摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中非線性電子負(fù)載設(shè)備被廣泛應(yīng)用，例如商業(yè)廣場(chǎng)中的LED燈和LED屏、工廠中的加熱器、調(diào)光器等晶閘管調(diào)壓電源，此類設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的3n次諧波導(dǎo)致N線出現(xiàn)電流過(guò)大，從而引發(fā)線路發(fā)熱、設(shè)備損壞及安全隱患等問(wèn)題， 嚴(yán)重影響了電氣系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。本文基于N線電流過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)理論分析N線電流產(chǎn)生的原因，結(jié)合智能諧波監(jiān)測(cè)、諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和三相不平衡治理等技術(shù)手段，提出了一種終端電氣綜合治理解決方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用表明了該解決方案可以有效解決N線電流過(guò)大的問(wèn)題，提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性，保障了供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 3n次諧波；N線電流過(guò)大；N線電流治理；電能質(zhì)量；終端電氣綜合治理了

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展推動(dòng)著通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的不斷進(jìn)步，在大型的商業(yè)、公共和工廠建筑中，現(xiàn)代電力電子設(shè)備如LED燈、LED屏、變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)、辦公通信設(shè)備以及工廠中的加熱電源等被廣泛應(yīng)用，此類設(shè)備會(huì)產(chǎn)生3N次諧波以及三相不平衡等問(wèn)題的存在會(huì)導(dǎo)致N線電流過(guò)大，容易造成N線絕緣層老化起火從而引發(fā)火災(zāi)，存在較大的安全隱患[1]。

在三相四線制的供配電系統(tǒng)中存在大量的非線性負(fù)載設(shè)備，導(dǎo)致供配電系統(tǒng)污染嚴(yán)重，其中三相零序諧波電流因?yàn)橥?、同大小通過(guò)N線回流造成N線過(guò)流[2]。文獻(xiàn)[3]基于磁通補(bǔ)償原理、無(wú)電容拓?fù)涞牧阈驗(yàn)V波器,其濾波特性不受電網(wǎng)參數(shù)影響,無(wú)諧波放大、無(wú)失諧等問(wèn)題,可以實(shí)現(xiàn)電壓型非線性負(fù)載的諧波低阻通道,對(duì)抑制低壓配電網(wǎng)零序諧波具有顯著效果。文獻(xiàn)[4]基于零序電流的問(wèn)題,提出了一種基于曲折接線的相間耦合電抗器的零序諧波電流治理方案。文獻(xiàn)[5] 基于磁通補(bǔ)償原理提出一種用于中性線上零序電流濾波的諧波治理裝置，通過(guò)對(duì)補(bǔ)償繞組中電流大小以及方向的控制改變合成磁通大小,從而改變系統(tǒng)對(duì)外的等效阻抗。文獻(xiàn)[6]介紹了在樓宇大規(guī)模LED燈組諧波治理當(dāng)中的電氣設(shè)計(jì)方案，通過(guò)電路分析計(jì)算、設(shè)計(jì)要求對(duì)標(biāo)、濾波器設(shè)備選型等步驟完成諧波治理工作。文獻(xiàn)[7]以機(jī)場(chǎng)中的LED照明箱為背景，將零線電流消除器與LED照明燈具串聯(lián)，利用磁通補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)解決由零序諧波造成的N線電流過(guò)大的問(wèn)題。

參考上述文獻(xiàn)，對(duì)于N線電流治理普遍采用無(wú)源串/并接的治理方式，但是目前存在著以下幾種問(wèn)題：1）造成N線零點(diǎn)電壓漂移，可能使得相-地之間的電壓升高；2）只對(duì)固定的3次諧波有治理能力，對(duì)于高次諧波需要更多濾波電路，因此設(shè)備體積變大，成本增加；3）運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化較為敏感，容易產(chǎn)生諧振的問(wèn)題；4）負(fù)載變化較快或N線電流過(guò)大的突發(fā)情況，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。

本文基于3n次諧波和三相不平衡引起的N線電流過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出了一種終端電氣綜合治理解決方案，集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-分析-治理"四位一體，通過(guò)硬件設(shè)備、通訊網(wǎng)關(guān)和軟件系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從設(shè)備級(jí)監(jiān)測(cè)到電能質(zhì)量預(yù)判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到精準(zhǔn)治理補(bǔ)償?shù)姆桨敢?，?shí)現(xiàn)了“閉環(huán)管理-監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制和保護(hù)"為一體的功能，全面保障了整個(gè)末端供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 N線電流產(chǎn)生機(jī)理

2.1N線電流產(chǎn)生的原因

在實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)中，一般由于3n次諧波和三相不平衡引起的N線帶電情況尤為常見。尤其商業(yè)廣場(chǎng)或體育中心廣場(chǎng)存在著大量LED熒光燈/泛光燈和LED屏等設(shè)備，將導(dǎo)致N線帶電的問(wèn)題。其負(fù)載類型為開關(guān)電源型，并存在以下特點(diǎn)：

