諧波電流，一個(gè)容易被人忽視的環(huán)節(jié)：第16屆亞運(yùn)會(huì)體育照明經(jīng)驗(yàn)分享

陳智敏 （廣州市重點(diǎn)公共建設(shè)項(xiàng)目管理辦公室，廣東 廣州 510006)

1 引言

2010年,廣州成功舉辦了一屆高水平、有特色的亞洲體育文化盛會(huì)，得到了亞奧理事會(huì)、各國(guó)代表團(tuán)以及亞洲各國(guó)各地區(qū)的高度贊譽(yù)。作為亞運(yùn)會(huì)和亞殘運(yùn)會(huì)比賽場(chǎng)館建設(shè)中重要一環(huán)的場(chǎng)地照明系統(tǒng)，也得到大家的肯定和好評(píng)。

亞運(yùn)會(huì)和亞殘運(yùn)會(huì)總共有83個(gè)場(chǎng)館，其中比賽場(chǎng)館53個(gè)，除室外白天比賽的個(gè)別項(xiàng)目外幾乎每一個(gè)場(chǎng)館都要求設(shè)置場(chǎng)地照明系統(tǒng)。場(chǎng)地照明系統(tǒng)直接影響該場(chǎng)館能否舉行比賽，因此所有場(chǎng)館的場(chǎng)地照明均嚴(yán)格按照《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》、《亞運(yùn)要求》以及電視轉(zhuǎn)播要求設(shè)置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，順利組織實(shí)施了各項(xiàng)工作。但其中也有“鮮為人知”的故事，筆者就其中一個(gè)容易被忽視的場(chǎng)館照明三相電路中零線(xiàn)諧波問(wèn)題與大家分享。

2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

亞運(yùn)會(huì)開(kāi)幕前夕，施工單位反映：某比賽場(chǎng)館場(chǎng)地照明系統(tǒng)零線(xiàn)電流過(guò)大。經(jīng)過(guò)對(duì)該館場(chǎng)地照明系統(tǒng)配電、燈具及控制系統(tǒng)的詳細(xì)檢查，總體場(chǎng)館照明三相電路中各相電流基本平衡，而零線(xiàn)總電流過(guò)大，其余沒(méi)發(fā)現(xiàn)異常。

該場(chǎng)館比賽場(chǎng)地采用金屬鹵化物燈作為照明燈具；系統(tǒng)采用雙回路供電，每回路設(shè)置的兩個(gè)電源各來(lái)自于低壓系統(tǒng)不同母線(xiàn)段（其中一段比賽時(shí)由發(fā)電機(jī)供電），通過(guò)ATS轉(zhuǎn)換選擇開(kāi)關(guān)，各對(duì)50%的場(chǎng)地?zé)艟吖╇姟Ｕ彰髋潆娛疽夂?jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

場(chǎng)地照明燈具在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)得各照明配電柜各相電流詳細(xì)數(shù)據(jù)如下：

1#照明配電柜：A相電流：329A， B相電流：331A，C相電流：318A，N線(xiàn)電流：210A；

2#照明配電柜：A相電流：360A， B相電流：358A，C相電流：368A，N線(xiàn)電流：212A；

臨時(shí)單獨(dú)拉三相電線(xiàn)供三盞燈，三相電流為5.67A、5.7A、5.64A,對(duì)應(yīng)零線(xiàn)電流為5.8A、5.9A、5.3A，總零線(xiàn)電流為2.73A。

將上述測(cè)試結(jié)果匯總為表1。

表1 三相照明電路各相電流測(cè)試結(jié)果

眾所周知在正弦三相電路中若負(fù)荷對(duì)稱(chēng)其電流也基本對(duì)稱(chēng)或相近，在正弦三相電路中各相的電壓電流有120°的相位差，因此，負(fù)荷對(duì)稱(chēng)的正弦三相四線(xiàn)電路中零線(xiàn)的電流向量和應(yīng)為0，即N線(xiàn)電流應(yīng)沒(méi)有或很小。在實(shí)際工程中做不到百分之百的三相負(fù)荷對(duì)稱(chēng)，其N(xiāo)線(xiàn)電流應(yīng)僅有少量的不平衡電流。但此工程的N線(xiàn)電流之大引起了相關(guān)各方的重視。

3 問(wèn)題分析

經(jīng)檢查施工現(xiàn)場(chǎng)符合設(shè)計(jì)要求，各相運(yùn)行電流基本平衡，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤或燈具故障等明顯問(wèn)題。

我們組織對(duì)供電系統(tǒng)的諧波進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)總體電源電壓畸變率只有不到1%左右，配電箱端的電壓諧波也基本與系統(tǒng)一致，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

