電能質(zhì)量諧波治理三相不平衡中線安防保護

1、概述

大量非線性負載使用會導致中性線3N次諧波電流過大，同時，三相不平衡等問題往往也會造成中性線電流過大。而中性線電流過大非常容易導致中性線絕緣層老化起火引發(fā)火災，存在較大的安全隱患。針對這樣的情況，我司采用先進的電力電子技術(shù)、控制理論等研制出了新型的中線安防保護器，可有效消除中性線電流過大的情況而造成的電氣火災安全隱患。

在這樣的用電場合，往往也會存在諧波污染嚴重，三相不平衡，功率因數(shù)低等問題。我司新型的終端綜合治理裝置，在消除中性線電流過大的火災安全隱患的同時，也能解決這些復雜的電能質(zhì)量問題。

中線安防保護器的基本原理為:通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

終端綜合治理裝置通過電流檢測環(huán)節(jié)，采集系統(tǒng)中性線、各相線上諧波電流和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令。通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等、方向相反的補償電流，并注入系統(tǒng)。該裝置不僅可以治理系統(tǒng)中諧波電流，補償系統(tǒng)無功需量，還可以消除過大的中性線電流。

2、產(chǎn)品設計的必要性

2.1 應用背景

根據(jù)近幾年的火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電氣火災占據(jù)所有火災的比例非常高。2018年全年全國共統(tǒng)計火災38.9萬起，死亡2113人，受傷1637人。電氣火災比例高，違反電氣安裝使用規(guī)定等引發(fā)的火災共11.6萬起，死亡745人，受傷538人，分別占總數(shù)的29.7%、35.3%和32.9%。其中電氣線路是電氣火災中主要的起火源，所占的比例高達60%以上，是防范的重點。其中由于中性線導致的起火數(shù)量占有不小比例，所以治理中性線電流過大問題是非常有必要的。

針對三相不平衡，諧波污染，需要無功補償、中性線電流過大等電能質(zhì)量問題和電氣火災隱患同時存在的場合，為了預防末端配電故障和電氣火災的發(fā)生，同時出于成本考慮，需要一種可以同時綜合治理的設備。

2.2 中性線定義及危害

中性線的定義：三相電的星形接法是把每一相電源或負載的一端都接在中性點上，將中性點引出的這條線叫中性線，這樣就形成三相四線制或者五線制。也可不引出，形成三相三線制?，F(xiàn)在的低壓配電線路，采用多的是三相四線制，其中的三條線路分別用A、B、C代表三相，另一條中性線用N代表。在三相四線制或五線制供電系統(tǒng)運行過程中，中性線引發(fā)火災事故主要通過三種途徑：

a.中性線長期過載導致中性線絕緣層老化，后使得絕緣層燃燒引發(fā)火災；

b.中性線故障使中性線開路，導致三相電嚴重不平衡，燒毀電氣設備引發(fā)火災。

C.中性線老化使線路局部過熱，中性線絕緣層老化，后使得絕緣層燃燒引發(fā)火災。

2.3 典型案例

2018年6月1日17時52分許，某商業(yè)中心發(fā)生一起火災事故，過火面積約5.1萬平方米。火災造成1人死亡、直接經(jīng)濟損失9210余萬元。經(jīng)調(diào)查，火災直接原因是市場負1樓冷庫3號庫內(nèi)，租戶自行拉接的照明電源線短路引燃下方的外包裝紙箱。由于部分消防通道、疏散通道堵塞，未設置防火分隔裝置等原因，火勢蔓延。同時，3號庫發(fā)生爆燃后，高溫煙氣引燃整個冷庫裸露在外的保溫材料，產(chǎn)生了大量可燃的高溫煙氣，致1人吸入高溫有毒煙氣后窒息，搶救無效死亡.

3、設計依據(jù)

3.1 設計標準

GB50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》

GB17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流≤16A)》

GB/T17625.8-2015《電磁兼容限值每相輸入電流大于16A小于等于75A連接到公用低壓系統(tǒng)的設備產(chǎn)生的諧波電流限值》

3.2 具體條例

在400V三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，中性線一般小于等于相線的線徑，而當中性線中存在3N次諧波時，中性線電流非常容易超過相線電流。

