摘要:隨著經濟發(fā)展與科學技術的持續(xù)進步，非線性電子負載設備在實際生產生活中得到廣泛應用，如商業(yè)廣場的 LED 燈、LED 屏，工廠的加熱器、調光器等晶閘管調壓電源。此類設備會產生大量 3n 次諧波，導致 N 線電流過大，進而引發(fā)線路發(fā)熱、設備損壞及安全隱患，嚴重影響電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本文針對 N 線電流過大問題，通過理論分析其產生機理，結合智能諧波監(jiān)測、諧波動態(tài)補償及三相不平衡治理等技術，提出一種終端電氣綜合治理解決方案。現(xiàn)場試驗應用表明，該方案可有效解決 N 線電流過大問題，提升系統(tǒng)安全性與可靠性，保障供配電系統(tǒng)電能質量。

關鍵詞:n次諧波；N線電流過大；N線電流治理；電能質量；終端電氣綜合治理

社會經濟與科學技術的快速發(fā)展，推動了通信、計算機及光電技術的持續(xù)進步。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、計算機、辦公通信設備及工廠加熱電源等現(xiàn)代電力電子設備得到廣泛應用。這類設備易產生 3N 次諧波與三相不平衡等問題，進而造成 N 線電流過大，易引發(fā) N 線絕緣層老化、發(fā)熱起火等安全隱患，嚴重威脅供配電系統(tǒng)安全運行 [1]。

在三相四線制供配電系統(tǒng)中，大量非線性負載的投入使得電網電能質量污染加劇，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 線過流的主要原因 [2]。文獻 [3] 提出一種基于磁通補償原理的無電容拓撲零序濾波器，其濾波特性不受電網參數影響，無諧波放大與失諧風險，可為電壓型非線性負載提供低阻抗諧波通路。文獻 [4] 針對零序電流問題，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 [5] 基于磁通補償原理，設計了一種中性線零序電流濾波裝置，通過調節(jié)補償繞組電流的大小與方向改變合成磁通，進而調整系統(tǒng)對外等效阻抗。文獻 [6] 針對樓宇大規(guī)模 LED 照明系統(tǒng)，通過電路分析計算、設計規(guī)范對標及濾波設備選型，完成了諧波治理的電氣設計。文獻 [7] 以機場 LED 照明配電箱為應用場景，將零線電流消除器與 LED 燈具串聯(lián)，利用磁通補償原理零序諧波引起的 N 線過流問題。

綜合現(xiàn)有研究可知，當前 N 線電流治理多采用無源串 / 并聯(lián)治理方式，但仍存在諸多不足：1）易引發(fā)中性點電壓漂移，導致相地電壓升高；2）僅對固定 3 次諧波具有治理效果，針對高次諧波需增設濾波回路，導致設備體積變大、成本上升；3）對電網阻抗與頻率變化較為敏感，易發(fā)生諧振現(xiàn)象；4）在負載快速波動或 N 線過流突發(fā)工況下，設備易損壞。

本文針對 3n 次諧波與三相不平衡引發(fā)的 N 線電流過大問題，提出一種終端電氣綜合治理解決方案，構建 “互聯(lián) - 監(jiān)測 - 分析 - 治理" 四位一體體系。通過硬件設備、通信網關與軟件平臺，實現(xiàn)配電系統(tǒng)從設備級監(jiān)測到電能質量預判、異常數據分析與治理補償的全過程管控，形成集監(jiān)測、報警、控制、保護于一體的閉環(huán)管理模式，有效保障末端供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行

2.1 N線電流產生的原因

在實際項目現(xiàn)場，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、體育中心廣場等場景，大量 LED 熒光燈、泛光燈及 LED 屏等設備的投入，易導致 N 線帶電問題。此類負載均為開關電源型，主要具有以下特點：1）負載諧波含量高。其內部開關器件工作于高頻開關狀態(tài)時，會導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，同時伴隨高次諧波成分。2）開關電源普遍采用功率因數校正（PFC）技術，因此無功特性以容性無功為主，功率因數可達 0.9 以上。若現(xiàn)場已存在電容器，再主動投入電容器，反而會增加系統(tǒng)無功功率，導致功率因數快速下降 [8]。

