安科瑞 劉邁

　　摘要 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，在實際生產(chǎn)和生活中非線性電子負載設(shè)備被廣泛應用，例如商業(yè)廣場中的LED燈和LED屏、工廠中的加熱器、調(diào)光器等晶閘管調(diào)壓電源，此類設(shè)備會產(chǎn)生大量的3n次諧波導致N線出現(xiàn)電流過大，從而引發(fā)線路發(fā)熱、設(shè)備損壞及安全隱患等問題， 嚴重影響了電氣系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。本文基于N線電流過大問題，通過理論分析N線電流產(chǎn)生的原因，結(jié)合智能諧波監(jiān)測、諧波動態(tài)補償和三相不平衡治理等技術(shù)手段，提出了一種終端電氣綜合治理解決方案。通過現(xiàn)場試驗應用表明了該解決方案可以有效解決N線電流過大的問題，提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性，保障了供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： 3n次諧波；N線電流過大；N線電流治理；電能質(zhì)量；終端電氣綜合治理

　　1 引言

　　社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展推動著通信、計算機技術(shù)和光電技術(shù)的不斷進步，在大型的商業(yè)、公共和工廠建筑中，現(xiàn)代電力電子設(shè)備如LED燈、LED屏、變頻空調(diào)、計算機、辦公通信設(shè)備以及工廠中的加熱電源等被廣泛應用，此類設(shè)備會產(chǎn)生3N次諧波以及三相不平衡等問題的存在會導致N線電流過大，容易造成N線絕緣層老化起火從而引發(fā)火災，存在較大的安全隱患[1]。

　　在三相四線制的供配電系統(tǒng)中存在大量的非線性負載設(shè)備，導致供配電系統(tǒng)污染嚴重，其中三相零序諧波電流因為同相、同大小通過N線回流造成N線過流[2]。文獻[3]基于磁通補償原理、無電容拓撲的零序濾波器,其濾波特性不受電網(wǎng)參數(shù)影響,無諧波放大、無失諧等問題,可以實現(xiàn)電壓型非線性負載的諧波低阻通道。文獻[4]基于零序電流的問題,提出了一種基于曲折接線的相間耦合電抗器的零序諧波電流治理方案。文獻[5] 基于磁通補償原理提出一種用于中性線上零序電流濾波的諧波治理裝置，通過對補償繞組中電流大小以及方向的控制改變合成磁通大小,從而改變系統(tǒng)對外的等效阻抗。文獻[6]介紹了在樓宇大規(guī)模LED燈組諧波治理當中的電氣設(shè)計方案，通過電路分析計算、設(shè)計要求對標、濾波器設(shè)備選型等步驟完成諧波治理工作。文獻[7]以機場中的LED照明箱為背景，將零線電流消除器與LED照明燈具串聯(lián)，利用磁通補償?shù)姆绞絹斫鉀Q由零序諧波造成的N線電流過大的問題。

　　參考上述文獻，對于N線電流治理普遍采用無源串/并接的治理方式，但是目前存在著以下幾種問題：1）造成N線零點電壓漂移，可能使得相-地之間的電壓升高；2）只對固定的3次諧波有治理能力，對于高次諧波需要更多濾波電路，因此設(shè)備體積變大，成本增加；3）運行時對電網(wǎng)阻抗和頻率的變化較為敏感，容易產(chǎn)生諧振的問題；4）負載變化較快或N線電流過大的突發(fā)情況，容易導致設(shè)備損壞。

　　本文基于3n次諧波和三相不平衡引起的N線電流過大的問題，設(shè)計并提出了一種終端電氣綜合治理解決方案，集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理"四位一體，通過硬件設(shè)備、通訊網(wǎng)關(guān)和軟件系統(tǒng)對配電系統(tǒng)實現(xiàn)從設(shè)備級監(jiān)測到電能質(zhì)量預判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達到治理補償?shù)姆桨敢?，實現(xiàn)了“閉環(huán)管理-監(jiān)測、報警、控制和保護"為一體的功能，保障了整個末端供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運行。

　　2  N線電流產(chǎn)生機理

　　2.1 N線電流產(chǎn)生的原因

　　在實際項目現(xiàn)場中，一般由于3n次諧波和三相不平衡引起的N線帶電情況尤為常見。尤其商業(yè)廣場或體育中心廣場存在著大量LED熒光燈/泛光燈和LED屏等設(shè)備，將導致N線帶電的問題。其負載類型為開關(guān)電源型，并存在以下特點：

