隔离变压器谐波耐受能力和滤波效果分析

隔离变压器滤波能力和谐波耐受力的分析

1、隔离变压器分类

1.1、按输入输出接线方式分类：

通常隔离变压器根据输出输入接线方式不同可以分类为：Dyn，Dd，Ynyn，YNd，Dzn，ZNd，Ynzn，Znyn八大类，D或d表示三角接线，Y或y代表星形接线，Z或z代表曲折接线（英文表示：Zig/Zag 联接），大写表示输入，小写表示输出，N或n表示中性点，通常隔离变压器，尤其是UPS系统和数据机房变压器接线方式主要是：Dyn11,Dzn0两种。

1.2、按输出数量分类：单输出，双输出，多输出等等，通常隔离变压器，尤其是UPS系统和数据机房变压器是单输出变压器，对于十二脉整流变压器或滤波变压器是双输出变压器，其接线方式是Dyn11d0,也就是说，输出有独立隔离的两组输出，一组接线方式是Dyn11,另一组是Dd0,两组输出相位差为30度，对于双输出或多输出变压器，实际应用中必须尽可能保证各组负载尽量相等，否则其滤波效用大大降低，但实际运行中要保证各组输出负载相等又很困难，基于这个原因，多组输出隔离变压器很少在实际中应用。

2、K系数的涵义：

2.1、K系数是谐波热损耗的一个折算系数，通常从1到50，常选用：1、4、7、9、11、13、20、30，最经常选用的是：1、4、13、20。

2.2、对于供电和用电网络的涵义：

K系数代表供电和用电网络中谐波的恶劣程度，K系数越高，代表供电和用电网络中谐波越恶劣，K=1代表供电和用电网络中不含有任何谐波，全部为基波分量，UPS系统和数据机房的供电和用电网络为：13和20，K系数不随负载率变化而变化，只和网络谐波频谱有关。

2.3、对于用电、供电和送电设备的涵义：K系数代表设备耐受谐波的能力，K系数越高，设备耐受谐波能力越强，K=1代表设备没有设计耐受任何谐波的附加热损耗的能力，只能在基波工况中才能安全运行，设备耐受谐波的能力随负载率提高而降低，因此，在供电网络容量不受限制时，可以选用较大容量的设备，通过降低负载率有限度地提高K系数耐受谐波能力，但这只是一方面，许多生产厂家和用户误以为只要增大容量就可以，这是一种对K系数耐受谐波能力的片面理解。

3、K系数引用到变压器中的目的：

通常对K系数在任何供电、用电、送电网络和设备均可加于引用，因而对于各不同类型变压器，各不同温度等级变压器，各不同绝缘等级变压器中均可以加于引用，目的是为了提高变压器的可靠性，当然，各不同类型变压器，各不同温度等级变压器，各不同绝缘等级变压器在同样谐波工况中的耐受谐波能力是不同的，最终确定该变压器是否具有合适的抗谐波能力取决于该变压器在设计谐波工况下运行的平均温升和变压器内部最高温度点，如果要在同样的谐波工况下达到同样的耐受谐波能力，设计和制造成本差别也是非常大，对于干式变压器，有些温度、绝缘等级（如130度等级以下和B级绝缘等级以下）的变压器和有些材料（低密度绝缘丝包线）制造的变压器是K系数耐受能力无法达到7以上，因而，UPS系统和数据机房变压器是不能选择以上的变压器。

4、提高变压器K系数耐受能力的主要办法：

4.1、变压器特殊设计，降低或消除变压器自身对谐波敏感的因数；

4.2、选择高温等级的高密度绝缘漆包铜线（H级180度以上）；

4.3、降低变压器自身损耗，提高变压器效率；

4.4、选择具有滤波能力的变压器，如Dzn0变压器,和双输出变压器Dyn11d0；

4.5、在供电容量允许时适当增大变压器容量，降低设备使用负载率。

5、Dyn11，Dzn0，Dyn11d0隔离变压器消除谐波的能力分析和比较

5.1、Dyn11变压器：

5.1.1、输入电源的三次谐波被封闭在输入三角绕组内部，不会通过电磁感应传导到输出端，但三次谐波会对输入绕组产生附加的三次谐波热损耗，降低变压器的K系数耐受能力。

