電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)重視中性線過流問題

胡 峻

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

現(xiàn)代建筑越來越強(qiáng)調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)，由于節(jié)能技術(shù)及節(jié)能產(chǎn)品的大量使用，近年來，建筑物中諧波源呈逐年上升趨勢，導(dǎo)致大樓供配電系統(tǒng)中性線電流過流現(xiàn)象日益突出。近些年來，雖然業(yè)內(nèi)對于諧波問題及由此引起的中性線過流問題已經(jīng)有過很多探討，但部分電氣設(shè)計(jì)人員尚未充分認(rèn)識到中性線過流問題引起的危害，在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中僅僅強(qiáng)調(diào)對節(jié)能技術(shù)及節(jié)能產(chǎn)品的應(yīng)用，并未對由此帶來的中性線過流問題采取針對性的防控措施，導(dǎo)致供電系統(tǒng)存在著嚴(yán)重的用電安全及消防隱患。因此，筆者對建筑物中電氣節(jié)能設(shè)計(jì)帶來的中性線過流問題進(jìn)行分析探討，以期引起業(yè)內(nèi)同行的重視。

1 中性線過流問題的產(chǎn)生

理論上，當(dāng)三相電力系統(tǒng)負(fù)載平衡時，系統(tǒng)中性線N是不會流過電流的，但實(shí)際上，電網(wǎng)運(yùn)行中的三相電力系統(tǒng)負(fù)載從不會完全平衡，即使在設(shè)計(jì)中盡量做到三相平衡，在實(shí)際用戶用電過程中，單相負(fù)載的變化和隨機(jī)性以及同時率問題也很難保證不平衡度在可控范圍內(nèi)。但是，三相不平衡導(dǎo)致的中性線存在電流現(xiàn)象并不會導(dǎo)致過流，只有在中性線疊加了諧波電流以后才會產(chǎn)生過流現(xiàn)象，因此中性線過流問題的根源還是在于諧波。

用傅里葉級數(shù)分析高次諧波電流可以知道，無論是正序諧波還是負(fù)序諧波，它們在中性線中的矢量和為零，不會形成電流，而零序諧波產(chǎn)生的零序電流在中性線中會產(chǎn)生疊加，如圖1所示。

圖1 諧波電流在中性線的疊加

所以，諧波電流對中性線電流的影響主要是由零序諧波(特別是3次諧波)造成，雖然其他高次諧波也會產(chǎn)生各類危害，但是并不會對中性線電流增加產(chǎn)生較大的影響。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與中性線過流問題

中性線過流問題越來越令人擔(dān)憂，一個重要的原因在于，基于對四級開關(guān)可能出現(xiàn)的“斷零”故障的擔(dān)憂，我國電氣行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)均對四極開關(guān)的使用做了限制，國內(nèi)項(xiàng)目中四級斷路器的使用占比尚不足20%，在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，僅有對相線過載保護(hù)的要求，尚無對中性線過流設(shè)置保護(hù)的相關(guān)要求。

因此在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除某些設(shè)置了剩余電流保護(hù)的回路采用四極開關(guān)外，其他各級配電從上到下均采用三極開關(guān)，即使流過中性線的電流值超過電纜允許的載流量，也不能及時報(bào)警和切除負(fù)載回路，這就導(dǎo)致供配電系統(tǒng)中出現(xiàn)了一個中性線過流保護(hù)的盲區(qū)，在零序諧波含量較高的回路，如果不加以特別的控制措施，出線中性線過流現(xiàn)象，容易導(dǎo)致中性線的發(fā)熱損毀，引起嚴(yán)重的系統(tǒng)故障并危害消防安全。

3 電氣節(jié)能設(shè)計(jì)與中性線過流問題

建筑物中常見的傳統(tǒng)性非線性負(fù)載的諧波電流含量如表1所示。

傳統(tǒng)非線性負(fù)載的諧波電流含量 表1

由表1可知，傳統(tǒng)的非線性負(fù)載中，節(jié)能燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載3次諧波含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他非線性負(fù)載。而隨著國家節(jié)能政策的推行及電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，一些新的非線性負(fù)載隨之產(chǎn)生，這些諧波源無疑會給供電系統(tǒng)帶來各種危害。