經(jīng)各方分析，認(rèn)為該類(lèi)問(wèn)題不在供配電系統(tǒng)，而有可能主要出在照明燈具本身；我們初步分析認(rèn)定該問(wèn)題是由照明燈具產(chǎn)生的高次諧波引起的。為了檢驗(yàn)和證實(shí)，我們對(duì)多個(gè)類(lèi)似使用220V單相金鹵燈的體育場(chǎng)館項(xiàng)目進(jìn)行了檢查，其結(jié)果不出所料。不同場(chǎng)館、不同燈具生產(chǎn)廠家及不同施工單位，但檢測(cè)末端配電箱，其三相負(fù)荷和電流基本平衡，僅有一相電流會(huì)稍小，總體上均有較大零線(xiàn)電流，約為三相線(xiàn)電流平均值的45%～65%。

為此，我們與照明供應(yīng)商進(jìn)行溝通，再次明確亞運(yùn)會(huì)的重要意義和責(zé)任感，要求廠家以負(fù)責(zé)任的態(tài)度，處理問(wèn)題，找出原因、確保安全。生產(chǎn)廠家也積極的給予了支持和配合，最終明確回復(fù)：中性線(xiàn)較大電流產(chǎn)生的主要原因可能是由氣體放電燈工作電流的高次諧波造成的。

該場(chǎng)館采用1000W HID 金屬鹵化物光源作為主要照明光源，并采用電感式鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)，而所有采用電感鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)，都經(jīng)過(guò)觸發(fā)器產(chǎn)生高壓方波，其工作原理如圖2所示。

圖2 高壓氣體燈工作原理圖

在接通電源的瞬間，電源電壓經(jīng)鎮(zhèn)流器加到觸發(fā)器和燈泡兩端，燈泡不亮?xí)r電阻很大，呈開(kāi)路狀態(tài)；觸發(fā)器在電源電壓（220V）下立即開(kāi)始工作，并產(chǎn)生3kV以上的脈沖高壓，施加在燈泡L兩端，將燈泡L內(nèi)常溫元素激活成氣體并擊穿。這在燈泡兩端就產(chǎn)生近似方波，電壓波形在其燈電流中均有諧波失真，而方波的存在必將會(huì)產(chǎn)生高次諧波，如圖3、圖4所示。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2：2001（等效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1—2003）規(guī)定功率大于25W的照明設(shè)備，諧波電流不應(yīng)超過(guò)表2給出的限值。

表2 C類(lèi)設(shè)備的諧波限值

在現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)館中照明系統(tǒng)的三相照明電路中三相負(fù)荷基本對(duì)稱(chēng)，但導(dǎo)致零（N）線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電流，是否由于照明燈具有高次諧波的存在而引起的，是要進(jìn)行認(rèn)真探討的。我們按廠家提供的數(shù)據(jù)和在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（見(jiàn)表1）的數(shù)據(jù)估算，每相照明燈具工作電流產(chǎn)生的零（N）線(xiàn)電流比相電流約低20%；三相照明燈具工作電流產(chǎn)生的零（N）線(xiàn)電流與相電流相比，約為相電流的20%×3=60%。雖然這種現(xiàn)象對(duì)于場(chǎng)館的照明燈具正常工作與照明供配電系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生不利的影響，但為確保亞運(yùn)會(huì)能安全順利地進(jìn)行，我們必須找出其原因。為此，我們也咨詢(xún)了國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和有奧運(yùn)經(jīng)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家。據(jù)專(zhuān)家介紹，這個(gè)現(xiàn)象在北京奧運(yùn)場(chǎng)館也有出現(xiàn)過(guò)，同樣未對(duì)場(chǎng)館的照明燈具正常工作與照明供配電系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。

在與相關(guān)各方對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究之后，發(fā)現(xiàn)這些場(chǎng)館照明配電回路中的零線(xiàn)電流大，主要是照明三相電路中的照明燈具產(chǎn)生高次諧波造成的，具體分析如下。在三相電路中其各相電壓的瞬時(shí)表達(dá)式如式1所示：

把（1）中各相電壓展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，則有：

式中的k取奇數(shù)即1,3,5,7……

即：

由上述式中可得出，基波和7次諧波等分量各相振幅相等，相位差各為2π/3，相序變化依次為A→B→C→A，因此構(gòu)成正序?qū)ΨQ(chēng)三相系統(tǒng)。可推得k=6n+1(n=0,1,2,3,4)即1,7,13,19……次諧波分量都組成正序?qū)ΨQ(chēng)三相組。

各相中5次諧波分量振幅相等，相位各差2π/3，但相序變化次序?yàn)锳→C→B→A，故構(gòu)成對(duì)稱(chēng)三相負(fù)序系統(tǒng)?？赏频胟=6n+5(n=0,1,2,3)即5,11,17,23……次諧波均組成負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)組。

各相中三次諧波分量振幅相等、相位相同，這樣的三相系統(tǒng)稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)零序三相系統(tǒng)?？芍?即3,9,15,21……次諧波均構(gòu)成零序?qū)ΨQ(chēng)組。

