摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中非線(xiàn)性電子負(fù)載設(shè)備被廣泛應(yīng)用，例如商業(yè)廣場(chǎng)中的LED燈和LED屏、工廠(chǎng)中的加熱器、調(diào)光器等晶閘管調(diào)壓電源，此類(lèi)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的3n次諧波導(dǎo)致N線(xiàn)出現(xiàn)電流過(guò)大，從而引發(fā)線(xiàn)路發(fā)熱、設(shè)備損壞及安全隱患等問(wèn)題， 嚴(yán)重影響了電氣系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。本文基于N線(xiàn)電流過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)理論分析N線(xiàn)電流產(chǎn)生的原因，結(jié)合智能諧波監(jiān)測(cè)、諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用表明了該解決方案可以有效解決N線(xiàn)電流過(guò)大的問(wèn)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(xiàn)電流過(guò)大；N線(xiàn)電流治理；電能質(zhì)量；終端電氣綜合治理了

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展推動(dòng)著通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的不斷進(jìn)步，在大型的商業(yè)、公共和工廠(chǎng)建筑中，現(xiàn)代電力電子設(shè)備如LED燈、LED屏、變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)、辦公通信設(shè)備以及工廠(chǎng)中的加熱電源等被廣泛應(yīng)用，此類(lèi)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生3N次諧波以及三相不平衡等問(wèn)題的存在會(huì)導(dǎo)致N線(xiàn)電流過(guò)大，容易造成N線(xiàn)絕緣層老化起火從而引發(fā)火災(zāi)，存在較大的安全隱患[1]。

在三相四線(xiàn)制的供配電系統(tǒng)中存在大量的非線(xiàn)性負(fù)載設(shè)備，導(dǎo)致供配電系統(tǒng)污染嚴(yán)重，其中三相零序諧波電流因?yàn)橥?、同大小通過(guò)N線(xiàn)回流造成N線(xiàn)過(guò)流[2]。文獻(xiàn)[3]基于磁通補(bǔ)償原理、無(wú)電容拓?fù)涞牧阈驗(yàn)V波器,其濾波特性不受電網(wǎng)參數(shù)影響,無(wú)諧波放大、無(wú)失諧等問(wèn)題,可以實(shí)現(xiàn)電壓型非線(xiàn)性負(fù)載的諧波低阻通道,對(duì)抑制低壓配電網(wǎng)零序諧波具有顯著效果。文獻(xiàn)[4]基于零序電流的問(wèn)題,提出了一種基于曲折接線(xiàn)的相間耦合電抗器的零序諧波電流治理方案。文獻(xiàn)[5] 基于磁通補(bǔ)償原理提出一種用于中性線(xiàn)上零序電流濾波的諧波治理裝置，通過(guò)對(duì)補(bǔ)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(duì)外的等效阻抗。文獻(xiàn)[6]介紹了在樓宇大規(guī)模LED燈組諧波治理當(dāng)中的電氣設(shè)計(jì)方案，通過(guò)電路分析計(jì)算、設(shè)計(jì)要求對(duì)標(biāo)、濾波器設(shè)備選型等步驟完成諧波治理工作。文獻(xiàn)[7]以機(jī)場(chǎng)中的LED照明箱為背景，將零線(xiàn)電流消除器與LED照明燈具串聯(lián)，利用磁通補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)解決由零序諧波造成的N線(xiàn)電流過(guò)大的問(wèn)題。

參考上述文獻(xiàn)，對(duì)于N線(xiàn)電流治理普遍采用無(wú)源串/并接的治理方式，但是目前存在著以下幾種問(wèn)題：1）造成N線(xiàn)零點(diǎn)電壓漂移，可能使得相-地之間的電壓升高；2）只對(duì)固定的3次諧波有治理能力，對(duì)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(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化較為敏感，容易產(chǎn)生諧振的問(wèn)題；4）負(fù)載變化較快或N線(xiàn)電流過(guò)大的突發(fā)情況，容易導(dǎo)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(xiàn)電流過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(cè)-分析-治理"四位一體，通過(guò)硬件設(shè)備、通訊網(wǎng)關(guān)和軟件系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從設(shè)備級(jí)監(jiān)測(cè)到電能質(zhì)量預(yù)判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到精準(zhǔn)治理補(bǔ)償?shù)姆桨敢螅瑢?shí)現(xiàn)了“閉環(huán)管理-監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制和保護(hù)"為一體的功能，全面保障了整個(gè)末端供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 N線(xiàn)電流產(chǎn)生機(jī)理

