摘要:隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，非線性電子負(fù)載設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，如商業(yè)廣場(chǎng)的 LED 燈、LED 屏，工廠的加熱器、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 3n 次諧波，導(dǎo)致 N 線電流過(guò)大，進(jìn)而引發(fā)線路發(fā)熱、設(shè)備損壞及安全隱患，嚴(yán)重影響電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì) N 線電流過(guò)大問題，通過(guò)理論分析其產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合智能諧波監(jiān)測(cè)、諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及三相不平衡治理等技術(shù)，提出一種終端電氣綜合治理解決方案。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用表明，該方案可有效解決 N 線電流過(guò)大問題，提升系統(tǒng)安全性與可靠性，保障供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:n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

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了通信、計(jì)算機(jī)及光電技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。在大型商業(yè)、公共與工業(yè)建筑中，LED 燈具、LED 顯示屏、變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)、辦公通信設(shè)備及工廠加熱電源等現(xiàn)代電力電子設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。這類設(shè)備易產(chǎn)生 3N 次諧波與三相不平衡等問題，進(jìn)而造成 N 線電流過(guò)大，易引發(fā) N 線絕緣層老化、發(fā)熱起火等安全隱患，嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行 [1]。

在三相四線制供配電系統(tǒng)中，大量非線性負(fù)載的投入使得電網(wǎng)電能質(zhì)量污染加劇，其中三相零序諧波因同相位、等幅值在 N 線疊加回流，是造成 N 線過(guò)流的主要原因 [2]。文獻(xiàn) [3] 提出一種基于磁通補(bǔ)償原理的無(wú)電容拓?fù)淞阈?a href="http://www.3532n.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，其濾波特性不受電網(wǎng)參數(shù)影響，無(wú)諧波放大與失諧風(fēng)險(xiǎn)，可為電壓型非線性負(fù)載提供低阻抗諧波通路。文獻(xiàn) [4] 針對(duì)零序電流問題，提出一種基于曲折接線的相間耦合電抗器零序諧波方案。文獻(xiàn) [5] 基于磁通補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)了一種中性線零序電流濾波裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償繞組電流的大小與方向改變合成磁通，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)對(duì)外等效阻抗。文獻(xiàn) [6] 針對(duì)樓宇大規(guī)模 LED 照明系統(tǒng)，通過(guò)電路分析計(jì)算、設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)標(biāo)及濾波設(shè)備選型，完成了諧波治理的電氣設(shè)計(jì)。文獻(xiàn) [7] 以機(jī)場(chǎng) LED 照明配電箱為應(yīng)用場(chǎng)景，將零線電流消除器與 LED 燈具串聯(lián)，利用磁通補(bǔ)償原理零序諧波引起的 N 線過(guò)流問題。

綜合現(xiàn)有研究可知，當(dāng)前 N 線電流治理多采用無(wú)源串 / 并聯(lián)治理方式，但仍存在諸多不足：1）易引發(fā)中性點(diǎn)電壓漂移，導(dǎo)致相地電壓升高；2）僅對(duì)固定 3 次諧波具有治理效果，針對(duì)高次諧波需增設(shè)濾波回路，導(dǎo)致設(shè)備體積變大、成本上升；3）對(duì)電網(wǎng)阻抗與頻率變化較為敏感，易發(fā)生諧振現(xiàn)象；4）在負(fù)載快速波動(dòng)或 N 線過(guò)流突發(fā)工況下，設(shè)備易損壞。

本文針對(duì) 3n 次諧波與三相不平衡引發(fā)的 N 線電流過(guò)大問題，提出一種終端電氣綜合治理解決方案，構(gòu)建 “互聯(lián) - 監(jiān)測(cè) - 分析 - 治理” 四位一體體系。通過(guò)硬件設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)與軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)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)分析與治理補(bǔ)償?shù)娜^(guò)程管控，形成集監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制、保護(hù)于一體的閉環(huán)管理模式，有效保障末端供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行

2 .N線電流產(chǎn)生機(jī)理

2.1 N線電流產(chǎn)生的原因

在實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，由 3n 次諧波與三相不平衡引發(fā)的 N 線帶電現(xiàn)象尤為普遍。尤其在商業(yè)廣場(chǎng)、體育中心廣場(chǎng)等場(chǎng)景，大量 LED 熒光燈、泛光燈及 LED 屏等設(shè)備的投入，易導(dǎo)致 N 線帶電問題。此類負(fù)載均為開關(guān)電源型，主要具有以下特點(diǎn)：1）負(fù)載諧波含量高。其內(nèi)部開關(guān)器件工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸入輸出電流與電壓波形畸變，諧波電流以 3 次諧波為主，電流畸變率 THDi 通常在 70%-120% 之間，同時(shí)伴隨高次諧波成分。2）開關(guān)電源普遍采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，因此無(wú)功特性以容性無(wú)功為主，功率因數(shù)可達(dá) 0.9 以上。若現(xiàn)場(chǎng)已存在電容器，再主動(dòng)投入電容器，反而會(huì)增加系統(tǒng)無(wú)功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)快速下降 [8]。

