摘要:隨著經(jīng)濟發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進步，非線性電子負載設(shè)備在實際生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，如商業(yè)廣場的 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)備會產(chǎn)生大量 3n 次諧波，導(dǎo)致 N 線電流過大，進而引發(fā)線路發(fā)熱、設(shè)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(chǎn)生機理，結(jié)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(shù)，提出一種終端電氣綜合治理解決方案?，F(xiàn)場試驗應(yīng)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(zhì)量。

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

社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，推動了通信、計算機及光電技術(shù)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(diào)、計算機、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(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(wǎng)參數(shù)影響，無諧波放大與失諧風(fēng)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(shè)計了一種中性線零序電流濾波裝置，通過調(diào)節(jié)補償繞組電流的大小與方向改變合成磁通，進而調(diào)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(shè)計規(guī)范對標及濾波設(shè)備選型，完成了諧波治理的電氣設(shè)計。文獻 [7] 以機場 LED 照明配電箱為應(yīng)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(dǎo)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(shè)濾波回路，導(dǎo)致設(shè)備體積變大、成本上升；3）對電網(wǎng)阻抗與頻率變化較為敏感，易發(fā)生諧振現(xiàn)象；4）在負載快速波動或 N 線過流突發(fā)工況下，設(shè)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(gòu)建 “互聯(lián) - 監(jiān)測 - 分析 - 治理" 四位一體體系。通過硬件設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)與軟件平臺，實現(xiàn)配電系統(tǒng)從設(shè)備級監(jiān)測到電能質(zhì)量預(yù)判、異常數(shù)據(jù)分析與治理補償?shù)娜^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(chǎn)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(shè)備的投入，易導(dǎo)致 N 線帶電問題。此類負載均為開關(guān)電源型，主要具有以下特點：1）負載諧波含量高。其內(nèi)部開關(guān)器件工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時，會導(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)，因此無功特性以容性無功為主，功率因數(shù)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(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?，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(chǎn)生 3n 次諧波電流；3）N 線斷線導(dǎo)致阻抗急劇變大，電流無法經(jīng) N 線形成回路，負載側(cè)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(jīng)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(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(shè)備損壞、開關(guān)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(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定，零線上嚴禁串接開關(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(yīng)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(yīng)速度快等優(yōu)點，采用并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，不會影響其他用電負載回路正常運行。當前有源濾波技術(shù)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(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(shè)備級監(jiān)測、電能質(zhì)量預(yù)判到異常數(shù)據(jù)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(gòu)建 “互聯(lián) - 監(jiān)測 - 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；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(yù)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(zhì)量綜合治理設(shè)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(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(jīng) LC 濾波電路實現(xiàn)補償電流輸出 [11]。

圖4 終端電氣電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備工作原理

針對終端電氣治理設(shè)備運行數(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，實現(xiàn)手機端或電腦端遠程監(jiān)測 [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

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(shù)據(jù)如下：

圖6 末端配電箱電氣結(jié)構(gòu)圖

開啟終端治理設(shè)備，再次對配電房進線柜和末端配電箱進行測試，數(shù)據(jù)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(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)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(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。