CN105679516A - 新型三相零序谐波串联电抗器 - Google Patents

Abstract

新型三相零序谐波串联电抗器，它是在分析危害最严重的谐波——零序谐波特别是三次谐波在用户配电变压器铁芯中的磁通分布，得出三相零序磁通无法在铁芯中形成回路，只能发散于空气中，造成零序磁阻很大，零序磁通、零序阻抗很小，使变压器线圈对零序谐波来说是空心线圈，造成零序谐波被短路产生热损耗的原因后。总结出一套滤除某类序谐波电压新方法：要使三相铁芯线圈上正序(基波为正序)、负序、零序中某相序谐波电压为零，只需使某类序谐波电流产生的三相合成磁通为零即可。据此发明了三相共铁芯零序谐波串联电抗器，它是一种对零序谐波电流具有很大阻抗，同时对基波电流具有零阻抗的新型电抗器，其作用是限制零序谐波短路电流，实现谐波节能。

Description

新型三相零序谐波串联电抗器

一、所属技术领域

本发明涉及一种适合电力系统使用的零序谐波串联电抗器，它是一种对零序谐波电流具有很大阻抗，而同时对基波电流具有零阻抗的新型电抗器，其作用是限制零序谐波短路电流，实现谐波节能。它不用LC谐振回路就能实现零序谐波与基波的分离，理论上能实现基波零损耗和零压降，属电力节能和谐波治理技术领域。

二、背景技术

电力系统中的谐波来自电气负载，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，当电力系统向非线性设备供电时，这些设备在吸收基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，谐波源产生的谐波，与其非线性特性有关。当前，电力系统的谐波源，按其非线性特性主要分几大类：

a.各种铁心设备，如电动机、变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性，电流为非正弦波形。

b.各种交直流换流装置(整流器、逆变器、变频调速器)以及晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山等大量工矿企业广泛使用；

c.各种电焊机，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，导致电流不规则地波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。

d.日常生活设备：如日光灯、节能灯、电磁炉、微波炉、彩色电视机、电脑、办公自动化设备、变频空调、电子整流充电器等。

在理想的交流电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。谐波的产生，是负载电流的非线性所引起(电流非正弦形)。非正弦电流中包含有各种不同的谐波成分，这些谐波电流通过负载内阻时，就会在负载内阻上产生各种不同的谐波电压降，而内阻谐波电压是与电源电压串联的，从而引起电源电压的畸变。由于谐波电压源自负载，谐波功率的流向就是从负载反流到用户配电变压器，与基波功率的流向相反。

根据数学中的傅立叶级数分析，非正弦波的周期量可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。各次谐波的相序是不相同的，分正序、负序和零序三类，三相平衡系统中的各次谐波相序如下表所示：

次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	...
																	相序	+	-	0	+	-	0	+	-	0	+	-	0	+	-	0	...

在电力系统中，根据运行实践，上述各次谐波的热损耗以零序谐波特别是三次谐波所占成分最大，且对电气设备的危害最为严重。根据频谱仪实际测量，三次谐波电压一般在35V以下，为何区区小电压会产生严重热损耗？其原因根据我们首创的理论分析，是三相同相位的零序谐波磁通在配电变压器的三铁芯中具有相同的方向，在铁轭上互相对顶(见附图1：配电变压器零序谐波磁通对顶图)，零序谐波磁通不能在三相铁芯中形成环路所至。

根据谐波专著《电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计》的结论：谐波本身具有独立性，可以对基波、谐波分开进行单独研究计算与处理应用。所以图1中符号只考虑零序分量，不考虑基波分量。U₀a-c为零序谐波电压，I₀a-c为零序谐波电流，为零序谐波磁通。由于零序谐波三相电量同相位，所以三相零序磁通也同一个方向，图1中每一相线圈产生的零序磁通分为两路，与另两相线圈产生的零序磁通在铁轭处对顶，不能通过铁轭形成回路，只能发散到变压器拉杆、外壳和空气形成回路，造成零序磁阻很大(空气磁阻是铁芯的10000倍)。(见附图2：配电变压器零序谐波磁通发散图)，由于磁通量＝磁势/磁阻，所以变压器三相低压线圈在铁芯中产生的零序磁通量很小，对应的线圈电感也很小，造成零序阻抗缺少感抗分量，只有电阻分量，而电阻分量是很小的。

