諧波電流引發(fā)中性線(xiàn)熱故障和火災(zāi)問(wèn)題的研究

山東泰睿電力科技有限公司 鹿 燕

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，寫(xiě)字樓和居民樓等場(chǎng)所用電設(shè)備大量增加，其中非線(xiàn)性負(fù)載比例的增大尤為突出，如帶鎮(zhèn)流器的各式照明裝置、電腦、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、彩電、空調(diào)及開(kāi)關(guān)電源等設(shè)備都屬于非線(xiàn)性負(fù)載。所以，低壓配電系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載比例明顯增大，負(fù)載性質(zhì)發(fā)生了深刻的變化，負(fù)載電流發(fā)生了非正弦畸變，產(chǎn)生了諧波電流。由此帶來(lái)了電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和電氣防火等新的課題。如，對(duì)中性線(xiàn)過(guò)載、斷線(xiàn)起火等實(shí)際問(wèn)題需給予特別的關(guān)注并認(rèn)真的加以研究，從而給工程設(shè)計(jì)、施工安裝和運(yùn)行維護(hù)中出現(xiàn)的有關(guān)問(wèn)題提出有效解決辦法。

1 非正弦畸變電流的諧波及其危害

當(dāng)正弦電壓加在線(xiàn)性負(fù)載時(shí)將產(chǎn)生同頻率的正弦電流，所以當(dāng)正弦電壓加在線(xiàn)性負(fù)載上不會(huì)產(chǎn)生非正弦的畸變電流，因此也就不會(huì)產(chǎn)生諧波電流。然而，當(dāng)正弦電壓加在非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)將會(huì)產(chǎn)生非正弦的畸變電流或說(shuō)產(chǎn)生諧波電流。根據(jù)傅里葉分析，可得到一組由正弦波系列進(jìn)行疊加來(lái)近似地表示的非正弦畸變的電流。其中包括恒定分量、基波分量和高次諧波分量。通常又將高次諧波分量分為奇次諧波和偶次諧波。在低壓配電系統(tǒng)中，非正弦的畸變電流波形正負(fù)半周幾乎相等，所以在諧波分析中不含恒定分量和偶次諧波，其余的為奇次諧波。

三相平衡電流的幅值按A、B、C 三相出現(xiàn)的先后次序分為正序三相電流、負(fù)序三相電流和零序三相電流。對(duì)于三相諧波電流而言，同樣也有相序問(wèn)題。正序諧波的相序與基波相序相同。比如第7、13、19……次諧波都是正序諧波；負(fù)序諧波的相序與基波相序相反，如第5、11、17……次諧波都是負(fù)序諧波；不言而喻，零序諧波不形成相序，與基波相序無(wú)關(guān)，第3、9、15……次諧波都是零序諧波。無(wú)論是正序諧波還是負(fù)序諧波，它們?cè)谥行跃€(xiàn)中的矢量和為零、不會(huì)形成電流，而零序電流在中性線(xiàn)中流過(guò)且數(shù)值較大，高于相線(xiàn)電流許多。

2 中性線(xiàn)電流的新成分及其熱故障

諧波造成的危害是多方面的，且有時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，如：三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)燒毀；三相四線(xiàn)制配電線(xiàn)路中性線(xiàn)過(guò)載、過(guò)熱，燒毀線(xiàn)路；△-Y連接方式的變壓器原邊環(huán)流引起過(guò)熱燒毀變壓器；斷路器誤動(dòng)作等。這里著重討論低壓配電系統(tǒng)中性線(xiàn)由諧波電流引發(fā)的熱故障和火災(zāi)的問(wèn)題，不涉及諧波污染的其他問(wèn)題。

2.1 三相不平衡線(xiàn)性負(fù)載情況

三相正弦電壓加在三相不平衡線(xiàn)性負(fù)載上，各相將產(chǎn)生不平衡的三相電流，因此在中性線(xiàn)中流有不平衡電流，即N=A+B+C ≠0,如何掌握和控制中性線(xiàn)的不平衡電流的大小，既要考慮配電線(xiàn)路負(fù)載的情況、又要考慮工程設(shè)計(jì)中技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性。因此在有關(guān)技術(shù)規(guī)范中提出：三相照明線(xiàn)路各相負(fù)荷的分配，宜保持平衡，在每個(gè)分配電盤(pán)中的最大與最小相的負(fù)荷電流不宜超過(guò)30%?？紤]到中性線(xiàn)中有不平衡電流，因此中性線(xiàn)截面一般選為與相線(xiàn)截面相等，這實(shí)際上留有一定的余量。應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于三相平衡線(xiàn)性負(fù)載，其中性線(xiàn)電流應(yīng)等于零，即N=A+B+C=0，這是一種特殊情況。

