基于3次諧波影響的三相四線制線路等體截面的選擇

百色學(xué)院信息工程學(xué)院 陸冬妹

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基于3次諧波影響的三相四線制線路等體截面的選擇

百色學(xué)院信息工程學(xué)院 陸冬妹

1 引言

近年來，隨著三相四線制系統(tǒng)在工廠供電、民用住宅和城市供電等電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波及其造成的危害日益嚴(yán)重，世界各國對諧波問題都給予了十分的關(guān)注和重視。電力系統(tǒng)的諧波是電力系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生畸變的表征，諧波的產(chǎn)生來源于電力電子設(shè)備、非線性阻抗設(shè)備和其他方面的干擾[1]。其中，由于電力電子裝置日益增多的應(yīng)用以及電子裝置容量的不斷加大，這部分所產(chǎn)生的諧波比重也越來越大，特別是3次諧波，目前已成為電力系統(tǒng)的主要諧波污染源。3次諧波對電力系統(tǒng)和其電子設(shè)備可以帶來非常嚴(yán)重的影響，主要危害有：產(chǎn)生附加諧波損耗、降低各種用電設(shè)備的使用效率和壽命、增加電網(wǎng)線損、干擾通信系統(tǒng)工作等[2]。在三相四線制系統(tǒng)中，中性線會(huì)由于流過大量的3次及其倍數(shù)次諧波電流造成其過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)（中性線電流引起的事故在我國也有報(bào)道）；諧波會(huì)引起一些保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，如繼電保護(hù)、熔斷器等，并且會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。因此，在三相四線制線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注重3次諧波電流對電網(wǎng)的影響，應(yīng)根據(jù)諧波電流的大小來合理選擇供電線路的導(dǎo)體截面。

2 中性線3次諧波分析

在三相四線制電力系統(tǒng)中，3次諧波電流能引起中性線過載。過去在電氣設(shè)計(jì)中我們忽略了非線性負(fù)載的影響，電氣工程師往往不重視諧波過載的危害，他們都認(rèn)為三相四線回路中的中性線只通過三相不平衡電流，而且其值很小，中性線截面積只取為相線截面積的1/2或1/3即可。但是在現(xiàn)時(shí)的商業(yè)、工業(yè)和居民建筑用電回路中，這一做法將造成中性線的嚴(yán)重過載。圖1為三相四線制回路中各帶電導(dǎo)體的基波和3次諧波的電流波形。我們假設(shè)A、B、C三相電流相等，因基波相位差1200，它在中性線上的相量和為0。但由圖1可知，三次諧波電流在中性線內(nèi)的相位差并不等于1200，而是處于同一相位上，它在中性線上的電流不是互相抵消而是呈現(xiàn)了3倍疊加。因此中性線電流可按(1)式計(jì)算：

IN=3ICI3% (1)

由于諧波電流的存在，相線中也增加諧波電流．這時(shí)的相線電流為基波電流和各次諧波電流的二次放和的平方根，如式(2)所示：

其中：

IN：3次諧波在中性線疊加的電流（三相平衡時(shí)）。

IC：線路相導(dǎo)體不計(jì)入諧波時(shí)的計(jì)算電流，即基波電流。

I3%：3次諧波電流占基波電流的百分比。

In：各次諧波電流。

圖1 三次諧波電流疊加

GB50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.9 條: 在三相四線制線路中存在諧波電流時(shí)，計(jì)算中性線導(dǎo)體的電流應(yīng)計(jì)入諧波電流的效應(yīng)。當(dāng)中性線導(dǎo)體電流大于相線導(dǎo)體電流時(shí)，電纜相線導(dǎo)體截面應(yīng)按中性線導(dǎo)體電流選擇。當(dāng)三相平衡系統(tǒng)中存在諧波電流，4 芯或5芯電纜內(nèi)的中性線導(dǎo)體與相線導(dǎo)體材料相同或截面相同時(shí)，電纜載流量的降低系數(shù)如表1 所示[3]。

表1 電纜載流量的降低系數(shù)

根據(jù)上面GB50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.9條，我們可知當(dāng)中性導(dǎo)休電流大于相導(dǎo)休電流時(shí)，電纜相導(dǎo)休截面應(yīng)按中性導(dǎo)體電流選擇，由表1也可知，當(dāng)I3%>33%時(shí)，IN應(yīng)按式(1)選擇相導(dǎo)休和中性線導(dǎo)體截面，而且在33%

3 案例分析

例1.某三相四線制回路用PVC銅芯電纜埋入地下電纜管道內(nèi)，相線電流都為150A，線路截面面積為3×70mm2+1×35mm2?，F(xiàn)因設(shè)備更換，增加了50% 的3次諧波電流（基波電流不變），計(jì)算增加3次諧波電流后的相線和中性線電流，并確定其截面積。

解：因?yàn)?次諧波電流為基波電流的50%，這時(shí)相線電流由式（2）可得：

中性線電流為3根相線3次諧波電流的疊加，由式（1）可得：

IN=3ICI3%＝3×150×0.5＝225A (4)

由式(3)、式(4)的計(jì)算結(jié)果可知，由于50%諧波電流的存在，使相線電流由原來的150A增加到了167.7A，中性線電流更是增加到了225A，依據(jù)GB16895.15載流量標(biāo)準(zhǔn)[4]，原來的3×70mm2+1 ×35mm2線路已不合適，應(yīng)放大為3×95mm2+1× 150mm2。即相線截面積由原來的70mm2放大到95mm2，中性線面積則由原來的35mm2增加到150mm2。

例2.某三相四線制回路用4×16 mm2PVC銅線多芯電纜敷設(shè)在磚石墻中的導(dǎo)管內(nèi)，三相電流均為68 A，現(xiàn)因更新設(shè)備，增加了30%的三次諧波電流，試確定這時(shí)相線和中性線的電流和截面積。

解：因回路中含有30%的諧波電流，此時(shí)的相線電流由式(2)得：

中性線電流則由式(1)得：

IN=3ICI3%＝3×68×0.3＝61.2A

查表1可知，相線電流應(yīng)按0.86的降低系數(shù)來放大截面積，因些回路的電流：

查GB16895.15載流量標(biāo)準(zhǔn)，原來的4×16 mm2截面積已不適用，需要加大中性線和相線的截面積，改用相同材質(zhì)的4×25 mm2截面積的電纜。

例2中，如果更新設(shè)備，增加了40%的三次諧波電流，由式(1)、式(2)計(jì)算結(jié)果以及查表1，可知中性線電流應(yīng)按0.86的降低系數(shù)來放大截面積，例2應(yīng)改用4×35 mm2截面積的電纜。

4 結(jié)束語

由以上的案例可知，在進(jìn)行三相四線制線路電氣設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)注重3次諧波的影響，把3次諧波當(dāng)成重要指示來考慮，然后再根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)來選擇合適的相線和中性線截面積。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭文金.低壓電網(wǎng)中3 次諧波的分析和解決方案[J].低壓電器,2014,3．

[2]孫桂萍,徐良榮.供電系統(tǒng)中諧波危害與治理[J].電工電氣,2009,2．

[3]GB 50054—2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4]GB16895.15－2002布線系統(tǒng)載流量[S]．

陸冬妹（1974—），女，廣西武鳴人，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

作者簡介：