5.1.2、输出负载产生的三次谐波经过输出绕组，对输出绕组产生附加的三次谐波热损耗，而且会通过电磁感应传导到输入端，并在输入绕组产生附加的谐波热损耗，降低变压器的K系数耐受能力。

5.1.3、输入电源或输出负载产生的其他次谐波，主要有5,7,11，13，17,19均会通过电磁感应互相传导，并在输入输出绕组中产生附加的谐波热损耗，并反馈到电网，降低变压器的K系数耐受能力。5.2、Dzn0变压器：

5.2.1、输入电源的三次谐波封闭在输入三角绕组内部，不会通过电磁感应传导到输出端，但三次谐波会对输入绕组产生附加的三次谐波热损耗，降低变压器的K系数耐受能力。

5.2.2、输出负载产生的三次谐波经过输出绕组，对输出绕组产生附加的三次谐波热损耗，但由于输出绕组是曲折联接，变压器输出绕组每柱（相）均有两组方向相反数量基本相等的三次谐波电流通过，电磁感应得以基本抵消，因而不会感应到输入端，输入绕组也不会产生附加的谐波热损耗，由于UPS 系统和数据机房的负载产生的谐波主要为三次谐波（约百分四十以上），因此大大提高变压器的K系数耐受能力；如负载平衡和三相电压基本平衡时，变压器零线上检测到的零序电流比Dyn11变压器零线检测的零序电流小很多，因而，同样设计截面的零线铜排，Dzn0变压器零线铜排损耗小很多，同样大大提高变压器的K系数耐受能力。

5.2.3、Dzn0变压器的零序阻抗很小，三次谐波电流是零序电流，因为负载不平衡和三相电压不平衡，将会降低滤除三次谐波的比例，因而产生的三次谐波零序电流很容易通过输出绕组中性点流入大地5.2.4、输入电源或输出负载产生的其他次谐波，主要有5,7，17,19,其中5，17为负序电流，7,19为正序电流，均会通过电磁感应互相传导，并反馈到电网，但变压器输出绕组每柱（相）均有两组相位差为120*n-180度，数量只有Dyn11变压器百分五十八的谐波电流通过，电磁感应矢量叠加后只有Dyn11变压器的百分八十二，因此和Dyn11变压器相比，这类型变压器的5,7,17,19次谐波消除约百分二十，从而有效提高压器的K系数耐受能力，经验表明，K=13Dzn0变压器可以替代K=20Dyn11变压器，变压器成本可降低百分十以上。

5.3、Dyn11d0双输出变压器：

5.3.1、输入电源的三次谐波封闭在输入三角绕组内部，不会通过电磁感应传导到输出端，但三次谐波会对输入绕组产生附加的三次谐波热损耗，降低变压器的K系数耐受能力。

5.3.2、输出负载产生的三次谐波经过输出绕组，对输出绕组产生附加的三次谐波热损耗，但由于输出绕组是双绕组输出，其中一组是三角接线，三次谐波被封闭在线圈内部，不会感应到输入端；另一组星形接线的输出绕组，由于负载再有一半，感应到输入线圈的三次谐波也降低一半，因此，对于Dyn11d0双输出变压器在两组输出负载相等时，可以消除一半的三次谐波。

5.3.3、输入电源或输出负载产生的其他次谐波，主要有5,7,17,19，其中5，17为负序电流，7,19为正序电流，由于变压器输出为双绕组输出，在两组负载相等情况下，5,17负序谐波电流：每柱（相）均有两组相位差为30*n(谐波次数)+30度=180度的奇次倍数（矢量方向相反），数量相等谐波电流通过，电磁感应矢量叠加抵消；7,19负序谐波电流：每柱（相）均有两组相位差为30*n(谐波次数)-30度=180度的奇次倍数（矢量方向相反），数量相等谐波电流通过，电磁感应矢量叠加抵消；因此，对于Dyn11d0双输出变压器在两组输出负载相等时，可以完全滤除5,7,17,19次谐波，随着两组负载不平衡度的增加，滤波效果急剧下降，因而这种变压器尤其适合十二脉整流电路中。

5.4、多输出变压器的滤波原理和双输出变压器滤波原理一样，因为太复杂，不进行分析，实际应用中，由于很难保证各组负载平均分配，其滤波功能大大降低，所有很少在实际中应用。