1）負(fù)載諧波含量豐富。當(dāng)內(nèi)部的開關(guān)器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì)使得輸入輸出電流和電壓波形發(fā)生畸變，諧波電流主要以3次諧波電流為主，電流畸變率THDi一般在70%-120%之間，同時(shí)還包含高次諧波。

2）開關(guān)電源常采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，因此無(wú)功特性一般表現(xiàn)為容性無(wú)功居多，功率因數(shù)在0.9以上。存在電容器的現(xiàn)場(chǎng)若主動(dòng)投入電容器，反而會(huì)使系統(tǒng)無(wú)功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)快速降低的問(wèn)題[8]。

表1為3次諧波源負(fù)載及諧波分析。

表1 3次諧波源負(fù)載及諧波分析

針對(duì)0.4kV的低壓配電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)N線帶電的異常情況，一般有下列幾種因素：1）A/B/C三相負(fù)載電流不平衡；2）非線性負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生3n次諧波電流；3）N線斷路，阻抗無(wú)窮大，電流無(wú)法通過(guò)N線形成閉合回路，負(fù)載設(shè)備側(cè)的中性點(diǎn)電位不再為零，發(fā)生偏移；4）N線和接地保護(hù)PE線混接；5）A/B/C相線與N線之間絕緣層損壞，致使相線和N線之間產(chǎn)生漏電；6）接地故障，在TN-S系統(tǒng)中中性點(diǎn)接地電阻過(guò)大或接地不良，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電位會(huì)升高，使N線帶電[9]。

2.2N相電流理論計(jì)算

1）三相電流負(fù)載不平衡

式中，IA、IB、IC和IN分別為三相四線系統(tǒng)中A相、B相、C相和N相的電流值。

2）3n次諧波電流

式中，IA,3n、IB,3n和IC,3n為三相四線系統(tǒng)中A相、B相和C相3n次諧波電流值。

3 N線電流治理方式

針對(duì)N線電流的治理方式，從3次諧波源的角度出發(fā)，其N線電流和諧波電流的治理方式基本一致，一般采用被動(dòng)治理的治理方式，即外接濾波補(bǔ)償設(shè)備，抑制3次諧波在N線上疊加，從而保護(hù)負(fù)載和電網(wǎng)。

3.1無(wú)源裝置

針對(duì)零序電流的特點(diǎn)，市場(chǎng)上存在一些無(wú)源的零序?yàn)V波器來(lái)治理N線電流過(guò)大的問(wèn)題。其主要原理是并聯(lián)零序?yàn)V波器，對(duì)零序電流表現(xiàn)為低阻抗，使得零序電流主要流經(jīng)零序?yàn)V波器，而不通過(guò)N線。此零序?yàn)V波器一般采用電感、電容和電阻組成的LC濾波電路或采用內(nèi)部磁通互相抵消的方式濾除固定的3次諧波成分，但是對(duì)于高次諧波需要更多濾波電路，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)體積增加和成本過(guò)高的問(wèn)題[10]；采用串聯(lián)在N線上的零線電流阻斷器治理N線電流，其原理是在N線上串接一個(gè)大電阻值，阻礙系統(tǒng)的 ABC三相零序諧波流入N線上。但在N線上串接電阻會(huì)改變整個(gè)零線的阻抗值，造成中性線零點(diǎn)電壓漂移，提高相-地電壓，可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成損壞，擊穿開關(guān)和絕緣保護(hù)。同時(shí)國(guó)標(biāo)GBJ65-83 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確要求零線上不允許串接開關(guān)、熔斷器及電阻器等設(shè)備。圖1為零線電流阻斷器的連接圖。

圖1 零線電流阻斷器連接圖

3.2無(wú)源裝置

無(wú)源零序?yàn)V波器，雖然能一定程度上治理N線電流過(guò)大的問(wèn)題，但是存在局限性，不能滿足變化較快的負(fù)載情況，容易受系統(tǒng)影響。基于瞬時(shí)無(wú)功理論技術(shù)的APF有源電力濾波器可以對(duì)不同頻率的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤與補(bǔ)償治理，適用于不同的諧波環(huán)境，補(bǔ)償效果好，響應(yīng)時(shí)間快，并聯(lián)于整個(gè)電力系統(tǒng)中，不會(huì)影響到其他用電負(fù)載回路。目前有源濾波存在以下問(wèn)題：1）電壓畸變率過(guò)高情況下，諧波檢測(cè)精度普遍存在不準(zhǔn)或誤差較大的情況；2）針對(duì)負(fù)載毫秒級(jí)的變化，可能存在補(bǔ)償補(bǔ)償滯后的問(wèn)題；3）APF的輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗之間容易引發(fā)高頻諧振；4）在弱電網(wǎng)情況下，APF的穩(wěn)定性可能會(huì)受到相位裕度的影響。圖2為APF補(bǔ)償原理圖。

