鐵心激磁時磁致伸縮引起的鐵心振動）主要按照變壓器的運行負荷的情況，控制變壓器的磁密，以滿足噪音要求；使用磁致伸縮小的優(yōu)質Hi-B硅鋼片；多級階梯型（Step-Lap）鐵心疊級結構；油箱上使用阻尼加強筋；優(yōu)化設計避免鐵心和油箱的共震區(qū)域。

4　變壓器性能對企業(yè)電網的影響

變壓器諧波電流對企業(yè)電網的影響主要表現(xiàn)在造成電網的功率損耗增加，縮短設備使用壽命，接地保護功能或者設備遙控功能失常，用電負荷高導致線路和設備過熱等，特別是諧波產生的中性線電流，可導致配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值，造成企業(yè)生產設備及輔助性設備無法安全可靠運行。尤其是電網設計要求為為一級負荷（例如消防設備設施的供電）的化工生產、金屬冶煉等高危行業(yè)，供電中斷對企業(yè)的消防系統(tǒng)正常啟動以及事故發(fā)生時消防系統(tǒng)設備設施的可靠性啟動造成極大的影響。對電網的安全性、穩(wěn)定性可靠性電流影響還表現(xiàn)在可能引起電網發(fā)生諧振，使正常的供電中斷、事故升級。

5　結論

本文對大連馬場220kV變電站一號主變噪聲異常現(xiàn)象進行了分析，通過測試一號主變高低壓測電壓畸變率和諧波電流，確定了產生異常噪聲的原因，提出了抑制主變噪聲的幾點優(yōu)化措施，優(yōu)化設計后主變壓器的空載和負載損耗大幅度降低。為變電站的運行成本帶來經濟效益為電網的安全運行提供了有力保障。

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