三相四線制配電系統(tǒng)零序諧波調(diào)研及治理研究

王軍亮，宋祺鵬，唐國政

(1.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.北京科銳配電自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

三相四線制配電系統(tǒng)零序諧波調(diào)研及治理研究

王軍亮1，宋祺鵬2，唐國政3

(1.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；3.北京科銳配電自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

針對(duì)三相四線制配電系統(tǒng)非線性和不平衡負(fù)載在中性線上引起的零序諧波電流，實(shí)地測量并列舉不同類設(shè)備及典型用電區(qū)域的中性線諧波情況，分析了中性線諧波電流產(chǎn)生的機(jī)理和危害，并對(duì)多種諧波治理的方法進(jìn)行了對(duì)比，為各單位選擇不同的中性線諧波治理方法和濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

三相四線制；零序諧波；濾波器

1 中性線零序諧波電流的產(chǎn)生原理

當(dāng)交流電加在一個(gè)非線性負(fù)載上時(shí)，如果該負(fù)載在不同電壓下有不同的阻抗，那么流過該負(fù)載的電流就是一個(gè)非正弦或畸變的電流波形。波形畸變程度可用頻域的傅立葉分析來直觀衡量，畸變波形由基波和一系列高次諧波構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 三次諧波在中線疊加示意

圖1表明在三相四線制系統(tǒng)中，正弦電壓加在非線性負(fù)載上時(shí)，三次諧波電流是如何回到中性線上的。對(duì)于線性負(fù)荷，相差120°正弦負(fù)荷電流的對(duì)稱分量在中性線上相互抵消，使得中性線電流很小，所以中性線可以和相線有同樣或一半大小的橫截面。但對(duì)于非線性負(fù)荷，流過它的電流不會(huì)在中性線上互相抵消。當(dāng)其中一相流過脈沖電流時(shí)，其他兩相流過很小的電流。因此，這種抵消效應(yīng)不會(huì)發(fā)生在中性線上，每相的脈沖電流都流到中性線上，中性線上的電流值會(huì)是任何一相的3倍。在三次脈沖作用下，中性線上電流主要由三次諧波電流構(gòu)成。當(dāng)每相中流過2個(gè)電流波時(shí)，中性線上流過了6個(gè)電流波(3倍于基波）。

2 低壓用戶典型諧波源特性調(diào)研

在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的零序諧波電流會(huì)導(dǎo)致危害性后果，對(duì)負(fù)荷產(chǎn)生不利的影響。如影響供電電壓波形、產(chǎn)生電磁干擾、增加變壓器鐵芯和繞組損耗、破壞絕緣層、使線圈過熱、降低功率因數(shù)、降低變壓器等電氣設(shè)備的使用壽命。嚴(yán)重時(shí)還可能因平頂電壓波形或者峰值減小而導(dǎo)致電子設(shè)備不能正常工作，甚至發(fā)生火災(zāi)。因此，對(duì)造成中性線過流的零序諧波源分析調(diào)研及治理是非常必要的。為掌握三相四線制系統(tǒng)中零序諧波的情況，對(duì)不同類型典型用電電器和用戶的綜合辦公樓(6層)的諧波電流情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，并對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

2.1 家用電器的典型電流波形

目前，主要家用電器有電視機(jī)、微波爐、電燈、打印機(jī)、蓄電池充電器等。通過測試錄波，從典型家用電器的電流波形圖可以看出，常用家用電器屬于非線性負(fù)荷，其電流波形畸變非常嚴(yán)重，零序諧波含量也很大。

2.2 典型用電區(qū)域測試電流波形

通常不同的用電負(fù)荷性質(zhì)及用電區(qū)域，其零序諧波含量特性也不相同。下面就某典型6層商業(yè)大樓進(jìn)行測試調(diào)研，并進(jìn)行總結(jié)分析。其配電變壓器接線如圖2所示。