下面對這些諧波源和諧波分量進(jìn)行具體的分析，以期梳理出零序諧波含量較高的諧波源，并對其可能引起的中性線過流問題采取有針對性的措施。

3.1 LED節(jié)能光源

其實(shí)LED光源本身并不會產(chǎn)生諧波，但LED照明在工作時需要相應(yīng)的驅(qū)動電源與之配套，而工作于交流市電的驅(qū)動電源主要是以高頻開關(guān)電源為工作模式的AC-DC變換器，其自身的輸入特性決定了輸入電流和電壓將產(chǎn)生畸變，特別是大功率低功率因數(shù)的LED照明，這種畸變將更為嚴(yán)重，因此在大量使用時極易造成照明配電線路中有嚴(yán)重的高次諧波電流成分。隨著開關(guān)電源類電子產(chǎn)品的應(yīng)用及普及，國際電工委員會制定了IEC 61000-3-2，我國也制定了強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》等規(guī)范(以下簡稱認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn))，對用電設(shè)備的電壓電流波形失真做出了具體限制和規(guī)定，如對于輸入有功功率>25W的LED照明燈具，規(guī)范要求諧波電流不應(yīng)超過表2限值。

C類設(shè)備諧波含量限值 表2

按上述標(biāo)準(zhǔn)，如電路功率因數(shù)取0.9，則開關(guān)電源的3次諧波含量≤27%。對于功率≤25W的LED燈具，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)沒有諧波的相關(guān)測試要求，但是實(shí)際應(yīng)用中，由于市場中LED開關(guān)電源質(zhì)量的良莠不齊及缺乏有效的監(jiān)管機(jī)制，在實(shí)際測試中，有的開關(guān)電源3次諧波含量甚至達(dá)到60%～80%，極易引起中性線過流問題。工程實(shí)踐表明，采用LED光源的景觀照明、建筑物泛光照明回路，中性線過流問題尤其突出。

3.2 LED調(diào)光設(shè)備

傳統(tǒng)的舞臺燈光調(diào)光設(shè)備采用可控硅技術(shù)，對于輸入的正弦波波形破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致中性線電流升高問題非常突出。而現(xiàn)代建筑中，高端酒店、商業(yè)甚至高端寫字樓對于照明調(diào)光技術(shù)的采用也越來越普遍，針對LED新型光源的全面應(yīng)用，LED調(diào)光模塊的應(yīng)用也越來越多。

目前市場上對于LED燈具采用的主流調(diào)光技術(shù)主要有：LED可控硅調(diào)光技術(shù)、0-10V電磁調(diào)壓技術(shù)、數(shù)字調(diào)光技術(shù)等，但無論是采用何技術(shù)，均會對正弦波波形造成破壞，導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)可控硅移相調(diào)壓至半壓并滿載輸出時，中性線電流可以達(dá)到相線電流的1.86倍左右，因此調(diào)光設(shè)備應(yīng)用較多的回路，中性線過流問題亦應(yīng)引起足夠的重視。

3.3 充電樁設(shè)備

根據(jù)住建部電動汽車充電設(shè)施配建標(biāo)準(zhǔn)，公共建筑配套停車場和社會公共停車場均應(yīng)配建不少于10%的充電樁車位，很多地方地標(biāo)準(zhǔn)均要求不低于20%，發(fā)達(dá)城市充電樁的配建比例甚至更高?？梢灶A(yù)見，隨著電動汽車的逐步普及，充電樁負(fù)載在整個變配電系統(tǒng)所占比重會越來越高。

由于充電樁的工作模式中存在交直流整流過程，因此會產(chǎn)生諧波，針對交直流充電樁的諧波研究表明，在不同的充電階段，充電樁諧波的畸變率不同。表3是對市場上某110kW直流充電樁及7kW交流充電樁充電穩(wěn)定工作狀態(tài)下的諧波電流含量測試數(shù)據(jù)。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，直流充電樁的諧波含量相對較小，而交流充電樁的諧波分量特別是3次諧波含量較高，目前民用建筑中，居住建筑交直流充電樁的比例一般都大于10∶1，公共建筑一般都大于4∶1，交流充電樁的比例占了絕大多數(shù)，因此，由其引起的諧波影響不應(yīng)忽視。

某直流及交流充電樁的諧波含量 表3

3.4 變頻調(diào)速設(shè)備

現(xiàn)代節(jié)能建筑中，變頻調(diào)速設(shè)備在空調(diào)水泵、電梯、生活水泵的節(jié)能運(yùn)行策略中越來越多的被采用。變頻器在其整流及逆變過程中，由于主電路的“交流—直流—交流”轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生高次諧波，引起中性線電流上升。但是對變頻器的諧波含量分析表明，其3次諧波含量較少，主要以5次諧波及7次諧波為主，不是引起建筑物中性線過流問題的主要源頭。

綜上所述，建筑物中零序諧波含量較高的諧波源主要是節(jié)能燈、LED燈具開關(guān)電源、照明調(diào)光模塊、計(jì)算機(jī)負(fù)載、交流充電樁回路等，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些負(fù)載類回路，對中性線過流問題采取針對性的措施。