GB50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》

3.2.6 當電纜沿敷設路徑中各場所的散熱條件不相同時，電纜的散熱條件應按不利的場所確定。

3.2.7 符合下列情況之一的線路，中性導體的截面應與相導體的截面相同：

1 單相兩線制線路；

2 銅相導體截面小于等于16mm2或鋁相導體截面小于等于25mm2的三相四線線路。

3.2.8 符合下列條件的線路，中性導體截面可小于相導體截面；

1 銅相導體截面大于16mm2或鋁相導體截面大于25mm2；

2 銅中性導體截面大于等于16mm2或鋁中性導體截面大于等于25mm2；

3 在正常工作時，包括諧波電流在內(nèi)的中性導體預期大電流小于等于中性導的允許載流量；

4 中性導體已進行了過電流保護。

3.2.9 在三相四線制線路中存在諧波電流時，計算中性導體的電流應計入諧波電流的效應。當中性導體電流大于相導體電流時，電纜相導體截面應按中性導體電流選擇。

3.3 配電圖

3.3.1 中線安防保護器配電圖

4、上圖示例

4.1 產(chǎn)品型號

4.2 模塊接口示意

4.3 產(chǎn)品尺寸

5、技術(shù)參數(shù)

5.1 中線安防保護器

5.2 終端綜合治理裝置

6、應用案例

6.1 體育中心

現(xiàn)場情況：

該現(xiàn)場為某體育中心泛光照明供配電系統(tǒng)，選擇10個測量點測量了電參量，各個配電箱總進線端A/B/C三相電流

基本平衡，各相電流有效值不超過350A，但是N線電流有效值非常大?？偨Y(jié)當系統(tǒng)存在以下幾點問題：

（1）N線電流比相線電流大1-1.7倍左右；

（2）N線電流的主要諧波頻次為3次諧波，同時還存在其他3N次諧波和不平衡電流；

（3）3次諧波有效值的3倍實際小于N線電流，多出的這部分電流成分暫時無法定性；

（4）總電流畸變率都相對比較高，而且從3次諧波的占比看各個配電箱都沒有規(guī)律可循；

（5）開關(guān)電源型負荷基波功率因數(shù)cosφ為容性，其值未知，但從PF=P/S=COSφ/(sqrt(1+THDi*THDi))公式不難發(fā)現(xiàn)，只要THDi減小，就可以使全波功率因數(shù)PF相應減小。

原因分析：

該系統(tǒng)主要負荷類型為開關(guān)電源型，開關(guān)電源型負荷有2大特點：

其一是電流有效值分解后，諧波電流以3次諧波電流為主，畸變率一般在70%-120%之間。例如單測一個5A的開關(guān)電源，其3次諧波電流畸變率可高達120%左右。而隨著多個開關(guān)電源的并聯(lián)，電流有效值、3次諧波電流有效值都會變大，但是3次諧波電流有效值在總電流有效值內(nèi)的占比會相應減小，也就是總諧波電流畸變率大小與并聯(lián)的開關(guān)電源數(shù)量呈負相關(guān)，在70%-120%的范圍內(nèi)變化；

其二是純開關(guān)電源的無功特性為容性無功居多，無功功率分為感性無功和容性無功，常見的用電負荷大部分為感性負荷，產(chǎn)生的無功為感性無功，一般采用主動投入電容器的方法，通過注入容性無功，與系統(tǒng)中的感性無功相抵消，從而達到補償無功功率、提高功率因數(shù)的目的。但是開關(guān)電源的無功本身屬于容性無功，這時候如果主動投入電容器的話，反而會使系統(tǒng)無功功率增加，會出現(xiàn)功率因數(shù)急速降低的現(xiàn)象。

另外，理論上講N相電流產(chǎn)生電流的原因主要有兩方面原因：

一、A/B/C三相不平衡導致N線上有零序電流的存在；

二、相線3N次諧波電流會在N線上疊加（例：A相上有10A的3次諧波電流，B相上有20A的3次諧波電流，C相上有5A的3次諧波電流，那么N相上會有10+20+5=35A的諧波電流；同理9次諧波電流、15次諧波電流等具有相同的特性）。所以實際測量數(shù)據(jù)的N線電流遠大于相線電流，這種現(xiàn)象在開關(guān)電源型負荷中十分常見。如果此系統(tǒng)中全是3次諧波的話，實測值中諧波電流總畸變率和3次諧波占有率應該是非常接近乃至相同的數(shù)值，但是從實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩個值存在較大差異，所以此系統(tǒng)的N相中不僅僅有3次諧波電流，還會有9次、15次、21次諧波以及三相不平衡等因素的存在。

方案選型(以AL8為例)：

凈化效果：

如下圖所示，根據(jù)治理方案可得知，此次我們需要測量的數(shù)據(jù)主要為N相電流及總畸變率。下圖左上為監(jiān)測點電流，右上為對應電流畸變率。Irms1為相線網(wǎng)側(cè)電流，2為相線負載電流，3為N相網(wǎng)側(cè)電流，4為N相SNP發(fā)出電流。看圖可得，體育中心AL8號箱子負載經(jīng)過SNP設備治理后，相線電流從175A左右降到128A左右。SNP的零線電流治理了274A的諧波后，N相網(wǎng)側(cè)電流為37A。滿足對治理效果的預期要求。

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