大型商业建筑低压配电系统评估及异常分析

大型商业建筑低压配电系统评估及异常分析

罗家驹

关键词：三相负荷不平衡；N线；谐波；电磁兼容

1、谐波的概述

1.1线性负载和非线性负载

电气负载有线性负载和非线性负载之分。如对一负载施加一正弦波波形的电压，其负载电流的波形仍为一正弦波波形而未畸变，其负载线为一直线，则此负载被称作线性负载，例如：白炽灯、电阻炉、未磁饱和的电动机之类的负载都是。

如对一负载施工一正弦波波形的电压，其负载电流的波形因带多次谐波电流成分而发生畸变，它不再为一正弦波波形，其负载线不是一条直线而是一条曲线，则此负载称之为非线性负载。

1.2谐波电流与谐波电压互为因果

电网电压几乎是没有纯粹正弦波的，为了便于说明问题，假设它为正弦波波形，并以下图所示的一个典型的电气装置示意图为例，来说明谐波电流与谐波电压的关系。图中的装置内有线性负载和非线性负载，电源线路的阻抗则以图示的两个阻抗来代表，它包括电气装置内的阻抗和公用电位的阻抗。当电源的正弦波电压施加到非线性负载上时，其电缆波形发生畸变。

当此波形畸变的电流流经电源线路阻抗时，阻抗上将产生含有谐波成分的谐波畸变电压降，使负载端的电压波形也发生畸变。此波形畸变的电压施加到线性负载上时，此负载的电流波形也是和电压波形一样畸变。这样，电气装置内的电流波形和电压波形互因果，都发生畸变而带各次谐波，谐波含量过大时就会产生种种危害。

2、低压谐波的危害与潜在风险

2.1谐振

电力网中广泛使用无功补偿的电容器，同时存在分布电容，它们与系统的感性部分组合，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当系统中某次频率的谐波足够大时，就会造成危险的过电压或过电流。

最常见的谐波谐振是在接有谐波源的用户母线上，因为母线上除谐波源外还有电力电容器、电缆、供电变压器及电动机等负载，而且这些设备处于经常变动中，容易构成谐振条件。

2.2对变压器的影响

对于普通的变压器，特别重要的影响是3次及3的倍数次序谐波，这些谐波在△连接的绕组中形成环流。除非设计时已考虑了这些问题，否则，这些环流将使变压器绕组过热。

对于负荷供给不平和的变压器，还有一个重要问题应当考虑到，即如果负荷电流中含有直流分量，则它将使变压器磁路的饱和度提高，从而使交流励磁电流的谐波分量大大增加。

2.3对电容器的影响

电容器与电网其他部分之间产生的串联谐振或并联谐振，可能发生危险的过电压及过电流，这往往引起电容器熔断器或使电容器损坏。

电容器的容抗频率成反比，频率越高电容器的容抗越小，施加的电压不变，长期过电流运行，为了躲过电容器起动的电流，保护装置的整定值往往过电流数值大，不能有效地保护，造成电容器烧毁。

2.4对断路器的影响

谐波含量较多的电流使断路器的遮断能力下降，这是因为当电流均方根值相同时，波形畸变严重的电流与工频正弦波的电流相比，在电流过零点di/dt较大。当存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。

2.5对用电设备的影响

①荧光灯等气体放电灯。为了改善功率因素，荧光灯等气体放电灯往往装有电容器，它们与镇流器和供电线路的电感组合有一自然振荡频率，如某次谐波的频率正好与此相近，就因谐振而过热，甚至损坏。

②计算机。计算机的电源中谐波电压含量过大会导致计算错误或程序出错。为此一些厂家规定了计算机及数据处理系统可以接受的谐波电压限制。

3、现场检测评估及异常分析

3.1用户案例及检测方案

具用户反映新装商铺及公共区域照明、导购指引等设备相应断路器动作频繁动作，用钳形电流表读取电流参数并无过载，中性导体电流超越最大相电流。

3.2常规仪器检测

使用T-RMS万用表测出配电盘电压波峰因素作基本判断电能质量问题；使用T-RMS电流钳形表展示非线性负荷有效值电流真实工况；使用手持示波表进一步分析非线性负荷对配电系统的影响。

3.3红外热成像仪检测

利用外红热成像仪检测谐波引起的额外发热，发现保护电器和中性线过载问题。

3.4电能质量分析仪检测

使用电能质量分析仪评估末端级谐波畸变情况，典型非线性照明负荷的3、5、7次谐波频谱含量严重超标。使用电能质量分析仪评估末端负荷对二级配电系统的影响，内部公共点连接经各次谐波相互抵消后总谐波畸变有所下降。使用电能质量分析仪评估末端负荷对一级配电系统的影响，公共点连接点凸显以非线性照明负荷引起的3、5、7次谐波问题导致中性线干线存在较大谐波电流。

3.5检测评估分析

3.5.1对内部配电系统电能质量的评估

谐波污染源—LED屏、荧光灯等单相设备。实测记录数据表明：因广场内照明、LED屏等大量使用LED灯及其他单相设备，产生大量谐波电流，满载时给内部用电网络造成污染会更加严重，超过相关规定谐波电压和谐波电流限值。

3.5.2对内部配电系统中设备非正常工况的分析

①中性导体超最大相电流—3次谐波

照明负荷通常占商业建筑总负荷的40~60%，照明系统中负责驱动LED的驱动电源及荧光灯的电子式镇流器都属于开关电源，是显著的谐波源。开关电源的特征是其电流的3次谐波含量非常高。因为3次谐波电流分量在三相四线系统的中性点可以叠加，所以，此类应用引起了中性导体超越最大相电流，可能造成设计安装时未考虑到的中性导体过载。

②照明灯具寿命—谐振

为了改善功率因素，荧光灯等气体放电灯往往装有电容器，它们与镇流器和供电线路的电感组合有一自然振荡频率，如某次谐波的频率正好与此相近，就因谐振而过热，甚至损坏。

③断路器频繁动作—谐波序列效应

非线性负荷产生的各次谐波序列共同热效应增加，谐波负荷较大时导致过电流使保护电器的热脱扣器动作。而用户则一般只配备平均算法仪表，对于畸变的电流则无法检测到真正的电流读数，这也是普遍配电设计之初没有考虑而导致保护电器长延时整定失当。

对于剩余电流的无故动作，由于现场导购指示及插座回路用电器均为个人电能或电子控制器为开关电源驱动的非线性负荷。开关电源常用进线则EMC要求滤波电路将其工作特性产生的高频谐波电流泄放到地，而引起较大泄漏电流。

结束语

本题尝试结合现代用电设备和配电系统，以现场实际项目来描述现代工商业低压配电系统的复杂性。其中，以单相非线性负荷为主要研究对象，从电能质量的一个角度简述了谐波产生的原因，及谐波畸变对配电系统中的电力变压器、电容器组、电力线路、开关电源、电子信息设备等的危害，通过现场测试案例提取真实的电气参数展示谐波引起的骚扰。

参考文献

[1]北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册[M].中国电力出版社，2016.

[2]亚洲电能质量联盟中国合作组.现代电能质量测量技术[M].中国电力出版社，2015.

[3]何学农.现代电能质量测量技术[M].中国电能出版社，2016.