有关K-factor变压器的浅析和探讨

有关K-factor变压器的浅析和探讨

作者：樊友明

来源：《中国新技术新产品》2012年第12期

摘 要：在过去几十年中，随着我国电力电子技术的迅速发展，大量可控硅的整流设备，制钢用电弧炉，电网用变压器群，饱和电抗器，敏感电子器件，UPS系统等具有非线性阻抗特性的电气设备投入到基础工业部门。这些设备在电力系统中产生大量的谐波，导致系统波形畸变严重，对输配电网络，通信线路，电气设备等造成巨大影响，尤其对配电变压器损害更大。K-factor变压器就是可应用于这些非线性负载(non-liner loads)条件下的变压器。 关键词：谐波；K-factor；变压器；分析

中图分类号：TM4 文献标识码：A1 K-factor的定义和介绍

K-factor和谐波有着密切的联系。谐波是指具有基本波(50Hz或60Hz)的整数倍率的电流或电压。一般电力系统中，以第3谐波以上的奇数次谐波较为显着，并以第5谐波的含有率为最多。

当变压器的负载中有一定的高次谐波，会导致变压器负载损耗中的附加损耗增加，严重影响变压器的可靠性。K-factor 就是被用来定义电力系统中谐波含量(Harmonic content)的值，K值越大则表示谐波含量越多，因谐波电流造成的变压器硅钢片，线圈，外壳和某些紧固件发热越严重，所以K-factor也可用来标识变压器因为谐波而产生的热效应的一个程度。

K-factor是一个可计算值，范围从1到50。K-factor为1的变压器只能用于线形负载，K-factor为50的变压器则可以用于最恶劣的谐波环境下。目前最典型和最普遍应用的是K-factor为13的变压器。一般负载型式与K值可参考表1。 表1

2 K-factor变压器的介绍和设计注意事项

非线性负载产生的谐波电流可导致变压器铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相比，谐波会在变压器里产生额外的热量并且导致变压器过热，降低变压器的使用寿命。

当一台变压器在设计阶段就明确将应用于非线性负载条件下，这台变压器对谐波必须具备一定程度的负载能力。比如一台K-4的变压器等同于可承受4倍一般变压器正常的发热情况。这种变压器就是K-factor变压器。在相同容量、电压条件下，K值越大则变压器成本也越高。

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K-factor变压器可以降低表A中的那些负载导致的谐波电流从而产生的热效应，理论上说在任何非线性负载的场合都应使用K-factor变压器。目前其主要用途在工厂自动化，计算机机房和大型办公楼等，因为在这些区域谐波含量较高。K-13变压器适用于大多数情况下的谐波负载，而当电流谐波失真度THD>75％的时候，需要并联一台K-20的变压器进一步提高谐波负载的能力。

在设计K-factor变压器的时候，应该注意以下几点：

2.1 线圈导线除了承载变压器自身电流，还会承载由非线性负载引起的谐波电流，线圈的有效电阻会因集肤效应而增大。此时一般采用多股扁平铜导线绕组窗双层屏蔽设计方案来提高电密，控制集肤效应带来的额外损耗。

2.2 谐波在角接绕组中产生额外的循环电流，在铁心中感应出的直流磁通会导致铁心饱和，电压不稳定和过热。绝缘材料应采用220℃的H级绝缘（允许的最高工作温度150℃）。 2.3 对于星形接法，中性点接地的绕组，当该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器组时，会产生3次谐波，使变压器铁心磁滞损耗和涡流损耗增加，此时应采用2倍相线截面积的零线系统设计方案。

2.4 除了额外的铜损和铁损，还应考虑到谐波电流引起的附加杂散损耗，这会让变压器运行温度大幅上升。铁心和线圈要设计足够的油道，内部紧固件要考虑使用不导磁结构件。相比温升保证值，温升设计值要留取更大的裕度，确保变压器在安全的工作温度内运行。 3 K值的选择和计算 K值有两种计算方式： 3.1 UL Method：

计算变压器rms(root-mean-square)电流，一般被使用于系统有量测rms电流值时运用的方法。计算公式： 其中： h：谐波次数

Ih(pu)：h次谐波电流(rms)值对额定电流之pu值。 3.2 Normalized method：

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计算各谐波电流与负载之基础电流(fundamental current)比值的单元数值。一般谐波值来自谐波分析仪，而谐波分析仪输出结果常与基础电流比较得其单元数值。计算公式： 其中： h：谐波次数

fh(pu)：h次基础电流(fundamental current)对额定电流之pu值。

两种方式计算的K值大约是相近的，最终依据标准ANSI/IEEE C57.110-1986来选取。一般标准K值：K=4，9，13，20，40，50。 K-13计算举例：(见表2)

计算好K值，可计算出当变压器负载有谐波时，其最大安全电流为： 其中：

PLL-R(pu)：铜损=I2R+线圈内杂散损； fh：h次谐波电流对主波电流之比值； h：谐波次数；

PEC-R(pu)：线圈内杂散损对I2R之标么值； K：变压器之K factor。 4 K值对变压器的影响：

谐波对于增加变压器的杂散损耗，可用下式计算： 其中:

Peh：总杂散损；

Pef：基于额定频率的杂散损； h：谐波次数；

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Ih：h次谐波电流(rms)值对额定电流之比值。

根据经验，可参考以下情况选择相应的K-factor变压器： 4.1 参考成功运行在非线性负载区域的变压器参数；

4.2 当网络中分布的非线性负载电子设备小于15%，使用一般变压器； 4.3 当网络中分布的非线性负载电子设备达到35%，使用K-4变压器； 4.4 当网络中分布的非线性负载电子设备达到75%，使用K-13变压器；

4.5 当网络中分布的非线性负载电子设备达到100%，使用K-20变压器或以上变压器。 参考文献

[1]郭宏波，谭俊源.谐波对变压器的影响及其抑制措施分析[J].电力建设，2008.（11）.