黄春光1 张俊亚2
（1．安科瑞电气股份有限公司，上海 201801；；2. 上海凯盛浩丰农业发展有限公司，上海 201601）
摘要 随着经济的发展和科学技术的不断进步，在实际生产和生活中非线性电子负载设备被广泛应用，例如商业广场中的LED灯和LED屏、工厂中的加热器、调光器等晶闸管调压电源，此类设备会产生大量的3n次谐波导致N线出现电流过大，从而引发线路发热、设备损坏及安全隐患等问题， 严重影响了电气系统的安全和稳定运行。本文基于N线电流过大问题，通过理论分析N线电流产生的原因，结合智能谐波监测、谐波动态补偿和三相不平衡治理等技术手段，提出了一种终端电气综合治理解决方案。通过现场试验应用表明了该解决方案可以有效解决N线电流过大的问题，提升了系统的安全性和可靠性，保障了供配电系统的电能质量。
关键词： 3n次谐波；N线电流过大；N线电流治理；电能质量；终端电气综合治理
A Comprehensive Terminal Electrical Governance Solution Based on the Excessive Current of the N Wire
HUANG ChunGuang1 ZHANG JunYa2
（1.Acrel Co., Ltd. Shanghai 201801；2. Shanghai Triumph Haofeng Agricultural Development Co., Ltd. 201601）
Abstract With the development of the economy and the continuous progress of science and technology, non-linear electronic load devices are widely used in actual production and daily life. For example, there are LED lights and LED screens in commercial plazas, and thyristor voltage regulating power supplies such as heaters and dimmers in factories. These devices will generate a large number of 3n harmonics, causing an excessively large current in the N wire. As a result, problems such as wire heating, equipment damage, and potential safety hazards will occur, which seriously affect the safe and stable operation of the electrical system. Based on the problem of the excessively large current in the N wire, this paper analyzes the causes of the N wire current through theoretical analysis. By combining technical means such as intelligent harmonic monitoring, dynamic harmonic compensation, and three-phase unbalance management, a comprehensive terminal electrical governance solution is proposed. Field test applications have shown that this solution can effectively solve the problem of the excessively large current in the N wire, improve the safety and reliability of the system, and ensure the power quality of the power supply and distribution system.