用比较通俗的说法就是：对于配电变压器三相低压线圈来说，在零序谐波面前，它相当于一个几乎没有电感量的空心线圈。而线圈电阻很小，基本为零，加上配电变压器三相线圈是星形接法，它有一个公共中性点N(见附图1)，从而形成三相零序谐波被短路现象，虽然零序谐波电压比较小，但短路电流还是相当大的。这个零序谐波短路电流通过变压器低压线圈、负载内阻、外线路形成回路，零序短路电流通过之处都会产生很大的电阻性热损耗。

特别严重的是，各相中的零序谐波特别是三次谐波因其相位相同，不仅不能抵消，反而会相互叠加后以3倍于相线的谐波电流通过中性线，使中性线总电流大大超过其安全电流值造成过负荷，这种状态下就有可能造成中性线过热进而引发火灾。零序谐波特别是三次谐波在发热时需要消耗大量有功功率，这个有功功率的来源只能是电源基波。

配电变压器的三铁芯结构造成零序谐波被短路，消耗了大量电能，是坏事，这是本发明要着重解决的问题。但另一方面也是好事，如果零序谐波不被配电变压器线圈短路，则大量零序谐波特别是三次谐波将被上传至上一级电网，造成上一级电网更大范围污染(根据他人实测资料，上一级6-10KV电网三次谐波很小，这就是零序谐波不能上传的证明)。

为了减少零序谐波特别是三次谐波的电阻性热损耗，传统的方法就是在三相主电路中接入普通串联电抗器，增加回路的阻抗，使零序谐波短路电流减少，从而降低热损耗。但这种传统串联电抗器对基波有害：一是有基波电压降，降低了负载电压，影响了电能质量，影响了负载的正常运行；二是本身有相当大的铁芯损耗。所以，这种传统的零序谐波节能方法基本没有多少用户使用，谐波节能领域基本还是一片空白。如果能有一种专门对付零序谐波的电抗器，就能有效地消除零序谐波特别是三次谐波的严重危害，节约大量电能，这是社会的急需。

因此，本发明的目的，就是发明一种新的零序谐波串联电抗器，使它只对零序谐波有阻抗，对基波呈现零阻抗，从而开创新的可以广泛应用的节能之路——谐波节能。

三、发明内容

先说明：所谓电抗器就是一个由铁芯、线圈组成的电气设备，它能对交流电流产生阻抗。

按传统电工理论，要滤除某种频率的谐波，就要设计一种LC谐振电路，使其对某频率谐波呈现低阻抗或高阻抗，从而达到滤除该谐波的目的。如果谐波很多，就要有很多不同频率LC谐振电路，成本很高，谐振耗能也很高。

通过前面对零序谐波被短路的原因所做的磁路分析，我们总结出一套滤除某相序谐波电压的新方法：

要使三相铁芯线圈上正序(基波为正序)、负序、零序中某相序谐波电压为零，只需 使某相序谐波电流产生的三相合成磁通为零即可。

这是滤波理论的创新，按照这个新理论，要滤除某相序各种不同频率的谐波电压，只需要一个铁芯线圈即可，不但成本很低，而且耗能很少。

应用这个理论，发明了三相共铁芯零序谐波串联电抗器，其原理是：

.本发明电抗器要求对基波呈现零阻抗，自然也就是要求基波电压为零，按照本发明理论，基波属于正序，就要求基波电流产生的三相合成磁通为零，怎么实现合成磁通为零呢？从《电工基础》理论知道，如果把流过三相基波电流的三根导线接在一起，就是人们熟悉的中性点，中性点的电压电流理论上为零。有了这个知识，我们就想，如果把通过三相基波电流的线圈产生的磁场合在一起，即将三相线圈使用同一铁芯将会产生什么结果？分析的结果就是：由于三相基波电流任何瞬时值之和为零，三相基波电流在各个线圈中产生的交变磁通之和也必将为零，推导如下：