4 針對中性線過流問題的防控策略

4.1 對于諧波源

對于諧波源的專項(xiàng)治理是解決諧波問題及中性線過流問題的根本途徑，治理諧波其最有效的方法無疑是采用無源濾波裝置(LC)及有源濾波器(APF)等。其中有源濾波器能夠選擇性的濾除各次諧波，自動識別負(fù)荷諧波含量變化，準(zhǔn)確迅速的跟蹤補(bǔ)償，應(yīng)優(yōu)先考慮。

但由于諧波電流計(jì)算涉及到諸多因數(shù)，精確的仿真建模算法既復(fù)雜又不實(shí)用，在設(shè)計(jì)階段，電氣設(shè)計(jì)人員往往難于收集到足夠的電氣設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，可以按公式：IH=0.15×K1×K2×ST進(jìn)行估算，作為選取有源濾波器的依據(jù)，式中IH為諧波電流，A；K1為變壓器的負(fù)荷率，K2為補(bǔ)償系數(shù)；ST為變壓器容量，kVA。

對于K2值的選取，一般來說，無干擾的項(xiàng)目(如寫字樓、商住樓等)取0.3～0.6，中等干擾項(xiàng)目(如電腦、空調(diào)、節(jié)能燈相對集中的辦公樓、體育場館、劇場、電視臺演播室、銀行數(shù)據(jù)中心、一般工廠)取0.6～1.3，強(qiáng)干擾項(xiàng)目(如通信基站、電弧爐、大量UPS、EPS變頻器、焊接、電鍍、電解、整流等工廠)取1.3～1.8。

然而，在實(shí)際的電氣設(shè)計(jì)中，很多設(shè)計(jì)人員只簡單的認(rèn)為在變電所設(shè)置了有源濾波器等專項(xiàng)治理諧波的設(shè)備，就能夠解決電網(wǎng)中的所有諧波問題。但是這樣并不能有效解決供電回路中的中性線過流問題。筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該針對末端設(shè)備采取一些有針對性的諧波治理手段，如在一些諧波較嚴(yán)重的負(fù)載側(cè)，針對諧波源的諧波分量的不同，安裝有針對性的諧波治理產(chǎn)品(如諧波保護(hù)器等)，將諧波消除在發(fā)生源，矯正諧波影響而產(chǎn)生畸變的電源波形，從而降低諧波電流的影響。

4.2 對于零序諧波含量較高的回路

對一些諧波含量大的負(fù)載干線回路，應(yīng)選用中性線與相線同截面的電纜，必要時采用加大電纜截面或加大中性線截面的措施。

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.9條及GB/T 16895.6-2014《低壓電氣裝置 第5-52部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝 布線系統(tǒng)》附錄E“三相平衡系統(tǒng)中的諧波電流效應(yīng)”(簡稱GB/T 16895.6-2014附錄E)的規(guī)定中，給出了關(guān)于3次諧波電流在四芯和五芯電纜中的換算降低系數(shù)(表4)，要求根據(jù)換算后的相線電流或中性線電流兩者中的大值，作為選擇四芯(等截面)電纜的依據(jù)。

四芯和五芯電纜存在諧波時的降低系數(shù) 表4

然而在設(shè)計(jì)過程中，該規(guī)范條文常常被設(shè)計(jì)人員忽視，即使是3次諧波分量嚴(yán)重的供電回路，仍然按照相線的電流來選擇電纜截面，導(dǎo)致電纜截面偏小，在設(shè)計(jì)使用中留下安全隱患。

按表4的規(guī)定，舉例如下：如回路中的計(jì)算電流IC=100A，當(dāng)3次諧波為10%、30%、40%、60%、80%時，在不考慮其他敷設(shè)條件降低系數(shù)的情況下，選擇導(dǎo)線截面計(jì)算表如表5所示。

三相四線制線路不同3次諧波含量時導(dǎo)線截面選擇表5

由此可見，諧波分量的不同會導(dǎo)致電纜的截面選型出現(xiàn)很大的差異，結(jié)合本文對各類諧波源諧波含量的分析，筆者建議，設(shè)計(jì)人員應(yīng)尤為重視以下供電回路，在設(shè)計(jì)中采取加大中性線截面的措施。

(1)采用集中型開關(guān)電源驅(qū)動的LED照明燈具回路，如室外景觀照明回路及建筑物泛光照明回路，宜至少考慮50%的3次諧波分量，按中性線電流選取電纜。