圖2 某大樓配電變壓器接線

測試結(jié)果顯示：在1樓，當(dāng)存在三次諧波時(shí)，視在功率為48 kVA,功率因數(shù)為0.73；不存在三次諧波時(shí)，視在功率為40 kVA,功率因數(shù)為0.73。在2樓，當(dāng)存在三次諧波時(shí)，視在功率為47.7 kVA,功率因數(shù)為0.93；不存在三次諧波時(shí)，視在功率為46.4 kVA，功率因數(shù)為0.97。

由1，2樓三次諧波含量最大時(shí)的相線電流及中線電流波形及諧波分析圖可知，對(duì)1樓而言，在相線上三次諧波含量可達(dá)到基本值的80 %，如果三相負(fù)荷均衡且諧波含量一致，則此時(shí)中性線電流值至少為相電流的2.4倍。

在三相四線制的配電系統(tǒng)中，中性線的線徑通常小于相線線徑。從對(duì)各樓層測試的數(shù)據(jù)(見表1)可以看出：零序諧波比較大的樓層，其諧波電流在中線上相互疊加，使得中線電流大大超過其設(shè)計(jì)值，造成中線對(duì)地電勢升高。長期嚴(yán)重過流將導(dǎo)致中性線燒斷，引起三相電壓嚴(yán)重不對(duì)稱，甚至造成大面積用電設(shè)備損壞。因此，對(duì)使用大功率整流設(shè)備的企業(yè)、使用大量計(jì)算機(jī)的寫字樓、使用節(jié)能燈的商場酒店以及三次諧波問題較大的住宅樓，均需進(jìn)行零序諧波調(diào)查和測量，尋求有效、經(jīng)濟(jì)、可靠的零序諧波治理辦法來消除系統(tǒng)零序諧波含量過高、中性線容易過載的問題。

表1 各樓層中線與相線電流測試表

3 中性線諧波治理方法的比較

3.1 減小中性線電流的無源方法

無源濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要設(shè)備，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，不僅有濾波功能，還兼顧無功補(bǔ)償功能。

3.1.1 LC調(diào)諧無源濾波器

LC調(diào)諧無源濾波器又分為單調(diào)諧濾波器、高通濾波器及雙調(diào)諧濾波器等。實(shí)際應(yīng)用中常用幾組單調(diào)諧濾波器和1組高通濾波器組成濾波裝置。

LC調(diào)諧無源濾波器的濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，存在以下缺點(diǎn)：

(1) 濾波效果受系統(tǒng)參數(shù)影響較大；

(2) 只能消除特定次的諧波，而且有可能放大某些次諧波；

(3) 濾波、無功補(bǔ)償及調(diào)壓作用難以協(xié)調(diào)；

(4) 諧波電流增大時(shí)，容易造成濾波器過負(fù)荷；(5) 設(shè)備易老化失諧，降低濾波效果。

3.1.2 曲折移相變壓器濾波

曲折移相濾波器是一種三相繞組經(jīng)過特殊方式連接而成的電抗器，如圖3所示。

圖3 曲折移相濾波器的原理拓?fù)?/p>

如果流經(jīng)濾波器的三相電流相等，一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通將與繞制在同一個(gè)芯柱上的另外一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通相抵消，這樣每個(gè)串聯(lián)繞組都呈現(xiàn)低阻抗，使電流順利流過；滿足此條件的電流正是零序諧波電流。曲折電抗器對(duì)零序性諧波是阻抗值很低的通路，在電源和負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)零序低阻通道，將負(fù)載產(chǎn)生的基波不平衡電流、3倍頻高次諧波電流等零序性質(zhì)的電流導(dǎo)入，可避免零序電流主要成分通過系統(tǒng)形成回路，從而達(dá)到濾波目的。

曲折移相濾波器不僅具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等特點(diǎn)，還具有濾波特性不受電網(wǎng)參數(shù)影響、不對(duì)其他諧波產(chǎn)生放大作用、沒有失諧問題等特點(diǎn)。和有源濾波器相比，其成本低廉、工作可靠、過載能力強(qiáng)，但也存在如下問題：