圖5 正序、負(fù)序和零序向量圖

這樣三相非正弦周期對(duì)稱(chēng)電動(dòng)勢(shì)中的各個(gè)同頻率分量分成了正序，負(fù)序和零序三類(lèi)不同的對(duì)稱(chēng)組，即正序?qū)ΨQ(chēng)三相組、負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)三相組和零序?qū)ΨQ(chēng)組。

這些比賽場(chǎng)館照明配電均采用三相四線(xiàn)系統(tǒng)，在這些基本對(duì)稱(chēng)三相四線(xiàn)電路中的正序和負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)組其各相的電壓電流有120o的相位差，所以它們的向量和也基本為0（見(jiàn)式 3），在零線(xiàn)中不會(huì)產(chǎn)生電流；即零線(xiàn)電流中不含正、負(fù)序電流。

在這些基本對(duì)稱(chēng)三相四線(xiàn)電路中的零序?qū)ΨQ(chēng)組的電壓電流如下所示：

圖6 三相四線(xiàn)系統(tǒng)電路原理示意圖

從式4得知在三相四線(xiàn)電路中零序諧波組在零線(xiàn)電壓不為0，由于零序諧波組振幅相等、相位相同，零線(xiàn)中零序電流是相線(xiàn)中零序電流的三倍。因此，零序諧波組是造成這些體育比賽場(chǎng)館照明三相四線(xiàn)電路中的零線(xiàn)電流大的最主要的原因。

4 處理問(wèn)題

對(duì)于氣體放電燈由于非線(xiàn)性電氣特性能產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象，一般電氣設(shè)計(jì)人員均能普遍認(rèn)識(shí)。但對(duì)于照明氣體放電光源的高次諧波中的零序諧波組，在體育比賽場(chǎng)館照明負(fù)荷基本對(duì)稱(chēng)的三相四線(xiàn)電路中造成零線(xiàn)電流大的現(xiàn)象就容易被忽視，尤其是在三相四線(xiàn)的安裝照明負(fù)荷基本平衡的情況下，容易誤認(rèn)為三相四線(xiàn)系統(tǒng)的零線(xiàn)沒(méi)有電流或電流不大。此時(shí)若使用零線(xiàn)為小截面的4芯（或5芯）電力電纜，就容易造成零線(xiàn)電流值超過(guò)電纜導(dǎo)線(xiàn)的安全載流量，造成電纜發(fā)熱而帶來(lái)不良的后果。

從亞運(yùn)會(huì)的體育比賽場(chǎng)館三相四線(xiàn)照明配電圖（見(jiàn)圖1）上來(lái)看，照明配電盤(pán)到照明燈具間的線(xiàn)路均按單相電路設(shè)計(jì)，沒(méi)有共用零線(xiàn)；照明配電盤(pán)到低壓配電室采用的是5芯等截面的封閉母線(xiàn)，不存在零線(xiàn)截面小和零線(xiàn)電流值超過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的安全載流量的問(wèn)題。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和分析，大家認(rèn)為在亞運(yùn)會(huì)的體育比賽場(chǎng)館照明三相四線(xiàn)電路中零線(xiàn)電流存在，基本還是屬于正?，F(xiàn)象，正常情況下無(wú)需采取額外措施。

亞運(yùn)會(huì)體育比賽場(chǎng)館照明的三相四線(xiàn)電路中零線(xiàn)電流大的現(xiàn)象基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備造成影響和損壞，因此，在已考慮以下因素的情況下，可以不做主動(dòng)消諧。

(1)所有三相四線(xiàn)系統(tǒng)中導(dǎo)線(xiàn)的零線(xiàn)截面積不得小于相線(xiàn)截面積，應(yīng)采用等截面的電纜或母線(xiàn)；

(2)所有零線(xiàn)開(kāi)關(guān)的最大允許電流不小于相線(xiàn)開(kāi)關(guān)；

(3)所有從照明配電盤(pán)到照明燈具間的線(xiàn)路均按單相電路設(shè)計(jì)，不共用零線(xiàn)；

(4)變壓器、發(fā)電機(jī)和負(fù)荷總?cè)萘繎?yīng)考慮合理余量；

(5)從安全出發(fā)，要求運(yùn)行人員要加強(qiáng)巡視，監(jiān)測(cè)各線(xiàn)路電流與導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行溫度。

5 結(jié)語(yǔ)

亞運(yùn)會(huì)順利進(jìn)行，整個(gè)燈光系統(tǒng)運(yùn)行正常。燈具在正常使用情況下沒(méi)有造成零線(xiàn)發(fā)熱，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)對(duì)其他設(shè)備有不良影響。

筆者與大家分享亞運(yùn)場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，希望廣大工程人員能多了解場(chǎng)地照明系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)，深入探討一些容易被忽視的技術(shù)要點(diǎn)，也為管理運(yùn)行人員提供更多的技術(shù)支持信息。