在實(shí)際工程中，這些回路的中性線過流問題在多個工程項(xiàng)目案例中均有發(fā)生。如筆者在參與某超高層建筑竣工驗(yàn)收過程中，景觀亮化施工單位反應(yīng)在調(diào)試過程中某景觀照明回路主電纜發(fā)熱厲害，而主開關(guān)并未跳閘，經(jīng)核查，景觀設(shè)計(jì)圖紙按照相線電流計(jì)算選取的電纜截面是合理的，故問題出在中性線上?，F(xiàn)場測試后，該回路電流參數(shù)如表6所示。

某項(xiàng)目景觀照明回路中性線過流問題實(shí)測數(shù)據(jù) 表6

經(jīng)對電流參數(shù)分析，中性線電流已經(jīng)達(dá)到了相線平均電流的167%，很明顯是由于LED開關(guān)電源引發(fā)的照明線路上零序諧波疊加導(dǎo)致的中性線過流現(xiàn)象。后增加了一條1×95mm2的中性線電纜，電纜發(fā)熱問題才得到解決。

(2)采用小功率LED燈具為主的室內(nèi)照明回路，宜至少考慮30%的諧波分量，按相線電流選取電纜并考慮0.86的降低系數(shù)。

(3)LED調(diào)光回路，尤其是采用可控硅調(diào)光技術(shù)的調(diào)光回路，宜至少考慮50%的諧波分量，按中性線電流選取電纜。

(4)計(jì)算機(jī)負(fù)載回路，宜考慮20%左右的諧波分量，按相線電流選取電纜并考慮0.86的降低系數(shù)。

(5)對于交流充電樁供電主回路，宜考慮25%的諧波分量，按相線電流選取電纜并考慮0.86的降低系數(shù)。

(6)采用變頻技術(shù)的空調(diào)回路及電梯供電回路，應(yīng)采取中性線與相線等截面的4+1型電纜。

4.3 對電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

筆者發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，往往片面地將剩余電流式電氣火災(zāi)探測器等同于電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，忽視測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的作用。實(shí)際上，按相線溫升條件合理選取的開關(guān)及電纜，對相線過載及發(fā)熱問題已經(jīng)有了很完善的保護(hù)，在中性線沒有保護(hù)的情況下，對測溫式電氣火災(zāi)探測器的合理應(yīng)用，能夠很好地監(jiān)控中性線是否存在過流問題。因此，為了防控3次諧波引起的中性線過流問題，應(yīng)在3次諧波分量含量較高的回路裝設(shè)測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。

另外需要注意的是，GB 50116-2013 《火災(zāi)自動報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.1條規(guī)定：“剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器應(yīng)以設(shè)置在低壓配電系統(tǒng)首端為基本原則”，此條文針對的是剩余電流式電氣火災(zāi)探測器。然而，很多設(shè)計(jì)人員根據(jù)此條規(guī)范將測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器設(shè)置在變配電所的出線端，對于放射式回路，此做法沒有問題，但是對于多級配電的回路及樹干式供電的分支回路，將測溫式電氣火災(zāi)探測器設(shè)置在首端是極不合理的，并沒有起到必要的監(jiān)控作用，應(yīng)將測溫式電氣火災(zāi)探測器盡量安裝在分支回路處，才能起到很好的監(jiān)控作用，如圖2所示。

圖2 分支回路裝設(shè)測溫式電氣火災(zāi)探測器示意

4.4 中性線過流專項(xiàng)治理

目前市場上已經(jīng)有一些比較成熟的三相不平衡電流以及中性線過流問題專項(xiàng)保護(hù)產(chǎn)品。這類產(chǎn)品中，數(shù)字信號處理器采集中性線電流信號，通過能量單元進(jìn)行電流調(diào)節(jié)或通過逆變單元發(fā)出反相諧波電流，從而減小中性線電流，還可以通過繼電保護(hù)單元在中性線過流或過熱限值時，輸出跳閘信號，斷開回路開關(guān)的相線。但考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，尚不能在建筑中大量采用，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)項(xiàng)目情況適當(dāng)選用。

5 結(jié)束語

中性線過流問題的治理關(guān)鍵還是在源頭，GB 17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》已經(jīng)對各類產(chǎn)品的諧波電流限制做了相關(guān)規(guī)定，一方面應(yīng)加強(qiáng)對各類接入電網(wǎng)的設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，另一方面，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)對中性線過流問題的預(yù)判，對諧波問題進(jìn)行專項(xiàng)治理，包括對于零序諧波分量較高的回路合理選擇電纜截面，設(shè)置必要的電氣火災(zāi)監(jiān)控措施等，多管齊下，才能解決中性線過流問題，提高供電系統(tǒng)的安全保障。