减少电路和配电系统谐波的五种方法

K 级变压器

ANSI 标准 C57.110-1986 定义了 K 系数来评估电路消耗多少谐波电流并确定该谐波电流的热效应。根据电路 K 系数，变压器按 K 等级制造。值得注意的是，K 级变压器不会减少谐波。K 等级表示变压器承受谐波有害影响的相对能力。K级变压器增加了铁芯的尺寸，增加了中性导体的尺寸，并采用特殊的绕线技术来减少涡流和趋肤效应损耗。例如，我们知道，导体的横截面积加倍，其电阻就会降低一半。K 级变压器的初级和次级线圈使用较粗规格的电线，以减少电阻发热。

笔记：

电压骤降和骤升的发生可能表明配电系统较弱。在这样的系统中，当大型电机或焊接机打开或关闭时，电压会发生巨大变化。

测量 K 系数

在任何包含谐波的系统中，可以使用电能质量分析仪测量 K 系数（见图 1）。K 系数为 1 表示线性载荷。K 系数越高，表明谐波产生的热量增加。例如，K 系数为 2 的电路的热效应是 K 系数为 1 的电路的两倍。

图 1. K 因子可以使用功率分析仪进行测量。图片由贸泽提供

标准 K 等级为 1、4、9、13 和 20。此外，还存在 30、40 和 50 的 K 等级，但 K 系数大于 20 的负载相对较少。计算机房的 K 系数通常为 4 至 9。单相计算机较多的区域，K 系数为 13 至 17。变压器的 K 额定值应超过电路的 K 系数，或者变压器应降额。

电路负载

已制定指南，根据电路中的主要负载类型推荐 K 系数（参见表 1）。当根据 K 系数指定变压器时，并不是越多越好。K 系数大于所需值的变压器有其自身的一系列问题。典型问题包括浪涌电流增加、涡流磁芯损耗更高以及占地面积更大。

表 1. 可以估计常见载荷的 K 系数。

电路的 K 系数通常会随着连接到电路的负载增多而减小，正如 THD 会随着电路上相同负载的增多而减小一样。通常，如果有 10 或 20 个设备同时在线，则配电盘总线上的组合 K 系数会减少 3 倍或更多。

谐波抑制变压器

谐波抑制变压器（HMT）是一种旨在减少配电系统中谐波的变压器。某些类型的 HMT 称为移相变压器。HMT 的工作原理通常是将来自一个负载的谐波分量的正部分与来自另一负载的谐波分量的负部分相加的方式组合波形。当负载完全平衡时，这种添加会导致完全取消。在不平衡负载的情况下，我们仍然能够获得更小的整体谐波。终结果是，谐波被阻止通过配电系统传播，但它们仍然保留在系统的次级绕组和负载侧。

HMT 在靠近负载时效果。这通常意味着 HMT 位于整个设施的分散位置。因此，HMT 的 kVA 额定值通常约为 100 kVA 或更小。

Delta-Y 形接线

常见的变压器接线布置具有三角形配置的初级绕组和星形配置的次级绕组。Delta-Wye 变压器对谐波电流的阻抗高于对基波电流的阻抗。这减少了电流谐波，但变压器中较高的阻抗会导致谐波电流产生相对较高的压降。高电压降会导致电压 THD 和平顶。该电压 THD 可以分布在整个配电系统的上游。在满负载时，三角形 Y 形变压器可以产生高于 IEEE 标准 519-1992、IEEE 电力系统谐波控制建议实践和要求建议的电压 THD。

虽然三重谐波被衰减，但其他高次谐波不受影响。然而，如果使用 HMT 来提供额外的源阻抗和/或来自设施其他地方的其他非线性负载的相移，则可能会实现一些好处。

之字形绕组

另一种常见的 HMT 设计是以锯齿形配置缠绕每相的次级，以消除三重谐波。通过将变压器一相的一半次级匝数缠绕在三相变压器的一个腿上，将另一半次级匝数缠绕在相邻相上（见图 3），可以实现锯齿形。

图 3.锯齿形绕组用于消除三重谐波。

当所有三次谐波彼此同相时，三次谐波电流产生相互抵消的安匝磁通，导致初级绕组中不会感应出电流。