2.1N線(xiàn)電流產(chǎn)生的原因

在實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)中，一般由于3n次諧波和三相不平衡引起的N線(xiàn)帶電情況尤為常見(jiàn)。尤其商業(yè)廣場(chǎng)或體育中心廣場(chǎng)存在著大量LED熒光燈/泛光燈和LED屏等設(shè)備，將導(dǎo)致N線(xiàn)帶電的問(wèn)題。其負(fù)載類(lèi)型為開(kāi)關(guān)電源型，并存在以下特點(diǎn)：

1）負(fù)載諧波含量豐富。當(dāng)內(nèi)部的開(kāi)關(guān)器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì)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(shí)還包含高次諧波。

2）開(kāi)關(guān)電源常采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，因此無(wú)功特性一般表現(xiàn)為容性無(wú)功居多，功率因數(shù)在0.9以上。存在電容器的現(xiàn)場(chǎng)若主動(dòng)投入電容器，反而會(huì)使系統(tǒng)無(wú)功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)快速降低的問(wèn)題[8]。

表1為3次諧波源負(fù)載及諧波分析。

表1 3次諧波源負(fù)載及諧波分析

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

2.2N相電流理論計(jì)算

1）三相電流負(fù)載不平衡

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

3 N線(xiàn)電流治理方式

針對(duì)N線(xiàn)電流的治理方式，從3次諧波源的角度出發(fā)，其N(xiāo)線(xiàn)電流和諧波電流的治理方式基本一致，一般采用被動(dòng)治理的治理方式，即外接濾波補(bǔ)償設(shè)備，抑制3次諧波在N線(xiàn)上疊加，從而保護(hù)負(fù)載和電網(wǎng)。

3.1無(wú)源裝置

針對(duì)零序電流的特點(diǎn)，市場(chǎng)上存在一些無(wú)源的零序?yàn)V波器來(lái)治理N線(xiàn)電流過(guò)大的問(wèn)題。其主要原理是并聯(lián)零序?yàn)V波器，對(duì)零序電流表現(xiàn)為低阻抗，使得零序電流主要流經(jīng)零序?yàn)V波器，而不通過(guò)N線(xiàn)。此零序?yàn)V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(duì)于高次諧波需要更多濾波電路，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)體積增加和成本過(guò)高的問(wèn)題[10]；采用串聯(lián)在N線(xiàn)上的零線(xiàn)電流阻斷器治理N線(xiàn)電流，其原理是在N線(xiàn)上串接一個(gè)大電阻值，阻礙系統(tǒng)的 ABC三相零序諧波流入N線(xiàn)上。但在N線(xiàn)上串接電阻會(huì)改變整個(gè)零線(xiàn)的阻抗值，造成中性線(xiàn)零點(diǎn)電壓漂移，提高相-地電壓，可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成損壞，擊穿開(kāi)關(guān)和絕緣保護(hù)。同時(shí)國(guó)標(biāo)GBJ65-83 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確要求零線(xiàn)上不允許串接開(kāi)關(guān)、熔斷器及電阻器等設(shè)備。圖1為零線(xiàn)電流阻斷器的連接圖。

圖1 零線(xiàn)電流阻斷器連接圖

3.2無(wú)源裝置

無(wú)源零序?yàn)V波器，雖然能一定程度上治理N線(xiàn)電流過(guò)大的問(wèn)題，但是存在局限性，不能滿(mǎn)足變化較快的負(fù)載情況，容易受系統(tǒng)影響。基于瞬時(shí)無(wú)功理論技術(shù)的APF有源電力濾波器可以對(duì)不同頻率的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤與補(bǔ)償治理，適用于不同的諧波環(huán)境，補(bǔ)償效果好，響應(yīng)時(shí)間快，并聯(lián)于整個(gè)電力系統(tǒng)中，不會(huì)影響到其他用電負(fù)載回路。目前有源濾波存在以下問(wèn)題：1）電壓畸變率過(guò)高情況下，諧波檢測(cè)精度普遍存在不準(zhǔn)或誤差較大的情況；2）針對(duì)負(fù)載毫秒級(jí)的變化，可能存在補(bǔ)償補(bǔ)償滯后的問(wèn)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(huì)受到相位裕度的影響。圖2為APF補(bǔ)償原理圖。