Keywords：3nth harmonic; Excessive current in the N wire; Governance of N - wire current; Power quality; Comprehensive Terminal Electrical Governance
1 引言
社会经济和科技的发展推动着通信、计算机技术和光电技术的不断进步，在大型的商业、公共和工厂建筑中，现代电力电子设备如LED灯、LED屏、变频空调、计算机、办公通信设备以及工厂中的加热电源等被广泛应用，此类设备会产生3N次谐波以及三相不平衡等问题的存在会导致N线电流过大，容易造成N线绝缘层老化起火从而引发火灾，存在较大的安全隐患[1]。
在三相四线制的供配电系统中存在大量的非线性负载设备，导致供配电系统污染严重，其中三相零序谐波电流因为同相、同大小通过N线回流造成N线过流[2]。文献[3]基于磁通补偿原理、无电容拓扑的零序滤波器,其滤波特性不受电网参数影响,无谐波放大、无失谐等问题,可以实现电压型非线性负载的谐波低阻通道,对抑制低压配电网零序谐波具有显著效果。文献[4]基于零序电流的问题,提出了一种基于曲折接线的相间耦合电抗器的零序谐波电流治理方案。文献[5] 基于磁通补偿原理提出一种用于中性线上零序电流滤波的谐波治理装置，通过对补偿绕组中电流大小以及方向的控制改变合成磁通大小,从而改变系统对外的等效阻抗。文献[6]介绍了在楼宇大规模LED灯组谐波治理当中的电气设计方案，通过电路分析计算、设计要求对标、滤波器设备选型等步骤完成谐波治理工作。文献[7]以机场中的LED照明箱为背景，将零线电流消除器与LED照明灯具串联，利用磁通补偿的方式来解决由零序谐波造成的N线电流过大的问题。
参考上述文献，对于N线电流治理普遍采用无源串/并接的治理方式，但是目前存在着以下几种问题：1）造成N线零点电压漂移，可能使得相-地之间的电压升高；2）只对固定的3次谐波有治理能力，对于高次谐波需要更多滤波电路，因此设备体积变大，成本增加；3）运行时对电网阻抗和频率的变化较为敏感，容易产生谐振的问题；4）负载变化较快或N线电流过大的突发情况，容易导致设备损坏。
本文基于3n次谐波和三相不平衡引起的N线电流过大的问题，设计并提出了一种终端电气综合治理解决方案，集“互联-监测-分析-治理”四位一体，通过硬件设备、通讯网关和软件系统对配电系统实现从设备级监测到电能质量预判、异常数据分析，从而达到精准治理补偿的方案要求，实现了“闭环管理-监测、报警、控制和保护”为一体的功能，全面保障了整个末端供配电系统安全、可靠、稳定的运行。
2 N线电流产生机理
2.1 N线电流产生的原因
在实际项目现场中，一般由于3n次谐波和三相不平衡引起的N线带电情况尤为常见。尤其商业广场或体育中心广场存在着大量LED荧光灯/泛光灯和LED屏等设备，将导致N线带电的问题。其负载类型为开关电源型，并存在以下特点：
1）负载谐波含量丰富。当内部的开关器件工作在高频开关状态时，会使得输入输出电流和电压波形发生畸变，谐波电流主要以3次谐波电流为主，电流畸变率THDi一般在70%-120%之间，同时还包含高次谐波。
2）开关电源常采用功率因数校正（PFC）技术，因此无功特性一般表现为容性无功居多，功率因数在0.9以上。存在电容器的现场若主动投入电容器，反而会使系统无功功率增加，出现功率因数快速降低的问题[8]。
表1 3次谐波源负载及谐波分析
2.2 N线电流产生的原因
针对0.4kV的低压配电系统中经常出现N线带电的异常情况，一般有下列几种因素：1）A/B/C三相负载电流不平衡；2）非线性负载设备产生3n次谐波电流；3）N线断路，阻抗无穷大，电流无法通过N线形成闭合回路，负载设备侧的中性点电位不再为零，发生偏移；4）N线和接地保护PE线混接；5）A/B/C相线与N线之间绝缘层损坏，致使相线和N线之间产生漏电；6）接地故障，在TN-S系统中中性点接地电阻过大或接地不良，在系统发生单相接地故障时，中性点电位会升高，使N线带电[9]。2.3 N相电流理论计算
1）三相电流负载不平衡
式中，IA、IB、IC和IN分别为三相四线系统中A相、B相、C相和N相的电流值。
2）3n次谐波电流
式中，IA,3n、IB,3n和IC,3n为三相四线系统中A相、B相和C相3n次谐波电流值。
3 N线电流治理方式
针对N线电流的治理方式，从3次谐波源的角度出发，其N线电流和谐波电流的治理方式基本一致，一般采用被动治理的治理方式，即外接滤波补偿设备，抑制3次谐波在N线上叠加，从而保护负载和电网。
3.1 无源装置
