学术简报｜间谐波对电工钢片励磁特性及损耗影响的实验研究
华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室、国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司、全球能源互联网研究院、保定天威保变电气股份有限公司的研究人员李慧奇、贾一凡等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文，基于爱泼斯坦方圈，搭建了可产生任意间谐波激励的电工钢励磁特性和损耗特性实验平台。
基于该实验平台研究间谐波对电工钢片励磁电流的影响，并应用Prony算法分析了间谐波作用下方圈感应电压和励磁电流的频率特性。最后，分析和总结了间谐波的频率和幅值对电工钢片的励磁特性和损耗的影响规律。该文的工作为研究间谐波对电力变压器等设备的影响和抑制奠定了基础。
间谐波指非整数倍基波频率的谐波，其频谱可以是离散或连续的。常见的间谐波来源有电力设备的开关操作、各类非线性负荷以及变频装置等。除此之外，随着我国对风能资源的大规模开发利用，风力发电引发的次同步振荡也会向电力系统中注入大量间谐波。
变压器作为连接风电机组与电力系统的主要设备，会受到间谐波的影响。而电工钢片作为变压器铁心的主要材料，研究其在间谐波作用下的磁特性是分析间谐波工况下变压器运行性能的基础。
目前，国内外学者对间谐波的检测，产生机理以及危害开展了相对广泛而深入的研究。如刘小河、Ran和Graham等分别研究了电弧炉、高压直流输电和频率转换器产生间谐波的机理以及可能产生的间谐波频率；Peretto等研究得出30～90Hz范围内的间谐波电压是灯光闪烁的主要原因；熊杰锋等从检测信号模型出发，对基于加窗、谱估计和希尔伯特黄变换等谐波检测算法进行了总结。
但是，有关间谐波对电力变压器影响方面的研究目前非常少见。本文通过实验研究了间谐波对电工钢片励磁特性的影响，并基于Prony算法分析了间谐波作用下励磁电流和方圈二次电压的频率特性，还分析和总结了间谐波频率和幅值对励磁、损耗特性的影响规律。由于目前尚无国家标准对间谐波作用下电工钢片磁化特性的测量方法做出规定，故本文搭建的实验平台以及测量方法可为今后的相关标准制定提供依据。
图1 测量平台原理图
本文搭建了可产生含任意间谐波激励的电工钢实验平台，激励中各分量的幅值和频率均可控；应用Prony算法分析了间谐波激励下电工钢片的励磁特性；研究了间谐波频率和幅值对电工钢片励磁和损耗特性的影响规律。
1）当激励电压中含有单一频率的间谐波时，方圈感应电压和励磁电流中除了含有同频率的间谐波分量，还含有其他频率的间谐波成分。主要间谐波频率位于电力系统的偶次谐波频率± fi（激励所含间谐波频率）处，以及基波和奇次谐波±2fi处。幅值随激励所加间谐波频率的减小而增大。频率小于25Hz的间谐波对励磁电流的影响较大，所含间谐波频率越低影响越严重。
2）间谐波激励下电工钢片铁损和视在功率明显增大，且损耗随间谐波频率的降低（特别是低于25Hz的间谐波）和幅值的增大而增大。
3）频率低于25Hz的间谐波对钢片特性影响较其他频率严重，是使钢片饱和、励磁电流畸变以及损耗情况增加的主要因素，应重点进行预防和抑制。