變壓器鐵心諧波磁通抑制技術及其在工業整流中的應用
2011-12-31 00:00:00寧志毫,羅隆福,許加柱,邵鵬飛,趙志宇
湖南大學學報·自然科學版 2011年12期
摘 要：提出了一種基于感應濾波的變壓器鐵心諧波磁通抑制技術，以解決現有大功率整流系統諧波污染嚴重及變壓器振動與噪音大等問題.對新型整流變壓器及濾波裝置進行了分析與設計，根據新型諧波屏蔽變壓器的諧波抑制原理，從變壓器鐵心的諧波磁通抑制方面揭示了感應濾波技術在諧波抑制和降低變壓器振動與噪音的本質及特點，提出一種通過判別諧波電壓電流相位差是否趨近于零以實現濾波裝置全調諧的方法，構建了一套新型工業直流供電系統.最后，通過對實際新型工業直流供電系統進行測量，結果表明了本文提出的新型直流供電系統具有良好的諧波抑制效果和大大降低變壓器振動與噪音等優點.
關鍵詞：感應濾波；直流供電系統；諧波抑制；諧波磁通；全調諧
中圖分類號：TM721; TM461 文獻標識碼：A
Harmonic Magnetic Flux Suppression Technology
of Transformer Core and Its Application
in the Industrial Rectifier System
NING Zhi-hao， LUO Long-fu， XU Jia-zhu， SHAO Peng-fei， ZHAO Zhi-yu
(College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)
Abstract:In order to solve the serious harmonic contamination and transformers' vibration and noises of the existing high-power industrial rectifier system， harmonic magnetic flux suppression technology of transformer core based on inductive filtering method was proposed. Firstly， the new rectifier transformer and filtering device were analyzed and designed. Based on the harmonic suppressing principle of the new converter transformer and the view of harmonic magnetic flux suppression in transformer core， the inherent distinction and characteristics of the inductive filtering method on the harmonic suppression and the reduction of the transformers' vibration and noises were revealed. Then， this paper achieves the normal tuning of the filtering devices by measuring the phase differences between harmonic voltages and currents. A new DC power supply system was also established. In addition， the practical test results of the new DC power system have shown that the harmonics generated by rectifiers and loads are well suppressed and the vibration and noises of the transformers are greatly reduced.
Key words:inductive filtering; DC power system; harmonics suppression; harmonic flux; full-tune
現有大功率工業整流行業，如電解、化工等，在實際生產過程中會產生大量的諧波，不僅對供電網造成嚴重的諧波污染，降低直流供電系統的運行效率，同時也嚴重影響了變壓器的正常運行，增大了變壓器的振動和噪音［1-2］.針對因諧波引起的諸多問題，目前主要采用的解決方案包括：多重化濾波、有源濾波和網側無源分流濾波［3-5］，這在一定程度上達到了諧波抑制的效果，但沒有從根本上解決諧波對變壓器的不利影響，且存在諸多不可忽略的缺點，如無源分流濾波易受網側電源阻抗的影響，且普遍采用的偏調諧設計必然影響其濾波效果［6］，并且由于網側的高電壓等級，增加了濾波器的成本等.
針對上述存在的問題，本文在現有新型諧波屏蔽變壓器及其感應濾波技術研究的基礎上［7-10］，設計了一種基于感應濾波的諧波磁通抑制變壓器及其構建的工業直流供電系統.通過第三濾波繞組的零等值阻抗設計，與全調諧LC無源濾波器一并為特定次諧波提供了一個類似于超導且具有低電抗特性的零阻抗短路環，從而達到了良好諧波抑制效果.同時，大大降低了變壓器鐵心的諧波磁通，進而從根本上減小了諧波引起的變壓器振動和噪音.本文詳細分析了變壓器鐵心諧波磁通抑制機理，闡述了感應濾波方法與技術及其實現條件，對配套全調諧濾波裝置進行了設計，并提出全調諧判據以實現濾波裝置的全調諧.工程實測結果驗證了變壓器鐵心諧波磁通抑制技術及其構建的直流供電系統具有良好的濾波效果和降低諧波對變壓器振動與噪音的不良影響等優點.