2.2 三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載情況

根據(jù)前面的分析，三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載，而且因?yàn)椴黄胶飧飨嗔阈螂娏饔行е祷ゲ幌嗟龋碔NA ≠I(mǎi)NB ≠I(mǎi)NC 彼此相位也不盡相同。那么在中性線(xiàn)中零序電流有效值，在不平衡度并不嚴(yán)重的情況下，可以近似的表示為各相零序電流有效值之代數(shù)和，即IN=INA+INB+INC。同時(shí)，還因?yàn)橹挥辛阈螂娏魍ㄟ^(guò)中性線(xiàn)，而正序電流和負(fù)序電流分中性線(xiàn)上其矢量和為零。這樣零序電流的有效值將減為中性線(xiàn)電流的一個(gè)新成份。這是三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載的一個(gè)重要特點(diǎn)，也是我們研究問(wèn)題的根據(jù)[1]。

還應(yīng)指出：對(duì)于三相平衡非線(xiàn)性負(fù)載，由于各相零序電流有效值彼此相等，即：INA=INB=INC，那么中性線(xiàn)零序電流有效值應(yīng)為三者之代數(shù)和或是一相零序電流有效值的三倍。即：IN=3INA=3INB=3INC，或這時(shí)中性線(xiàn)仍存在零序電流有效值，而不是像三相平衡線(xiàn)性負(fù)載中性線(xiàn)電流等于零那樣的情況，這是一個(gè)很大的差別。因此，按過(guò)去電路理論中關(guān)于三相平衡線(xiàn)性負(fù)載的理論成果來(lái)解決當(dāng)今三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載的問(wèn)題，己經(jīng)顯得無(wú)能為力了。

對(duì)于在低壓配電系統(tǒng)中，既含有三相線(xiàn)性負(fù)載又含有三相非線(xiàn)性負(fù)載的情況，應(yīng)充分考慮到負(fù)載性質(zhì)及其構(gòu)成情況發(fā)生了深刻變化。因此，在三相四線(xiàn)制或二相三線(xiàn)制配電線(xiàn)路中，N 線(xiàn)的截面應(yīng)作合理的選擇，否則截面過(guò)小同樣會(huì)出現(xiàn)N 線(xiàn)的過(guò)載問(wèn)題，這或許并未引起足夠重視。

根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定：以氣體放電燈為主要負(fù)荷的回路中，其N(xiāo) 線(xiàn)截面不應(yīng)小于相線(xiàn)截面；給可控硅調(diào)光或計(jì)算機(jī)供電的三相四線(xiàn)制或二相三線(xiàn)制的配電線(xiàn)路，其N(xiāo) 線(xiàn)截面不應(yīng)小于相線(xiàn)截面的2倍，應(yīng)在工程設(shè)計(jì)和施工安裝中予以認(rèn)真執(zhí)行，以免帶來(lái)后患。

2.3 中性線(xiàn)熱故障和火災(zāi)的危害。

在低壓配電系統(tǒng)中有三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載，那么其N(xiāo) 線(xiàn)中會(huì)有較大的電流，一旦中性線(xiàn)斷線(xiàn)或因連接部分接觸不良，甚至發(fā)展到斷線(xiàn)的程度，這就在負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)上產(chǎn)生電壓位移，致使各相電壓嚴(yán)重的失去平衡，其中某一相電壓高于額定電壓甚多，與此相連的各種電氣設(shè)備在高于額定電壓的作用下被燒毀甚至引起電氣火災(zāi)。

2.4 案例分析

從矢量圖可知：三相電壓平衡時(shí)各相電壓有效值彼此相等，相位相差120°，當(dāng)中性線(xiàn)斷線(xiàn)的情況產(chǎn)生中性點(diǎn)電壓位移時(shí)，三相電壓失去平衡，各相電壓有效值彼此不等，相位差也不相等，同時(shí)出現(xiàn)某一相的高電壓，也就是這一相高電壓帶來(lái)了嚴(yán)重的不良后果。

案例分析一：某地一棟16層居民樓于2000年6月9日下午5時(shí)，除一層外其余的單數(shù)樓層3、5、7……15共7個(gè)樓層住戶(hù)的家用電器大部分被燒毀，但沒(méi)有釀成電氣火災(zāi)。經(jīng)當(dāng)時(shí)電工檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三相電壓己失去平衡，三相電壓分別是300V、225V 和196V 不等，因此初步判定可能是中性線(xiàn)出現(xiàn)斷線(xiàn)現(xiàn)象所致。其后從一層逐步向三層乃至高層跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)三層出現(xiàn)上述電壓不平衡現(xiàn)象，于是從一層至三層在分線(xiàn)箱的N 線(xiàn)端子上跨接臨時(shí)線(xiàn)路再次送電，上述電壓不平衡現(xiàn)象消失。最后拆開(kāi)豎井母線(xiàn)線(xiàn)槽發(fā)現(xiàn)三層N 線(xiàn)接線(xiàn)端子螺絲溢扣造成接觸不良，在中性線(xiàn)較大電流的作用下燒焦端子接觸面，接觸電阻增大，使中性線(xiàn)形成不了良好的導(dǎo)電通路，出現(xiàn)了幾乎中性線(xiàn)斷線(xiàn)的類(lèi)似現(xiàn)象。