2.2 N線電流產生的原因

在 0.4kV 低壓配電系統(tǒng)中，N 線帶電是較為常見的異?，F(xiàn)象，主要由以下因素引起：1）A/B/C 三相負載電流不平衡；2）非線性負載產生 3n 次諧波電流；3）N 線斷線導致阻抗急劇變大，電流無法經 N 線形成回路，負載側中性點電位偏移；4）N 線與保護接地 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)中若中性點接地電阻偏大或接地不可靠，發(fā)生單相接地時中性點電位升高，從而使 N 線帶電 [9]。

3.1 無源裝置

針對零序電流特性，市場上多采用無源零序濾波器治理 N 線過流問題。其基本原理為并聯(lián)零序濾波器，對零序電流呈低阻抗特性，使零序電流主要經濾波器流通，減少 N 線電流。該類零序濾波器通常采用由電感、電容、電阻構成的 LC 濾波回路，或利用內部磁通相互抵消的方式濾除固定 3 次諧波分量，但對高次諧波需增設濾波回路，存在設備體積大、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 線串接阻抗會改變零線整體阻抗，引發(fā)中性點電壓漂移，抬升相 - 地電壓，易造成用電設備損壞、開關及絕緣保護擊穿。同時國標 GBJ65-83《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》明確規(guī)定，零線上嚴禁串接開關、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

無源零序濾波器雖可在一定程度上治理 N 線電流過大問題，但自身存在局限性，難以適應負載快速變化工況，且易受系統(tǒng)運行狀態(tài)影響。基于瞬時無功理論的 APF 有源電力濾波器，可對不同頻率諧波進行實時檢測、跟蹤與補償治理，適用于各類諧波環(huán)境，具有補償效果好、響應速度快等優(yōu)點，采用并聯(lián)方式接入電網，不會影響其他用電負載回路正常運行。當前有源濾波技術仍存在以下不足：1）電壓畸變率較高時，諧波檢測精度偏低、誤差較大；2）面對毫秒級負載波動，易出現(xiàn)補償滯后現(xiàn)象；3）APF 輸出阻抗與電網阻抗易引發(fā)高頻諧振問題；4）弱電網條件下，相位裕度不足會影響 APF 運行穩(wěn)定性。圖 2 為 APF 補償原理圖。

圖3 終端系統(tǒng)拓撲圖

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案集 “互聯(lián) - 監(jiān)測 - 分析 - 治理" 四位一體，可實現(xiàn)配電系統(tǒng)從設備級監(jiān)測、電能質量預判到異常數據分析的全過程管控，滿足諧波、無功及三相不平衡治理要求，同時具備 N 線溫度異常檢測、N 線電流治理及過流反饋保護等功能。與 APF 有源濾波器及無源零線電流阻斷器相比，其優(yōu)勢在于：1）構建 “互聯(lián) - 監(jiān)測 - 分析 - 治理" 四位一體體系，涵蓋硬件治理設備、通信網關、服務器與軟件服務平臺；2）強化 N 線電流監(jiān)測與治理功能，包含 N 線溫度監(jiān)測預警、N 線電流治理及過流反饋保護等；3）新增末端電壓穩(wěn)定與三相不平衡治理功能。

終端電氣電能質量綜合治理設備工作原理如圖 4 所示。通過電流采樣互感器采集負載 A/B/C 三相電流，經內部 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、基波無功電流和諧波電流，并計算 N 相 3N 次諧波電流幅值，功率單元經 LC 濾波電路實現(xiàn)補償電流輸出 [11]。

圖4 終端電氣電能質量綜合治理設備工作原理

針對終端電氣治理設備運行數據與 N 線電流治理狀態(tài)，一路經 485 總線傳送至觸摸屏本地顯示，另一路由 WIFI 模塊與網絡通信電路上傳，實現(xiàn)手機端或電腦端遠程監(jiān)測 [12]，具體系統(tǒng)結構如圖 5 所示。

圖5 系統(tǒng)結構圖

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

現(xiàn)場LED燈具80%運行，LED屏幕亮度50%，配電房變壓器進線柜和末端配電箱數據如下：

圖6 末端配電箱電氣結構圖

開啟終端治理設備，再次對配電房進線柜和末端配電箱進行測試，數據如下：

本文基于N線電流過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-分析-治理"四位一體，涉及硬件治理設備、物理網關、服務器及軟件系統(tǒng)平臺。相對于傳統(tǒng)的無源的零線電流阻斷器和APF有源濾波器，又增加了對N線進行溫度異常檢測、N線電流治理及過流反饋保護、穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能，最后又通過項目工程案例驗證了終端電能質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。