1 新型整流變壓器結構及其諧波磁通抑制機理
對于常規的變壓器第三繞組濾波方案，由于第三繞組的等值阻抗大，因此存在諧波分流效果差、損耗大等缺點.本文基于感應濾波技術，實現了第三濾波繞組的零等值阻抗設計，結合接入的全調諧濾波支路，為諧波電流提供了一個短路環，以達到良好的濾波效果；同時，變壓器鐵心中的諧波磁通也得到有效抑制，可顯著降低變壓器的振動與噪音.新型整流變壓器的結構圖如圖1所示，其已成功應用于某化工集團電解項目.
圖1中，調壓變部分采用自耦型正反調壓方式，調壓等級為27級；主變部分閥側繞組采用同相逆并聯結構，濾波繞組接5，7，11和13次全調諧濾波器，為各次特征諧波提供低阻抗通路，使得大部分諧波流入此諧波等值阻抗低的短路環，從而大大降低了相對諧波等值阻抗較大的網側繞組中的諧波含量，同時補償系統消耗的無功功率.
1.1 諧波抑制機理
設此新型整流變壓器網側繞組的諧波等值阻抗為Z1n，二次負載繞組的諧波等值阻抗為Z2n，二次濾波繞組的諧波等值阻抗為Z3n，濾波器的諧波阻抗為Zfn，其等效模型如圖2所示.
根據圖2的諧波模型及n次諧波電壓、電流方程可得U1n=0，U3n=IfnZfn，I3n=－Ifn，將其代入式(1)可得：
I1n=N1N3Z3n+ZfnZ1nI3n (2)
從二次負載繞組回饋的n次諧波電流，將要在網側繞組和二次濾波繞組中產生分流，分流的大小取決于各自阻抗值.由式(2)可知，要使得網側繞組中的諧波電流等于0，即諧波全部被引流至濾波繞組，必須滿足以下條件：
Z3n+Zfn=0 (3)
也就是說，只要保證二次濾波繞組及濾波裝置構成的諧波回路的等值諧波阻抗為零或者接近為零，則大部分諧波電流將被引流至二次濾波繞組及濾波裝置所構成的短路環，進而限制了諧波電流傳入一次側，起到了將諧波電流與電網相隔離的作用.
1.2 鐵心諧波磁通抑制機理
前一小節以諧波等值電路為基礎分析了感應濾波技術的諧波抑制機理，但是并沒有從根本上闡述感應濾波技術在降低諧波對變壓器振動和噪音的不良影響方面的深層機制.本小節重點分析感應濾波技術在抑制變壓器鐵心諧波磁通方面的本質特點.
心中產生交變的諧波磁通n.可以假定諧波磁通n全部約束在鐵心磁路內，并同時與網側繞組、二次負載繞組及二次濾波繞組相交鏈.根據電磁感應定律，該磁通將在3個繞組中分別感生諧波電動勢e1n，e2n，e3n.網側繞組產生的諧波電動勢e1n必然在網側繞組中產生諧波電流I1n，即閥側諧波電流經過變壓器鐵心傳送到了網側.如果最大程度地削弱鐵心中的諧波磁通n，那么可大大降低e1n的值，從而使得網側諧波電流I1n減為極小的值，進而實現濾波的目的.
諧波電流I2n是一個交變的周期信號，因此鐵心中諧波磁通亦隨時間余弦變化，其可表示為：
n=Φmncos nωt(4)
其中Φmn為n次諧波磁通幅值.
主磁通在濾波繞組上感應的諧波電勢為e3n的表達式為：
e3n=－N3dndt=nωN3Φmnsin (nωt) (5)
設z3n，zfn分別為二次濾波繞組及濾波裝置的n次諧波等值阻抗.當濾波繞組通過濾波器閉合時，諧波回路電壓方程式為：
e3n=i3nz3n=ifnzfn (6)
根據式(5)和(6)，如果滿足z3n與zfn均為零或者趨近于零，即z3n+zfn為零或者趨近于零，亦是式(6)等式右邊為零或者趨近于零；考慮式(5)等式右邊，由于ω，N3均為大于零的常數，n為大于零的整數，sin (nωt)是一個隨時間變化的變量，因此必有Φmn為零或者趨近于零才可滿足等式條件.