案例分析二：某濕地公園2016年9月17日晚舉行文藝晚會(huì)，期間音樂(lè)噴泉同時(shí)開(kāi)放，電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，舞臺(tái)燈光照明采用三相可控硅調(diào)光，就負(fù)載性質(zhì)來(lái)說(shuō)非線(xiàn)性負(fù)載比例較大。經(jīng)檢測(cè)會(huì)場(chǎng)4＃配電箱最大用線(xiàn)電流為87A，而中性線(xiàn)電流卻是174A、遠(yuǎn)高于相線(xiàn)電流。采用紅外測(cè)溫儀對(duì)中性線(xiàn)橡膠電纜外皮進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)高達(dá)98℃，超過(guò)技術(shù)規(guī)范65℃的規(guī)定，并可直接觀察到線(xiàn)皮軟化和變色的現(xiàn)象，處于引燃絕緣材料的危險(xiǎn)狀態(tài)。經(jīng)初步判斷是由于采用可控硅調(diào)光，就負(fù)載性質(zhì)來(lái)說(shuō)是非線(xiàn)性負(fù)載；由于中性線(xiàn)截面不夠，從而引起中性線(xiàn)嚴(yán)重過(guò)載出現(xiàn)引燃電纜線(xiàn)皮的現(xiàn)象發(fā)生。隨后，在原來(lái)中性線(xiàn)的兩端并接另一條截面較大的臨時(shí)線(xiàn)路，上述中性線(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象立即消失。

3 非正弦畸變電流測(cè)量及其儀表選用

對(duì)于三相不平衡非線(xiàn)性負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)，不僅要測(cè)量相線(xiàn)的電流還要測(cè)量中性線(xiàn)的電流：首先，導(dǎo)線(xiàn)截面應(yīng)滿(mǎn)足載流量的要求，特別是中性線(xiàn)。在具有非線(xiàn)性負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，常發(fā)現(xiàn)中性線(xiàn)電流大于相線(xiàn)電流、甚至大得很多。這是正?，F(xiàn)象，但有時(shí)卻出現(xiàn)中性線(xiàn)截面偏小的問(wèn)題；其次，對(duì)上述低壓配電系統(tǒng)中的所有連接部分要牢固可靠、接觸良好，防止斷線(xiàn)現(xiàn)象發(fā)生，中性線(xiàn)尤為重要；最后，就是如何測(cè)量帶有非線(xiàn)性負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)的非正弦畸變電流問(wèn)題。實(shí)質(zhì)就是選用何種類(lèi)型儀表測(cè)量非正弦畸變電流和有效值的問(wèn)題。

多年來(lái)對(duì)正弦量有效值的測(cè)量一直采用平均值響應(yīng)式儀表，如磁電式儀表、全波整流式磁電式儀表及普通鉗形電流表，但這種平均值響應(yīng)式儀表卻不能測(cè)量由非線(xiàn)性負(fù)載引起非正弦畸變的諧波電流有效值，如用此類(lèi)似表進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量值要比實(shí)際值低得多（有資料表明在20%以上）。當(dāng)然，這與各次諧波含量大小有關(guān)。

對(duì)于由于非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生非正弦畸變的諧波電流有效值測(cè)量，應(yīng)采用電流平方的平均值響應(yīng)式儀表，如電磁式或電動(dòng)式儀表，目前比較適用的是帶電流真有效值（ARMS）測(cè)量功能的數(shù)字式鉗形電流表，能精確測(cè)量非正弦畸變的諧波電流的真有效值。因測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否將給故障的診斷帶來(lái)極大的影響，甚至要做出錯(cuò)誤的判斷。

綜上，隨著用電設(shè)備的大量增加，非線(xiàn)性負(fù)載比例的增大，諧波電流帶來(lái)的危害日趨嚴(yán)重應(yīng)引起足夠重視；中性線(xiàn)熱故障和火災(zāi)問(wèn)題應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等各方面采用措施加以杜絕。如中性線(xiàn)截面選擇應(yīng)考慮諧波的影響；中性線(xiàn)連接部分牢固可靠、接觸良好，防止斷線(xiàn)；中性線(xiàn)的保護(hù)及巡檢中的電流測(cè)量問(wèn)題，都應(yīng)求得科學(xué)有效的解決方法。