2.2 N線電流產(chǎn)生的原因

在 0.4kV 低壓配電系統(tǒng)中，N 線帶電是較為常見的異常現(xiàn)象，主要由以下因素引起：1）A/B/C 三相負(fù)載電流不平衡；2）非線性負(fù)載產(chǎn)生 3n 次諧波電流；3）N 線斷線導(dǎo)致阻抗急劇變大，電流無(wú)法經(jīng) N 線形成回路，負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)電位偏移；4）N 線與保護(hù)接地 PE 線混接；5）A/B/C 相線與 N 線間絕緣破損，引發(fā)相線與 N 線漏電；6）接地故障，TN-S 系統(tǒng)中若中性點(diǎn)接地電阻偏大或接地不可靠，發(fā)生單相接地時(shí)中性點(diǎn)電位升高，從而使 N 線帶電 [9]。

3.1 無(wú)源裝置

針對(duì)零序電流特性，市場(chǎng)上多采用無(wú)源零序?yàn)V波器治理 N 線過(guò)流問題。其基本原理為并聯(lián)零序?yàn)V波器，對(duì)零序電流呈低阻抗特性，使零序電流主要經(jīng)濾波器流通，減少 N 線電流。該類零序?yàn)V波器通常采用由電感、電容、電阻構(gòu)成的 LC 濾波回路，或利用內(nèi)部磁通相互抵消的方式濾除固定 3 次諧波分量，但對(duì)高次諧波需增設(shè)濾波回路，存在設(shè)備體積大、成本高的問題 [10]；采用串聯(lián)于 N 線的零線電流阻斷器進(jìn)行治理，其原理是在 N 線串入高阻抗元件，阻止三相零序諧波流入 N 線。但在 N 線串接阻抗會(huì)改變零線整體阻抗，引發(fā)中性點(diǎn)電壓漂移，抬升相 - 地電壓，易造成用電設(shè)備損壞、開關(guān)及絕緣保護(hù)擊穿。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》明確規(guī)定，零線上嚴(yán)禁串接開關(guān)、熔斷器及電阻等器件。圖 1 為零線電流阻斷器接線圖。

圖1 零線電流阻斷器連接圖

3.2 有源裝置

無(wú)源零序?yàn)V波器雖可在一定程度上治理 N 線電流過(guò)大問題，但自身存在局限性，難以適應(yīng)負(fù)載快速變化工況，且易受系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)影響。基于瞬時(shí)無(wú)功理論的 APF 有源電力濾波器，可對(duì)不同頻率諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、跟蹤與補(bǔ)償治理，適用于各類諧波環(huán)境，具有補(bǔ)償效果好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，采用并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，不會(huì)影響其他用電負(fù)載回路正常運(yùn)行。當(dāng)前有源濾波技術(shù)仍存在以下不足：1）電壓畸變率較高時(shí)，諧波檢測(cè)精度偏低、誤差較大；2）面對(duì)毫秒級(jí)負(fù)載波動(dòng)，易出現(xiàn)補(bǔ)償滯后現(xiàn)象；3）APF 輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗易引發(fā)高頻諧振問題；4）弱電網(wǎng)條件下，相位裕度不足會(huì)影響 APF 運(yùn)行穩(wěn)定性。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、通信網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分構(gòu)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，完成末端配電數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)裙δ埽煌ㄐ啪W(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)終端治理設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸及策略功能分配；設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器，以服務(wù)終端為載體為用戶提供可視化展示。終端系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D 3 所示。

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，可實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)從設(shè)備級(jí)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量預(yù)判到異常數(shù)據(jù)分析的全過(guò)程管控，滿足諧波、無(wú)功及三相不平衡治理要求，同時(shí)具備 N 線溫度異常檢測(cè)、N 線電流治理及過(guò)流反饋保護(hù)等功能。與 APF 有源濾波器及無(wú)源零線電流阻斷器相比，其優(yōu)勢(shì)在于：1）構(gòu)建 “互聯(lián) - 監(jiān)測(cè) - 分析 - 治理” 四位一體體系，涵蓋硬件治理設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器與軟件服務(wù)平臺(tái)；2）強(qiáng)化 N 線電流監(jiān)測(cè)與治理功能，包含 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）新增末端電壓穩(wěn)定與三相不平衡治理功能。

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)電流采樣互感器采集負(fù)載 A/B/C 三相電流，經(jīng)內(nèi)部 DSP+FPGA 處理芯片完成電流指令生成與控制，利用傅里葉分解將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 N 相 3N 次諧波電流幅值，功率單元經(jīng) LC 濾波電路實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流輸出 [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)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與 N 線電流治理狀態(tài)，一路經(jīng) 485 總線傳送至觸摸屏本地顯示，另一路由 WIFI 模塊與網(wǎng)絡(luò)通信電路上傳，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端或電腦端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè) [12]，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

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：

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：

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線的治理效果顯著，線纜發(fā)熱和變壓器異響的問題基本消除，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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