　　1）負載諧波含量豐富。當內(nèi)部的開關(guān)器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，會使得輸入輸出電流和電壓波形發(fā)生畸變，諧波電流主要以3次諧波電流為主，電流畸變率THDi一般在70%-120%之間，同時還包含高次諧波。

　　2）開關(guān)電源常采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，因此無功特性一般表現(xiàn)為容性無功居多，功率因數(shù)在0.9以上。存在電容器的現(xiàn)場若主動投入電容器，反而會使系統(tǒng)無功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)快速降低的問題。

　　表1為3次諧波源負載及諧波分析。

表1  3次諧波源負載及諧波分析

　　2.2 N線電流產(chǎn)生的原因

　　針對0.4kV的低壓配電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)N線帶電的異常情況，一般有下列幾種因素：1）A/B/C三相負載電流不平衡；2）非線性負載設(shè)備產(chǎn)生3n次諧波電流；3）N線斷路，阻抗無窮大，電流無法通過N線形成閉合回路，負載設(shè)備側(cè)的中性點電位不再為零，發(fā)生偏移；4）N線和接地保護PE線混接；5）A/B/C相線與N線之間絕緣層損壞，致使相線和N線之間產(chǎn)生漏電；6）接地故障，在TN-S系統(tǒng)中中性點接地電阻過大或接地不良，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點電位會升高，使N線帶電[9]。

　　2.3 N相電流理論計算

　　1）三相電流負載不平衡

　　式中，IA、IB、IC和IN分別為三相四線系統(tǒng)中A相、B相、C相和N相的電流值。

　　2）3n次諧波電流

　　式中，IA,3n、IB,3n和IC,3n為三相四線系統(tǒng)中A相、B相和C相3n次諧波電流值。

　　3  N線電流治理方式

　　針對N線電流的治理方式，從3次諧波源的角度出發(fā)，其N線電流和諧波電流的治理方式基本一致，一般采用被動治理的治理方式，即外接濾波補償設(shè)備，從而保護負載和電網(wǎng)。

　　3.1 無源裝置

　　針對零序電流的特點，市場上存在一些無源的零序濾波器來治理N線電流過大的問題。其主要原理是并聯(lián)零序濾波器，對零序電流表現(xiàn)為低阻抗，使得零序電流主要流經(jīng)零序濾波器，而不通過N線。此零序濾波器一般采用電感、電容和電阻組成的LC濾波電路或采用內(nèi)部磁通互相抵消的方式濾除固定的3次諧波成分，但是對于高次諧波需要更多濾波電路，同時也會帶來體積增加和成本過高的問題[10]；采用串聯(lián)在N線上的零線電流阻斷器治理N線電流，其原理是在N線上串接一個大電阻值，阻礙系統(tǒng)的 ABC三相零序諧波流入N線上。但在N線上串接電阻會改變整個零線的阻抗值，造成中性線零點電壓漂移，提高相-地電壓，可能會對電氣設(shè)備造成損壞，擊穿開關(guān)和絕緣保護。同時國標GBJ65-83 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范》中明確要求零線上不允許串接開關(guān)、熔斷器及電阻器等設(shè)備。圖1為零線電流阻斷器的連接圖。

圖1 零線電流阻斷器連接圖

　　3.2 有源裝置

　　無源零序濾波器，雖然能一定程度上治理N線電流過大的問題，但是存在局限性，不能滿足變化較快的負載情況，容易受系統(tǒng)影響。基于瞬時無功理論技術(shù)的APF有源電力濾波器可以對不同頻率的諧波進行實時檢測跟蹤與補償治理，適用于不同的諧波環(huán)境，補償效果好，響應時間快，并聯(lián)于整個電力系統(tǒng)中，不會影響到其他用電負載回路。目前有源濾波存在以下問題：1）電壓畸變率過高情況下，諧波檢測精度普遍存在不準或誤差較大的情況；2）針對負載毫秒級的變化，可能存在補償補償滯后的問題；3）APF的輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗之間容易引發(fā)高頻諧振；4）在弱電網(wǎng)情況下，APF的穩(wěn)定性可能會受到相位裕度的影響。圖2為APF補償原理圖。