1.3 實現條件
為了滿足z3n+zfn為零或者趨近于零，也就是構造一個如前所述的類似于超導的諧波短路環，需從下面幾個方面進行設計.
1) 濾波繞組的零等值阻抗設計：通過調整繞組的結構和布局就可實現二次濾波繞組的零等值阻抗，限于篇幅，這里不予相關的公式推導，詳細推導見文獻［12］.
2) 減小線路及接觸電阻：選擇截面較大的導線，確保接觸點良好和增大接觸面，并且采用銅鋁過渡焊接，最大可能減小接觸電阻.
3) 濾波裝置的全調諧及低內阻：采用全調諧濾波技術，相對應特定次諧波，諧波電抗可視為零；這里，采用大品質因數的電抗器及小介質損耗角正切值的電容器以減小濾波器交流電阻.
通過上述3方面的措施，可以得出二次濾波繞組及濾波裝置的n次諧波等值阻抗趨近于零，從而滿足了1.1與1.2小節所需的條件.這里，實現z3n+zfn等于或趨近于零的技術就是感應濾波技術.
需要說明的是，常規的第三繞組濾波由于沒有實現z3n+zfn等于或趨近于零，也就無法達到感應濾波方法的濾波效果.
2 濾波器設計及全調諧方法
2.1 濾波器參數計算
從第1節的分析可知，根據感應濾波技術，為了實現濾波繞組與LC支路構成諧波短路環，LC支路的諧波阻抗要盡量小，這就要求LC支路全調諧，且交流電阻越小越好.從節約成本和降低濾波器損耗角度考慮，本系統采用單調諧濾波器.對于單調諧5，7，11，13次濾波器，根據無功補償容量分配方案，忽略電容、電感內阻，濾波參數計算公式為：
Cn=Qc(n)×(n2-1)(U2ω1)×n2
Ln=1ω2nCn(7)
其中Cn，Ln分別為n次諧波濾波器的電容和電感，n=5，7，11和13；U為濾波器接入點電壓；Qc(n)為n次濾波支路的無功補償量.流過濾波器的電流及電感器與電容器的電壓可由下式近似計算：
I1n=UZ1
In=N2N36nπId（8）
ULn=I21nω1Ln+I2nωnLn
UCn=I21n/(ω1Cn)+I2n/(ωnCn)
這里I1n，Z1分別為n次濾波器支路的基波電流和基波阻抗；In為流過n次濾波器支路的諧波電流；Id為直流電流；ULn，UCn分別為濾波電抗器與電容器的電壓.
因新系統下閥側濾波支路只提供短路通道，且通過濾波支路諧波電流受閥側繞組的制約，無法產生并聯諧振.因此，可采用全調諧方式而無需進行偏調諧設計，這是感應濾波技術相對于傳統無源濾波的優勢.
然而，實際生產中諸多因素都會影響濾波器調諧與濾波效果，大致可分為以下幾條：
1）流過有一定電流的電抗器周圍會產生一定的磁場，對于三相電路，由于受到濾波裝置放置空間的限制，同一次濾波支路電抗器必然受到其它兩相電抗器以及相鄰另一次諧波濾波電抗器所產生磁場的影響，且此相互交鏈的磁場隨距離的接近而越大，可引起調諧效果以及濾波支路阻抗的變化.因此，合理地擺放濾波裝置對于減小它們之間的互感影響至關重要.
2）由于實際生產中濾波裝置一般置于室內，電抗器產生的磁場通過樓層地面或墻壁的鋼筋網閉合，從而引起電抗值的變化而使得濾波裝置偏離全調諧.此問題可通過調節電抗器與地面和墻壁的高度與距離或磁屏蔽等措施解決.
3）直流匯流處的直流電流一般為幾萬到幾十萬安培，其勢必產生強大的磁場，如果電抗器與直流匯流母排距離較近，則必然受到此強磁場的影響而濾波效果變差.
因此，實際工程應用中濾波器的參數設計與擺放都要考慮上述因素，并需要根據生產實際對濾波參數進行微調以實現濾波裝置的全調諧.