圖2 APF補(bǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)末端供配電數(shù)據(jù)采集與末端電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)染唧w服務(wù)動(dòng)作；物理網(wǎng)關(guān)實(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)行策略功能分配；設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器最終以服務(wù)終端為媒介為用戶(hù)提供可視化展示。終端系統(tǒng)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖3。

圖3 終端系統(tǒng)拓?fù)鋱D

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-分析-治理"四位一體，通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)從設(shè)備級(jí)監(jiān)測(cè)到電能質(zhì)量預(yù)判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到精準(zhǔn)治理諧波、無(wú)功及三相不平衡問(wèn)題的方案要求，同時(shí)還可對(duì)N線(xiàn)進(jìn)行溫度異常檢測(cè)、N線(xiàn)電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)等。相對(duì)于APF有源濾波器和無(wú)源的零線(xiàn)電流阻斷器，其優(yōu)勢(shì)在于：1）集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-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(tái)；2）增加了N線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)及治理功能，涉及N線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警、N線(xiàn)電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)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(guò)采樣電流互感器檢測(cè)負(fù)載的A/B/C三相電流，通過(guò)內(nèi)部DSP+FPGA處理芯片實(shí)現(xiàn)電流指令的生成和控制，通過(guò)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(wú)功電流和諧波電流，并計(jì)算出N相上3N次諧波電流值，功率電路部分再通過(guò)LC濾波電路實(shí)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(duì)終端電氣治理設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和N線(xiàn)電流治理的情況，一方面通過(guò)485總線(xiàn)傳輸?shù)接|摸屏，另一方面通過(guò)WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路進(jìn)行手機(jī)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(xiàn)電流治理工程實(shí)例

該項(xiàng)目工程實(shí)例位于某市大型商業(yè)廣場(chǎng)，由于現(xiàn)場(chǎng)LED照明燈具和LED大屏在運(yùn)行過(guò)程中功率會(huì)不斷變化，造成N線(xiàn)電流過(guò)大，引起配電間N線(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重，配電箱溫度較高；隨著N電流的波動(dòng)變化，變壓器間歇發(fā)出異響，現(xiàn)場(chǎng)母排和柜子之間的震動(dòng)聲響比較頻繁。

現(xiàn)場(chǎng)LED燈具80%運(yùn)行，LED屏幕亮度50%，配電房變壓器進(jìn)線(xiàn)柜和末端配電箱數(shù)據(jù)如下：

表1 配電房進(jìn)線(xiàn)柜數(shù)據(jù)（治理前）

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變壓器進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)電流大小和系統(tǒng)的復(fù)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(shí)對(duì)諧波電流及N線(xiàn)電流進(jìn)行治理，防止電氣火災(zāi)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(kāi)啟終端治理設(shè)備，再次對(duì)配電房進(jìn)線(xiàn)柜和末端配電箱進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如下：

表3 配電房進(jìn)線(xiàn)柜數(shù)據(jù)（治理后）

表4 末端配電箱數(shù)據(jù)（治理后）

通過(guò)對(duì)比治理前后的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)LED燈具80%運(yùn)行和LED屏幕亮度50%時(shí)，變壓器進(jìn)線(xiàn)側(cè)N線(xiàn)電流從622A降到 39A左右；LED屏配電箱N(xiāo)線(xiàn)電流從438A降到30A左右，N線(xiàn)的治理效果明顯，線(xiàn)纜發(fā)熱和變壓器異響的問(wèn)題基本消除，整個(gè)供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得到提升，滿(mǎn)足對(duì)治理效果的預(yù)期要求，同時(shí)治理前后的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上傳到終端綜合治理系統(tǒng)平臺(tái)，方便了后期運(yùn)維。

6 結(jié)論

本文基于N線(xiàn)電流過(guò)大問(wèn)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(cè)-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(tái)。相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)源的零線(xiàn)電流阻斷器和APF有源濾波器，又增加了對(duì)N線(xiàn)進(jìn)行溫度異常檢測(cè)、N線(xiàn)電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)、穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能，最后又通過(guò)項(xiàng)目工程案例驗(yàn)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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