圖2 APF補(bǔ)償原理圖

4 終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案由終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備作為底層硬件基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)末端供配電數(shù)據(jù)采集與末端電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)染唧w服務(wù)動(dòng)作；物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)終端治理設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行策略功能分配；設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器最終以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。終端系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖3。

圖3 終端系統(tǒng)拓?fù)鋱D

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-分析-治理"四位一體，通過(guò)對(duì)配電系統(tǒng)從設(shè)備級(jí)監(jiān)測(cè)到電能質(zhì)量預(yù)判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到精準(zhǔn)治理諧波、無(wú)功及三相不平衡問(wèn)題的方案要求，同時(shí)還可對(duì)N線進(jìn)行溫度異常檢測(cè)、N線電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)等。相對(duì)于APF有源濾波器和無(wú)源的零線電流阻斷器，其優(yōu)勢(shì)在于：1）集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-分析-治理"四位一體，涉及硬件治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和軟件系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)；2）增加了N線電流監(jiān)測(cè)及治理功能，涉及N線溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警、N線電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)等；3）增加了穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能。

終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備工作原理如圖4所示。通過(guò)采樣電流互感器檢測(cè)負(fù)載的A/B/C三相電流，通過(guò)內(nèi)部DSP+FPGA處理芯片實(shí)現(xiàn)電流指令的生成和控制，通過(guò)傅里葉分解將A/B/C三相電流分解為基波有功電流、基波無(wú)功電流和諧波電流，并計(jì)算出N相上3N次諧波電流值，功率電路部分再通過(guò)LC濾波電路實(shí)現(xiàn)電流輸出[11]。

圖4 終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備工作原理

針對(duì)終端電氣治理設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和N線電流治理的情況，一方面通過(guò)485總線傳輸?shù)接|摸屏，另一方面通過(guò)WIFI模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊電路進(jìn)行手機(jī)端或者電腦端的檢查[12]，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參考圖5。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 N線電流治理工程實(shí)例

該項(xiàng)目工程實(shí)例位于某市大型商業(yè)廣場(chǎng)，由于現(xiàn)場(chǎng)LED照明燈具和LED大屏在運(yùn)行過(guò)程中功率會(huì)不斷變化，造成N線電流過(guò)大，引起配電間N線發(fā)熱嚴(yán)重，配電箱溫度較高；隨著N電流的波動(dòng)變化，變壓器間歇發(fā)出異響，現(xiàn)場(chǎng)母排和柜子之間的震動(dòng)聲響比較頻繁。

現(xiàn)場(chǎng)LED燈具80%運(yùn)行，LED屏幕亮度50%，配電房變壓器進(jìn)線柜和末端配電箱數(shù)據(jù)如下：

表1 配電房進(jìn)線柜數(shù)據(jù)（治理前）

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變壓器進(jìn)線柜數(shù)據(jù)、末端配電箱數(shù)據(jù)、總N排電流大小及末端N線電流大小和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，選擇合適的終端綜合治理設(shè)備，并保證一定的設(shè)備裕量，及時(shí)對(duì)諧波電流及N線電流進(jìn)行治理，防止電氣火災(zāi)和設(shè)備的損壞。在LED照明燈具及LED屏所在的配電箱配置終端治理設(shè)備，其電氣結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 末端配電箱電氣結(jié)構(gòu)圖

開啟終端治理設(shè)備，再次對(duì)配電房進(jìn)線柜和末端配電箱進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如下：

表3 配電房進(jìn)線柜數(shù)據(jù)（治理后）

表4 末端配電箱數(shù)據(jù)（治理后）

通過(guò)對(duì)比治理前后的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)LED燈具80%運(yùn)行和LED屏幕亮度50%時(shí)，變壓器進(jìn)線側(cè)N線電流從622A降到 39A左右；LED屏配電箱N線電流從438A降到30A左右，N線的治理效果明顯，線纜發(fā)熱和變壓器異響的問(wèn)題基本消除，整個(gè)供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量得到提升，滿足對(duì)治理效果的預(yù)期要求，同時(shí)治理前后的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上傳到終端綜合治理系統(tǒng)平臺(tái)，方便了后期運(yùn)維。

6 結(jié)論

本文基于N線電流過(guò)大問(wèn)題提出的終端電氣綜合治理解決方案，該解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測(cè)-分析-治理"四位一體，涉及硬件治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及軟件系統(tǒng)平臺(tái)。相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)源的零線電流阻斷器和APF有源濾波器，又增加了對(duì)N線進(jìn)行溫度異常檢測(cè)、N線電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)、穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能，最后又通過(guò)項(xiàng)目工程案例驗(yàn)證了終端電能質(zhì)量綜合治理解決方案的有效性和可靠性，保障了末端供配電系統(tǒng)的用電安全。

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