2.2 全調諧方法
鑒于諧波源不對稱以及濾波器參數變化等因素影響濾波支路的全調諧狀態及其等效電阻，因此濾波器一般需要進行微調才能使得濾波支路達到全調諧.本方案采用諧波電壓電流相位差是否接近于零作為判別濾波器全調諧與否的依據，其優點在于對于各次諧波，對應濾波器支路只有達到完全諧振才有諧波電壓電流相位差為零，即使濾波器參數的較小波動都會引起濾波支路諧波電壓電流相位差值以及諧波電壓的增大.同時，全調諧情況下濾波支路的諧振電壓降到了最低，濾波裝置的諧波損耗也降低至最小.
3 工程驗證
本文針對某化工集團原有傳統整流系統關鍵設備嚴重老化、能耗大、諧波污染嚴重、噪音分貝高等問題，應用基于感應濾波技術的鐵心諧波磁通抑制變壓器方案對原有工業整流系統進行了改造.改造后的系統拓撲如圖4所示，其中1#為新型整流系統，采用新型整流變壓器和有載調壓以及全調諧濾波裝置，同相逆并聯三相橋式全波可控整流.相比2#和3#傳統整流系統，其節省了單獨的調壓變壓器，并省去原有的飽和電抗器，從而節約了投資成本和占地面積.另外，在第三繞組安裝配套濾波器，實現了無功功率補償和諧波抑制.
3.1 諧波抑制效果
圖5(a)，(b)分別為新型工業整流系統在獨立運行且直流輸出20 kA，245 V不變的情況下，實施感應濾波前后網側繞組進線端的電壓電流實測波形.通過對比可以得出，在投入全調諧濾波裝置后，網側電流波形畸變大大減小，已經十分接近正弦波.
新型工業整流系統對主要次特征諧波電流的抑制情況如表1所示.其中，新型感應濾波方式對主要次特征諧波的濾除率基本上達到了85 %以上，最高達到了93.92 %，這遠遠優于傳統的無源濾波效果，也有效證明了此感應濾波新技術及其構建的直流供電系統在諧波抑制方面的良好效果.
不過，7次與13次諧波的濾除效果并不理想，經過對實際運行的分析，且根據7次濾波器正下方是直流匯流點，而13次濾波器位于7次濾波器正上方的位置擺放，從而診斷出引起7次諧波的濾除率相對偏低及13次濾波效果也沒達到最優的根本原因為直流大電流經過匯流母排所產生的強電磁場的影響.
3.2 鐵心諧波磁通抑制效果
為了更直觀分析新系統對變壓器鐵心諧波磁通的抑制效果，本方案在變壓器A相鐵心柱和AB相旁軛各安裝一個線圈作為磁通觀測器，引出抽頭可以測量鐵心匝電勢.通過濾波器投入前后磁通觀測器處諧波電壓的對比，可以得出新型工業整流方案對變壓器鐵心諧波磁通的抑制情況.圖6為3臺整流系統并聯運行時，1#系統直流電流Id=18.00 kA，直流電壓Ud=262.8 V工況下，實施濾波前后變壓器鐵心及鐵軛匝電勢波形.
表2給出了鐵心及鐵軛在濾波前后各次特征諧波匝電勢大小對比.其中，鐵心及鐵軛中5，7，11，13
次諧波匝電勢在實施感應濾波后均被削弱了50%以上，這表明了感應濾波技術大大降低了變壓器鐵心的諧波磁通，從而改善了諧波對變壓器振動和噪音的不良影響，也說明了前面理論分析的正確性.
(a) 濾波前
(b) 濾波后
4 結 論
本文提出了一種基于感應濾波的變壓器鐵心諧波磁通抑制技術，并對以其為核心構造的工業直流供電系統進行了分析與設計.通過第三繞組的零阻抗設計，濾波效果更佳，且可以大大降低變壓器鐵心的諧波磁通.其配套濾波器可按全調諧進行參數設計，并根據諧波電壓電流相位差作為全調諧的參考條件，可以將濾波器的濾波效果調諧至最佳狀態.通過具體的工程應用，表明基于感應濾波的鐵心諧波磁通抑制變壓器構造的工業直流供電系統具有良好的濾波效果，且大大降低了變壓器鐵心的諧波磁通，進而從根本上減弱了變壓器的振動和噪音.此新型工業直流供電系統在化工、冶金、軌道交通和直流輸電等領域具有廣闊的應用市場和前景.
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