K 系數(shù)變壓器介紹及設(shè)計方法

改造者：蘇曉紅

本文介紹了K 定義及計算方法，說明了K 系數(shù)對變壓器損耗的影響，及變壓器在K 系數(shù)的運(yùn)行環(huán)境下的損耗計算，指出了K 系數(shù)變壓器的設(shè)計要點。

隨著社會及科學(xué)技術(shù)的不斷地發(fā)展與進(jìn)步，各類工業(yè)的用電場所和類型也在不斷地更新，如變頻電源、逆變器、不間斷電源、整流設(shè)備電源等得到充分的發(fā)展，從而電力電子技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，但是電力電子的大量使用卻給電力系統(tǒng)中帶來了大量的諧波，并給各種電力設(shè)備帶來極大的危害。存在于電力電網(wǎng)絡(luò)中的三次及以上的奇數(shù)次諧波電壓會在變壓器的線圈中產(chǎn)生附加的諧波電流分量，當(dāng)這些諧波分量足夠大時會導(dǎo)致變壓器的溫度升高，甚至超過其允許運(yùn)行的溫度，不僅降低了變壓器的使用壽命，也可能導(dǎo)致變壓器在短時間內(nèi)燒毀。K 系數(shù)變壓器就是根據(jù)用戶的供電品質(zhì)和負(fù)載中的諧波含量，充分考慮非線性負(fù)載的成分，并綜合考慮諧波對鐵芯及線圈的各種影響，采取相應(yīng)的措施使變壓器能夠安全可靠地運(yùn)行。

K 系數(shù)的定義

K 系數(shù)在美國標(biāo)準(zhǔn)UL1562 及ANSI C57.110 中有詳細(xì)的定義，K 系數(shù)的大小直接反映的是用戶的供電品質(zhì)和負(fù)載中的諧波含量大小，數(shù)字越大其諧波含量越大，其具體定義為：

并有以下公式成立：

以上計算方法為UL 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算方法。

還有另一種計算方法基于基波電流的計算，各次諧波含量的百分比為基波電流的百分比，基波電流的百分比為100%，因此各次諧波的百分比的平方和大于1.0，其K系數(shù)計算公式如下：

根據(jù)以上的計算方法，在已知負(fù)載中各次諧波電流含量時就能計算出K 系數(shù)的值其計算如下所示：

根據(jù)以上的表格中的諧波譜的計算得出此條件下的K系數(shù)為：

另一種K 系數(shù)計算方法如下：

因此根據(jù)以上的計算數(shù)據(jù)得出K 系數(shù)為：

根據(jù)以上的計算兩個計算方法得出來的K 系數(shù)的值一樣，因此兩種計算方法都可以作為K 系數(shù)的計算方法。

在實際使用中往往根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同直接定義了一些標(biāo)準(zhǔn)的K 系數(shù)值來表示諧波含量的多少，一般定義為1、4、9、13、20、30、40 和50。

變壓器損耗

K 系數(shù)表示的諧波含量的多少，而諧波對變壓器的影響主要表現(xiàn)在損耗上，因此下面主要說明變壓器損耗及K系數(shù)對變壓器損耗的影響。

其中 為變壓器總損耗。

空載損耗是鐵芯在勵磁電壓下產(chǎn)生的損耗，盡管勵磁電流中包含諧波，但是諧波電流對空載損耗的影響是很小的，因此可以省略不計。而負(fù)載損耗是由直流損耗、渦流損耗和雜散損耗組成，其計算公式如下：

對于容量小于300kVA 的變壓器

對于容量大于300kVA 的變壓器

從以上計算公式來看，K 系數(shù)對變壓器運(yùn)行時的負(fù)載損耗有很大影響，K 系數(shù)越大損耗越大，變壓器的溫升也就越大，因此在做變壓器設(shè)計時應(yīng)該充分考慮K 系數(shù)和諧波的影響，盡量減小諧波對變壓器產(chǎn)生的渦流損耗，降低溫升保證其使用壽命。以下將要介紹其設(shè)計要點。

K 系數(shù)變壓器設(shè)計要點

K 系數(shù)主要影響變壓器的渦流損耗和雜散損耗，渦流損耗是與漏磁場正交的導(dǎo)體的尺寸有關(guān)，而雜散損耗是由于雜散磁場在鐵芯，夾件，油罐以及其他鋼鐵零部件中產(chǎn)生的損耗，雜散損耗將導(dǎo)致變壓器的金屬結(jié)構(gòu)件的溫度升高。針對兩種損耗產(chǎn)生的原因，對變壓器設(shè)計將主要注意以下幾點：

因為在線圈端部漏磁場彎曲，為了減少穿越線圈端部的漏磁場，可以采用一次和二次繞組等高設(shè)計，能夠減少集中在線圈端部的渦流損耗。

眾所周知渦流損耗與變壓器導(dǎo)體的尺寸有關(guān)，導(dǎo)體越厚渦流損耗損耗越大，因此可以采用箔式繞組或者多股導(dǎo)線并繞的方式來減少渦流損耗。

由于諧波電流對中性點的附加效應(yīng)，中性點電流為相電流的兩倍，因此設(shè)計變壓器時中性點的連接母排采用相母排尺寸的兩倍。

由于負(fù)載中諧波電流的存在，可以在一次和二次繞組之間設(shè)置屏蔽層，減少負(fù)載諧波電流對一次側(cè)的影響。

因為諧波電流對雜散損耗有影響，所以可以通過使用不導(dǎo)磁材料制作變壓器的金屬零部件，來減少變壓器的雜散損耗。

由于諧波電壓的存在，諧波電壓將提高鐵芯磁密，增加鐵芯損耗，并且增大勵磁電流，噪音和鐵芯溫升。采用降低磁密來減小諧波電壓對鐵芯的影響。

結(jié)語

本文對K 系數(shù)變壓器進(jìn)行了詳細(xì)的定義及其計算方法，介紹了變壓器各種損耗的組成，說明了K 系數(shù)對變壓器損耗及溫升的影響，并闡述了K 系數(shù)變壓器的設(shè)計要求以減少K 系數(shù)對變壓器的影響，保證其使用壽命。