因为三相基波电流之和为零Ia+Ib+Ic＝0

Ia+Ic＝-Ib(1)

所以三相基波磁通之和也为零

图3是三相共铁芯零序谐波串联电抗器原理图，图中三相电流线圈La、Lb、Lc共用一个铁芯T，三相线圈串联接在三相交流电路中，三个线圈的同名端ABC接到三相交流电源，作为输入端；三个线圈的异名端接到负载(电动机)，作为输出端。

图4是三相共铁芯零序谐波串联电抗器结构及基波磁通(虚线表示)方向图，结构特点是三相线圈共用同一个铁芯，每相线圈产生的磁力线全部穿链另外两相线圈。图中ABC为电流输入端，abc为电流输出端。三相电流线圈La、Lb、Lc绕在同一铁芯上，图中电流Ia、Ib、Ic的方向由公式(1)决定：任意两相电流之和等于第三相，但方向相反，即Ib为反方向。基波磁通的方向由公式(2)决定：任意两相磁通之和等于第三相，但方向相反，即为反方向。

(2)式说明，任何瞬间一相线圈产生的磁通与另外两相线圈产生的磁通之和因方向相反而互相对消为零。

图6是三相共铁芯零序谐波串联电抗器基波磁通向量图，各相线圈产生的磁通 相差120度，根据几何原理，三相基波磁通向量之和也为零。

由于每一瞬间公共铁芯中三相基波磁通之和为零，等于铁芯不存在基波磁通，线圈对基波没有电感电抗，于是也就没有基波压降，这就实现了本发明的发明目的——基波零阻抗。

如果说三相中性点是“电气中性点”，则这个三相共用铁芯就成为“磁场中性点”。

上面解决了基波压降问题，那么共用同一铁芯的三相线圈对零序谐波又起什么作用？图5能将这一过程形象地表示出来。图5是三相共铁芯零序谐波串联电抗器结构及零序磁通(虚线表示)方向图，图中零序谐波电流I0a、I0b、I0c因为同相位而同一方向，三相零序谐波磁通也因此同方向。

因为三相零序谐波电流之和为单相电流的3倍：I0a+I0b+I0c＝3*I0b

所以三相零序谐波磁通之和也为单相磁通的3倍：

图7则是三相零序谐波磁通的向量图，图中三相零序谐波磁通的方向完全相同，表示各相相位差为零，就是说三相磁通完全同相，不会被抵消，合成磁通是各相磁通的叠加，总是大于零。

由于三相零序谐波电流同相位，任何时候三相零序谐波电流之和都是单相电流的3倍，其在共用铁芯中产生的零序谐波合成磁通量也是单相时的3倍，由于零序磁通大于零，就能产生电感性阻抗，有了阻抗，零序谐波电流通过时就会产生电压降，这就实现了本发明另一个目的——零序谐波有阻抗。

四、附图说明：

图1：配电变压器零序谐波磁通对顶图；

图2：配电变压器零序谐波磁通发散图；

图3：三相共铁芯零序谐波串联电抗器原理图；

图4：三相共铁芯零序谐波串联电抗器结构及基波磁通方向图；

图5：三相共铁芯零序谐波串联电抗器结构及零序磁通方向图；

图6：三相共铁芯零序谐波串联电抗器基波磁通向量图；

图7：三相共铁芯零序谐波串联电抗器零序谐波磁通向量图；

图8：实施例接线方框图。

五、具体实施方式

本发明是一个三相零序谐波串联电抗器，但它的实际作用是一个谐波节能器，它主要是通过电抗作用减少零序谐波短路电流，从而减少用户配电变压器线圈对零序谐波短路造成的热损耗。但现在国内学术界有一个很普遍的观点：就是认为谐波功率是一种无功功率，是不消耗有功能量的，这个观点很广泛很有市场。但这是一个错误的认识，其原因是现有感应式或电子式电能计量仪表，都是抗谐波电表，所以谐波消耗功率能量无法直接测量，谐波有功功率测不到，自然认为它是无功功率了。