圖2  APF補償原理圖

　　4 終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案

　　終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案由終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備作為底層硬件基礎(chǔ)實現(xiàn)對末端供配電數(shù)據(jù)采集與末端電能質(zhì)量補償?shù)染唧w服務(wù)動作；物理網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)終端治理設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設(shè)備進行策略功能分配；設(shè)備運行數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。終端系統(tǒng)拓撲圖見圖3。

圖3 終端系統(tǒng)拓撲圖

　　終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理"四位一體，通過對配電系統(tǒng)從設(shè)備級監(jiān)測到電能質(zhì)量預判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達到治理諧波、無功及三相不平衡問題的方案要求，同時還可對N線進行溫度異常檢測、N線電流治理及過流反饋保護等。相對于APF有源濾波器和無源的零線電流阻斷器，其優(yōu)勢在于：1）集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理"四位一體，涉及硬件治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和軟件系統(tǒng)服務(wù)平臺；2）增加了N線電流監(jiān)測及治理功能，涉及N線溫度監(jiān)測預警、N線電流治理及過流反饋保護等；3）增加了穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能。

　　終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備工作原理如圖4所示。通過采樣電流互感器檢測負載的A/B/C三相電流，通過內(nèi)部DSP+FPGA處理芯片實現(xiàn)電流指令的生成和控制，通過傅里葉分解將A/B/C三相電流分解為基波有功電流、基波無功電流和諧波電流，并計算出N相上3N次諧波電流值，功率電路部分再通過LC濾波電路實現(xiàn)電流輸出[11]。

圖4 終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備工作原理

　　針對終端電氣治理設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和N線電流治理的情況，一方面通過485總線傳輸?shù)接|摸屏，另一方面通過WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路進行手機端或者電腦端的檢查[12]，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參考圖5。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　5  N線電流治理工程實例

　　該項目工程實例位于某市大型商業(yè)廣場，由于現(xiàn)場LED照明燈具和LED大屏在運行過程中功率會不斷變化，造成N線電流過大，引起配電間N線發(fā)熱嚴重，配電箱溫度較高；隨著N電流的波動變化，變壓器間歇發(fā)出異響，現(xiàn)場母排和柜子之間的震動聲響比較頻繁。

　　現(xiàn)場LED燈具80%運行，LED屏幕亮度50%，配電房變壓器進線柜和末端配電箱數(shù)據(jù)如下：

　　表1 配電房進線柜數(shù)據(jù)（治理前）

　　表2 末端配電箱數(shù)據(jù)（治理前）

　　結(jié)合現(xiàn)場變壓器進線柜數(shù)據(jù)、末端配電箱數(shù)據(jù)、總N排電流大小及末端N線電流大小和系統(tǒng)的復雜程度，選擇合適的終端綜合治理設(shè)備，并保證一定的設(shè)備裕量，及時對諧波電流及N線電流進行治理，防止電氣火災和設(shè)備的損壞。在LED照明燈具及LED屏所在的配電箱配置終端治理設(shè)備，其電氣結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 末端配電箱電氣結(jié)構(gòu)圖

　　開啟終端治理設(shè)備，再次對配電房進線柜和末端配電箱進行測試，數(shù)據(jù)如下：

　　表3 配電房進線柜數(shù)據(jù)（治理后）

　　表4 末端配電箱數(shù)據(jù)（治理后）

　　通過對比治理前后的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場LED燈具80%運行和LED屏幕亮度50%時，變壓器進線側(cè)N線電流從622A降到 39A左右；LED屏配電箱N線電流從438A降到30A左右，N線的治理，線纜發(fā)熱和變壓器異響的問題基本消除，整個供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得到提升，滿足對治理效果的預期要求，同時治理前后的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上傳到終端綜合治理系統(tǒng)平臺，方便了后期運維。

　　6 結(jié)論

　　本文基于N線電流過大問題提出的終端電氣綜合治理解決方案，該解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理"四位一體，涉及硬件治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及軟件系統(tǒng)平臺。相對于傳統(tǒng)的無源的零線電流阻斷器和APF有源濾波器，又增加了對N線進行溫度異常檢測、N線電流治理及過流反饋保護、穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能，最后又通過項目工程案例驗證了終端電能質(zhì)量綜合治理解決方案的有效性和可靠性，保障了末端供配電系統(tǒng)的用電安全。

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