变压器的空载电流及其谐波

浅析变压器的空载电流及其谐波摘要：本文根据空载电流与励磁电流之间的相互关系，分别对各类结构的变压器空载电流的谐波进行了全面的分析，并指出了变压器空载电流与励磁电流的区别及其谐波与那些因素有关。关键词：变压器励磁磁势空载电流励磁电流谐波磁化变压器在额定电压下空载运行时，由励磁电流在铁心中建立主磁通。铁心的励磁电流是由一次绕组和二次绕组共同提供，有一部分励磁电流可能在绕组内部自行形成通路。变压器的空载电流与铁心的励磁电流存在一定关系，但空载电流不完全等同于铁心的励磁电流，它们之间到底存在什么样的内在联系呢？1、励磁电流的特性分析励磁电流是指产生励磁磁势，使变压器铁心磁化而建立主磁通的电流。当在一次绕组上外施正弦波电压时，为了产生与之相平衡的感应电动势，必须在铁心中建立相应的正弦波主磁通。由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，建立此正弦波主磁通的励磁磁势不再是正弦波，而是尖顶波。铁心的饱和程度越高，励磁磁势畸变得越厉害。另一方面励磁磁势将按磁势平衡原理由铁心上所有绕组中流过的电流共同产生。以单相变压器为例，如图，励磁磁势，将二次绕组中流过的电流i2按匝数比折算至一次侧，设，那么，其中为等效励磁电流，为了产生尖顶波的励磁磁势，就必须提供尖顶波的励磁电流，而尖顶波的励磁电流一般可分解为基波及3、5、7……次等高次谐波，其表达式可写为（1）当励磁电流的各次谐波都存在流通回路时，在励磁电流中，除基波外，一般以三次谐波电流的幅值最大，五次谐波次之。而且在一定电压下，励磁电流与励磁磁势一样，其大小和波形取决于铁心的饱和程度。饱和程度越高，励磁电流的波形畸变越厉害，其各次谐波电流的幅值也越大，这就是励磁电流的特性。2、空载电流的特点空载电流是指对变压器的一次绕组施加额定频率的额定电压时，其余各绕组开路，流经一次绕组的电流。因此，空载电流是从电源侧流经变压器一次绕组的电流。根据电流连续性原理，如果三相变压器一次绕组没有中线引出，那么，各相空载电流瞬时值之和等于零，这就是空载电流必须满足的条件。如果三相变压器一次绕组有中线引出，那么，各相空载电流瞬时值之和等于经中线流出的电流瞬时值。变压器的空载电流包括励磁电流和铁耗电流，励磁电流也成磁化电流。由于铁耗电流很小，空载电流主要用于励磁，所以，有时也称空载电流为励磁电流。空载电流只在一次绕组中存在，而励磁电流可以在一、二次绕组中同时存在。3、空载电流的谐波分析3.1单相变压器单相变压器在额定电压下空载运行时，必须提供的励磁电流仍可用（1）式来表示。由于二次绕组没有电流通路，励磁电流只能由一次绕组单独提供。由此可知：单相变压器的空载电流就是铁心的励磁电流，并具有与励磁电流完全相同的特点。但必须指出：不同次数的励磁电流谐波之间不能简单地进行叠加。3.2三相变压器（1）y-△联结的三相变压器。空载运行时由于一次绕组无中线，所以一次绕组中的空载电流没有三次谐波。然而为了建立正弦波的主磁通，励磁电流必须是尖顶波，即励磁电流中必须包含有三次谐波。三相变压器的空载运行时，励磁电流中的基波（以及5、7次等谐波）在星结的一次绕组中流通，这便是空载电流。而励磁电流中的三次谐波以及3的奇数倍次谐波在三角形联结的二次绕组中流通。这时空载电流并不是励磁电流，在有些教材中笼统地说“空载电流就是励磁电流”是不确切的。（2）△-y联结的变压器。当其空载运行时空载电流亦无三次谐波，而三角形联结的一次绕组中可以流通三次谐波电流。所以绕组中励磁电流也是尖顶波，可产生正弦波磁通，但空载电流也不是励磁电流。变压器三相结构愈不对称，空载电流及其各次谐波三相也愈不对称，而且，其三次谐波电流的幅值也愈大。因此，星／三角形联结三相变压器空载电流的谐波（尤其是三次谐波）除了与铁心的饱和程度有关外，还与变压器三相结构的不对称程度有关。（3）y-y联结变压器。当其空载运行时由于一次绕组星形联结无中线，空载电流中无三次谐波；二次绕组也是星形联结，也没有给三次谐波电流提供通路，此时空载电流就是励磁电流。由于励磁电流中无三次谐波，其他高次谐波影响很小，励磁电流近似为正弦波，使得主磁通为平顶波，从而使绕组相电势或相电压发生畸变。故此种结法的绕组只适用于小容量1800kva以下心式三相配电变压器。3.3三相变压器组常用三相变压器组一般都含有一个三角形联结绕组。由于三角形联结绕组的存在，铁心励磁电流的各次谐波都存在流通回路，铁心磁化的物理过程与单相变压器是相似的。三相变压器组的铁心励磁电流相当于单相变压器的铁心励磁电流，而单相变压器的铁心励磁电流就是其空载电流。但是，必须指出：三相变压器组的空载电流与单相变压器的空载电流是不同的。如果三相变压器组不含三角形联结绕组，励磁电流则不能完全流通，此时，铁心磁化的物理过程与单相变压器是不同的。实际上，由于励磁电流不能完全流通，这种结构将引起相电压波形发生严重畸变，所以一般并不采用。通过以上分析得知：变压器的空载电流包括励磁电流和铁耗电流，励磁电流也成磁化电流。由于铁耗电流很小，空载电流主要用于励磁，所以，有时也称空载电流为励磁电流，但空载电流不完全等同于铁心的励磁电流。空载电流的谐波除了与铁心的饱和程度有关外，还与变压器的结构形式以及三相结构的不对称程度有关。参考文献[1]冯欣南主编.电机学.机械工业出版社.[2]李开勤主编.电机与拖动基础.高等教育出版社.[3]周立主编.电机与拖动基础.中国铁道出版社.