下面我们用三相共铁芯零序谐波串联电抗器样机进行实际测量，用真实测量数据证明本发明原理的正确性，同时证明谐波功率是真正的有功功率，而不是无功功率。

具体实施例接线方框图见图8，图8中最左边ABC是380V三相电源输入端，左起第一方框表1是0.5级多功能电能表，它模拟用户配电变压器前的高压计量电表。左起第二方框是变比1∶1的隔离变压器(380V/380V)，它模拟用户配电变压器。第三方框表2也是0.5级三相多功能电能表，它模拟用户的低压计量电表。第四方框是本发明三相共铁芯零序谐波串联电抗器样机。最后一个圆框是电动机，因为电力系统中产生零序谐波特别是三次谐波最多的负载就是电动机，并且电动机是耗电量最大的负载，所以用电动机试验具有代表性。

为什么要用两个电能表？上面说过了，这是因为所有普通电能表都是抗谐波的(有报道某单位已经研制出谐波电能表，但未见有产品销售)，它是不能直接计量谐波功率能量的。这里表2不能计量谐波能量，是因它有谐波电流直接通过。但表1却可以计量谐波能量，原因是它没有谐波电流通过，因为谐波在隔离变压器的次级被短路了，传不到初级，但谐波消耗的功率却是由初级基波提供，因此表1能够间接计量谐波损耗的能量。

基波压降试验：通电以后，用电压表测量样机输入、输出端的电压基本不变，证明没有基波压降。用频谱仪测量样机线圈电压，只有少量基波电压(不平衡电压)，大部分为三次谐波电压，证明了本发明理论的正确性。

谐波节能试验：在确保电压、负载基本不变的情况下，串入样机、退出样机各运行1小时，对比各表的电度计量值，结果是：表2两次计量数据相同，说明电抗器的投入切出对负载没有任何影响。表1计量数据是：退出运行数据大于串入运行数据，说明有节电效果，经计算，节电率为6.25％。这证明本发明样机确实有节电功能，并且由表2两次计量数据相同证明，负载本身没有节电，那节约的只能是谐波能耗。实测有谐波能耗就证明本发明对零序谐波在变压器线圈中被短路的理论分析完全正确。

六、与现有技术相比本发明的优点：

1、现有电抗器都是基波谐波一起抗的，因此造成基波压降，有压降就有损耗，低电压对负载不利，难被用户接受。本发明可以做到单独抗零序谐波，没有基波压降，也就基本没有基波损耗。用户电压水平是电能质量的重要指标，本发明能在保持负载电压不变的条件下实现谐波节能，必将受到电力用户的欢迎。

2、普通电抗器噪声大，是因为基波大电流通过铁芯产生强大交变磁场使硅钢片震动而引起，而本发明三相共铁芯零序谐波串联电抗器因为三相基波合成磁通为零，就基本不会产生噪声。

Claims (3)

1.一种新型三相零序谐波串联电抗器，包含三相电流线圈La、Lb、Lc与铁芯T，构成一个对正序基波零阻抗、对零序谐波有阻抗的零序谐波串联电抗器，其特征是：三相电流线圈La、Lb、Lc绕在同一个铁芯柱上，每个线圈产生的磁通能够全部穿链其他两个线圈，通过合理的磁路安排和正确的线圈接法，就能使电抗器实现正序基波零阻抗、零序谐波有阻抗。

2.根据权利要求1所述的实现正序基波零阻抗的磁路安排和线圈接法，其特征是：三相线圈的三个同名端接电源，使铁芯中正序基波磁通之和为零，线圈对正序基波没有电感，正序基波阻抗就为零了。

3.根据权利要求1所述的实现零序谐波有阻抗的磁路安排和线圈接法，其特征是：三相线圈的三个异名端接负载，使铁芯中零序谐波磁通之和大于零，线圈对零序谐波有电感，零序谐波阻抗就大于零了。