(1) 濾波器轉(zhuǎn)移零序諧波電流的效率取決于系統(tǒng)零序阻抗和濾波器的零序阻抗比；

(2) 由于濾波器的零序阻抗很低，很小的零序電壓就可能引起很大的零序電流，可能增大中性線電流，燒毀濾波器；

(3) 較低的零序阻抗也增加了單相故障電流的等級(jí)。

曲折移相濾波器的體積較大，也較重，可以運(yùn)用高磁導(dǎo)率的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減小曲折移相濾波器的體積和重量。另外，可以在線路中串接阻零器，以增加線路的零序阻抗，減小不平衡電壓引起的零序電流。

3.2 減小中性線電流的有源方法

鑒于無源濾波器的缺點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，有源濾波器的研究應(yīng)用受到重視。利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。有源濾波器方案原理如圖4所示。

圖4 有源濾波器方案原理

有源濾波方案的優(yōu)點(diǎn)為：

(1) 適應(yīng)能力強(qiáng)；

(2) 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波和無功補(bǔ)償；

(3) 可以防止和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。

盡管有源濾波器的補(bǔ)償性能優(yōu)于無源濾波器，但其電路拓?fù)?、控制?fù)雜，成本高，不適合大面積安裝，且過載能力差、可靠性較低，需要經(jīng)常維護(hù)。這些不利因素限制了其推廣應(yīng)用。

3.3 其他減小中性線電流濾波方法

還有一些其他的濾波方法，如利用星三角變壓器對(duì)零序電流形成內(nèi)部環(huán)路，使得零序電流不出現(xiàn)在一次側(cè)。該方法由于全部負(fù)載容量由變壓器提供，有效材料消耗高，體積較大，只能適用于特定條件，不是具有普遍應(yīng)用意義的濾波方法。

4 結(jié)束語

隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，零序諧波治理越來越受到低壓供用電系統(tǒng)的重視。調(diào)研測試了低壓用戶典型用電設(shè)備和用電系統(tǒng)的諧波情況，分析了零序諧波造成中性線過流的現(xiàn)況，總結(jié)了多種中線諧波治理方案，為用戶根據(jù)自身諧波狀況和濾波要求選用合適的中性線截面積和濾波方案提供了參考，具有工程實(shí)踐意義。

1 肖湘寧．電能質(zhì)量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2004.

2 王兆安，楊 君，劉進(jìn)軍．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

3 謝小榮，姜齊榮．柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006．

4 De Mello， F.P. .Measurement of Synchronous Machine Rotor Angle from Analysis of Zero Sequence Harmonic Components of Machine Terminal Voltage[J]. Power Delivery，IEEE Transactions, 1994(9).

5 吳 堅(jiān)．消除電網(wǎng)三次諧波[J]．低壓電器，2003(2).

6 李國棟，馮力鴻，顧 強(qiáng)，等．曲折接線變壓器抑制零序三次諧波電流方法研究[J]．現(xiàn)代電力，2006(6).

7 宋祺鵬，尹忠東，單任仲，等．移相型零序?yàn)V波器的仿真與實(shí)驗(yàn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008(17).

8 卓 放，王 躍，王兆安．三相四線制電路中的瞬時(shí)無功功率及有源電力濾波器[J]．電工技術(shù)雜志，2001(4).

9 羅 安．電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M]．北京：中國電力出版社，2006．

2014-09-03。

王軍亮(1982-)，男，工程師，主要從事電力安全技術(shù)和電能質(zhì)量方面的研究工作，email：junliang-wang@sgcc.com.cn。

宋祺鵬(1980-)，男，工程師，主要從事柔性供電與電能質(zhì)量方面的研究工作。

唐國政(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力變配電設(shè)備生產(chǎn)與研發(fā)工作。