逆变器高谐波对变压器的破坏影响,采用改进的绕组
在大型光伏电站中，逆变器产生的高谐波主要会通过产生过多的热量来破坏变压器，从而破坏绝缘层并随着时间的推移降解芯材。
传统变压器设计用于平滑的单频正弦波(通常为50 或 60 Hz)，但逆变器会产生高频谐波，这是其开关或脉宽调制 (PWM)作的副产品。高谐波对变压器的破坏性影响主要发生在三个方面：
1)绕组过热和绝缘失效
高频电流(例如谐波)通过两种机制导致变压器绕组额外发热：
集肤效应：在高频下，电流主要流在导体的外表面上，而不是均匀分布在其横截面上。这限制了电流流动的有效面积，显着增加了绕组的电阻并导致热量积聚。
邻近效应：来自相邻绕组和其他导体的不同磁场会在附近的导体中感应出循环涡流。在高频下，这种影响变得更加严重，导致绕组中的额外局部加热。
随着时间的推移，这种高温会降低变压器的电绝缘性。绝缘材料的设计能够承受正常的工作温度和电压应力，但来自皮肤的热量和接近效应会加速其老化，导致绝缘过早失效和潜在的短路。
2)铁芯损耗增加和过热
由于迟滞和涡流损耗增加，高频谐波导致变压器的铁磁铁芯也会受到更大的加热。
迟滞损耗：这是每次变压器铁芯的磁畴随着交流电重新定向时损失的能量。逆变器产生的高频谐波导致磁场更快地改变极性，从而在铁芯中产生更多的摩擦和热量。
涡流损耗：高频谐波在磁芯材料本身内感应出循环涡流。这些不需要的电流会产生热量，并且与频率的平方成正比。
因此，较高的谐波产生的涡流损耗比标准基频呈指数级增长，导致磁芯过热。
3)三相系统中的谐波
在三相星形连接系统中，特定的谐波阶数，称为三次谐波(3次、9次、15次等)，在中性导体中相加而不是相互抵消。这可能会导致中性导体严重过载和过热，从而导致绝缘失效、火灾和灾难性损坏。
另一个关键的失效机制是谐波共振。如果逆变器产生的谐波频率与电气系统的固有谐振频率重合，则谐波可以显着放大。
这种放大会导致危险的高电流和过电压，从而损坏变压器、断路器和其他设备。
如果谐振发生在变压器的初级或次级绕组附近，则会产生危险的高压应力，导致局部放电并最终导致介电击穿。
4)那么该如何减轻谐波损伤?
为了保护变压器免受高谐波的破坏性影响，可以采取具体措施：
K 因子额定变压器：这些变压器经过专门设计，可处理谐波负载引起的额外发热，采用改进的绕组和铁芯设计。
尺寸过大：变压器的容量可以过大，以较低的负载百分比运行，从而承受更高的温度。
Delta-Wye 配置：Delta-Y变压器配置可用于通过创建电流在 Delta 绕组内循环而不是积聚在中性导体中的路径来控制三重谐波。
谐波滤波器：可以安装有源或无源滤波器来滤除特定的谐波频率并防止它们到达变压器。
专门用于大型光伏电站的逆变变压器设计规范不断发展，对这些关键资产进行适当的诊断测试和在线监控至关重要。正确的测试包括检查绝缘系统的健康状况，包括流体和固体、绕组完整性并确保负载不超过容量。
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