针对零序电流的特点，市场上存在一些无源的零序滤波器来治理N线电流过大的问题。其主要原理是并联零序滤波器，对零序电流表现为低阻抗，使得零序电流主要流经零序滤波器，而不通过N线。此零序滤波器一般采用电感、电容和电阻组成的LC滤波电路或采用内部磁通互相抵消的方式滤除固定的3次谐波成分，但是对于高次谐波需要更多滤波电路，同时也会带来体积增加和成本过高的问题[10]；采用串联在N线上的零线电流阻断器治理N线电流，其原理是在N线上串接一个大电阻值，阻碍系统的 ABC三相零序谐波流入N线上。但在N线上串接电阻会改变整个零线的阻抗值，造成中性线零点电压漂移，提高相-地电压，可能会对电气设备造成损坏，击穿开关和绝缘保护。同时国标GBJ65-83 《工业与民用电力装置的接地设计规范》中明确要求零线上不允许串接开关、熔断器及电阻器等设备。图1为零线电流阻断器的连接图。
图1 零线电流阻断器连接图
3.2 有源装置
无源零序滤波器，虽然能一定程度上治理N线电流过大的问题，但是存在局限性，不能满足变化较快的负载情况，容易受系统影响。基于瞬时无功理论技术的APF有源电力滤波器可以对不同频率的谐波进行实时检测跟踪与补偿治理，适用于不同的谐波环境，补偿效果好，响应时间快，并联于整个电力系统中，不会影响到其他用电负载回路。目前有源滤波存在以下问题：1）电压畸变率过高情况下，谐波检测精度普遍存在不准或误差较大的情况；2）针对负载毫秒级的变化，可能存在补偿补偿滞后的问题；3）APF的输出阻抗与电网阻抗之间容易引发高频谐振；4）在弱电网情况下，APF的稳定性可能会受到相位裕度的影响。图2为APF补偿原理图。
图2 APF补偿原理图
4 终端电气综合治理系统解决方案
终端电气综合治理系统解决方案由终端电气电能质量综合治理设备、物理网关、服务器及服务终端四部分组成，其中终端电气电能质量综合治理设备作为底层硬件基础实现对末端供配电数据采集与末端电能质量补偿等具体服务动作；物理网关实现终端治理设备与服务器间的数据传输以及对设备进行策略功能分配；设备运行数据经由服务器最终以服务终端为媒介为用户提供可视化展示。终端系统拓扑图见图3。
图3 终端系统拓扑图
终端电气综合治理系统解决方案集“互联-监测-分析-治理”四位一体，通过对配电系统从设备级监测到电能质量预判、异常数据分析，从而达到精准治理谐波、无功及三相不平衡问题的方案要求，同时还可对N线进行温度异常检测、N线电流治理及过流反馈保护等。相对于APF有源滤波器和无源的零线电流阻断器，其优势在于：1）集“互联-监测-分析-治理”四位一体，涉及硬件治理设备、物理网关、服务器和软件系统服务平台；2）增加了N线电流监测及治理功能，涉及N线温度监测预警、N线电流治理及过流反馈保护等；3）增加了稳定末端电压和三相不平衡治理的功能。
终端电气电能质量综合治理设备工作原理如图4所示。通过采样电流互感器检测负载的A/B/C三相电流，通过内部DSP+FPGA处理芯片实现电流指令的生成和控制，通过傅里叶分解将A/B/C三相电流分解为基波有功电流、基波无功电流和谐波电流，并计算出N相上3N次谐波电流值，功率电路部分再通过LC滤波电路实现电流输出[11]。
图4 终端电气电能质量综合治理设备工作原理
针对终端电气治理设备的运行数据和N线电流治理的情况，一方面通过485总线传输到触摸屏，另一方面通过WIFI模块和网络通讯电路进行手机端或者电脑端的检查[12]，其具体的系统结构可参考图5。
图5 系统结构图
5 N线电流治理工程实例
该项目工程实例位于某市大型商业广场，由于现场LED照明灯具和LED大屏在运行过程中功率会不断变化，造成N线电流过大，引起配电间N线发热严重，配电箱温度较高；随着N电流的波动变化，变压器间歇发出异响，现场母排和柜子之间的震动声响比较频繁。
现场LED灯具80%运行，LED屏幕亮度50%，配电房变压器进线柜和末端配电箱数据如下：
结合现场变压器进线柜数据、末端配电箱数据、总N排电流大小及末端N线电流大小和系统的复杂程度，选择合适的终端综合治理设备，并保证一定的设备裕量，及时对谐波电流及N线电流进行治理，防止电气火灾和设备的损坏。在LED照明灯具及LED屏所在的配电箱配置终端治理设备，其电气结构图如图6所示。
图6 末端配电箱电气结构图
开启终端治理设备，再次对配电房进线柜和末端配电箱进行测试，数据如下：
通过对比治理前后的数据可发现，在现场LED灯具80%运行和LED屏幕亮度50%时，变压器进线侧N线电流从622A降到 39A左右；LED屏配电箱N线电流从438A降到30A左右，N线的治理效果显著，线缆发热和变压器异响的问题基本消除，整个供配电系统的电能质量得到提升，满足对治理效果的预期要求，同时治理前后的数据通过系统网关上传到终端综合治理系统平台，方便了后期运维。
6 结论
苏公网安备32028102002109号 