解決中性線電流超載的裝置原理及應(yīng)用

摘要：分析中性線電流產(chǎn)生的原因，中性線電流超載的危害。介紹中線性濾波器專用于治理中線性電流超載的基本原理，及結(jié)合實(shí)際使用案例，來陳述中線性濾波器是解決系統(tǒng)零序諧波導(dǎo)致中性線電流超載問題的有效方案。

關(guān)鍵詞：中線性濾波器 零序諧波 諧波 零序電流 中線性電流 非線性負(fù)載

1. 前言

隨著城市的快速發(fā)展，種類繁多的電器，其所造成的諧波污染受到各國的諧波治理專家學(xué)者不斷的深化研究，致力于提出治理諧波的有效方案。從起初的LC串聯(lián)調(diào)諧濾波器，到雙帶通濾波器，再到阻尼濾波器，又從無源濾波器發(fā)展到有源濾波器，近年來，業(yè)界又出現(xiàn)了一種新型諧波濾波器-中線性濾波器，它專用于吸收中線性的零序電流，對中線性的零序電流問題提供了有效的解決方案。

2. 中線性電流的產(chǎn)生（只考慮非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波電流）

實(shí)際電網(wǎng)中通常含有非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)載在工頻正弦電壓作用下，會產(chǎn)生高頻諧波電流，通常為3、5、7、9……次諧波等等，其中3、6、9、12……3k次諧波產(chǎn)生零序電流（k為正整數(shù)），2、5、8……3k-1次諧波產(chǎn)生負(fù)序電流，7、13……3k+1次諧波產(chǎn)生正序電流。

需要注意的是3、6、9……次零序諧波（特別是3次諧波），這些諧波大量存在于低壓電氣系統(tǒng)中，主要是由熒光炮、節(jié)能保溫?zé)綦娮诱髌?、UPS（不間斷電源）、相控設(shè)備、高頻設(shè)備、變頻設(shè)備以及計(jì)算機(jī)設(shè)備等脈寬調(diào)制（PWM）模式電源設(shè)備產(chǎn)生的，這些諧波在存在將產(chǎn)生零序電流，從而在中線性中疊加產(chǎn)生大量的中性線電流。

圖1表示含有3次諧波的三相電流在中性線中的疊加現(xiàn)象：

3. 中線性濾波器原理

電網(wǎng)中諧波的存在，會對電氣系統(tǒng)的正常工作造成多種負(fù)面影響和危害，而零序諧波的存在，將導(dǎo)致中性線產(chǎn)生的電流甚至超載，中性線的過熱，使絕緣加速老化，造成系統(tǒng)短路故障，嚴(yán)重的甚至誘發(fā)火災(zāi)。因此，如何解決中線性的電流，是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

中線性濾波器為我們提供一種全新的治理方案，它專門用于冶理中線性上的電流，有效抑制零序電流。筆者針對擁有相關(guān)專利權(quán)的光達(dá)電氣公司生產(chǎn)的ZSFGD系列濾波器進(jìn)行了深入的研究，分析了中線性濾波器的基本原理，圖2為中性線濾波器在三相四線制配電系統(tǒng)中的安裝示意圖。圖中ZZn為濾波器阻抗；ZLn為濾波器與負(fù)載間的中線阻抗；ZSn為濾波器與電源間的中線阻抗；ZS為系統(tǒng)阻抗。

圖3所示是與圖2所示的濾波器安裝示意圖所對應(yīng)的濾波原理圖，圖中電流源iS0代表零序諧波電源，它包括由非線性負(fù)荷引起的零序諧波電流分量。

根據(jù)圖3 的濾波分析原理圖知，在加裝中性線濾波器后，系統(tǒng)電源側(cè)的零序電流分量表達(dá)式如下

iSn=ZZn/（ZS+ZSn+ZZn）*iS0（1），由于中性線濾波器電抗器的零序阻抗接近于零，即有Zzn≈0，根據(jù)式（1）的計(jì)算結(jié)果知，只要中性線濾波器的零序阻抗設(shè)計(jì)得盡量小，通過它的分流作用，系統(tǒng)零序諧波電流都可得到很大程度的濾除。對于零序電流而言是一個(gè)低阻抗（ZZn，0），能使零序電流短路，濾除3次諧波電流；另一方面，它對于正、反向電流而言則是一個(gè)無窮大的阻抗（ZZn，V）。特殊的電路及磁路結(jié)構(gòu)?？墒关?fù)載中性線與電網(wǎng)中性線進(jìn)行隔離，且不會造成負(fù)載端中性線電壓的偏移。在電氣回路中接入中性線諧波濾波器后，通過阻止了零序電流流過電源，同時(shí)通過將零序電流短路，使得電源端不會加載零序諧波電壓，從而避免對電源產(chǎn)生干擾。

4. 應(yīng)用實(shí)例

某大型數(shù)據(jù)機(jī)樓的一層配電室，其負(fù)載的主要設(shè)備是：大量的熒光燈和節(jié)能燈、UPS電源以及計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等辦公設(shè)備。從負(fù)載的特性上來看，它們可能產(chǎn)生大量的零序諧波，造成中性線電纜電流過大，超載，發(fā)熱，存在火災(zāi)的安全隱患。通過使用電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測試，證實(shí)了這一點(diǎn)。在配電箱進(jìn)線端安裝一臺中性線濾波器，型號為ZSFGD-300/0.4，額定電流為300A。對比測試的結(jié)果如下圖表所示：

安裝中性線濾波器后，測試點(diǎn)的相線電流頻譜圖如圖5所示。

對比測試結(jié)果表明，在安裝中性線零序諧波濾波器之后，測試點(diǎn)中性線電流銳減。主要是由于零序諧波電流H3的銳減引起，同時(shí)，負(fù)序諧波電流（H5、H11…）和正序諧波電流（H7、H13… ）幾乎沒有改變。

5. 總結(jié)

中性線濾波器采用了純電感式的特色技術(shù)。是一種專門針對中性線濾波器。無需濾波電容器，可靠性高，維護(hù)簡單方便，為解決由于零序諧波導(dǎo)致中性線電流超載問題提供了有效的實(shí)施方案。

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作者簡介：

吳景營（1985-），男，本科，電氣工程師，主要從事諧波冶理及無功補(bǔ)償?shù)碾娔苜|(zhì)量產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作。