諧波電流，一個容易被人忽視的環(huán)節(jié)：第16屆亞運會體育照明經(jīng)驗分享

陳智敏 （廣州市重點公共建設項目管理辦公室，廣東 廣州 510006)

1 引言

2010年,廣州成功舉辦了一屆高水平、有特色的亞洲體育文化盛會，得到了亞奧理事會、各國代表團以及亞洲各國各地區(qū)的高度贊譽。作為亞運會和亞殘運會比賽場館建設中重要一環(huán)的場地照明系統(tǒng)，也得到大家的肯定和好評。

亞運會和亞殘運會總共有83個場館，其中比賽場館53個，除室外白天比賽的個別項目外幾乎每一個場館都要求設置場地照明系統(tǒng)。場地照明系統(tǒng)直接影響該場館能否舉行比賽，因此所有場館的場地照明均嚴格按照《體育場館照明設計及檢測標準》、《亞運要求》以及電視轉(zhuǎn)播要求設置。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，順利組織實施了各項工作。但其中也有“鮮為人知”的故事，筆者就其中一個容易被忽視的場館照明三相電路中零線諧波問題與大家分享。

2 發(fā)現(xiàn)問題

亞運會開幕前夕，施工單位反映：某比賽場館場地照明系統(tǒng)零線電流過大。經(jīng)過對該館場地照明系統(tǒng)配電、燈具及控制系統(tǒng)的詳細檢查，總體場館照明三相電路中各相電流基本平衡，而零線總電流過大，其余沒發(fā)現(xiàn)異常。

該場館比賽場地采用金屬鹵化物燈作為照明燈具；系統(tǒng)采用雙回路供電，每回路設置的兩個電源各來自于低壓系統(tǒng)不同母線段（其中一段比賽時由發(fā)電機供電），通過ATS轉(zhuǎn)換選擇開關，各對50%的場地燈具供電。照明配電示意簡圖見圖1。

場地照明燈具在穩(wěn)定運行狀態(tài)下測得各照明配電柜各相電流詳細數(shù)據(jù)如下：

1#照明配電柜：A相電流：329A， B相電流：331A，C相電流：318A，N線電流：210A；

2#照明配電柜：A相電流：360A， B相電流：358A，C相電流：368A，N線電流：212A；

臨時單獨拉三相電線供三盞燈，三相電流為5.67A、5.7A、5.64A,對應零線電流為5.8A、5.9A、5.3A，總零線電流為2.73A。

將上述測試結(jié)果匯總為表1。

表1 三相照明電路各相電流測試結(jié)果

眾所周知在正弦三相電路中若負荷對稱其電流也基本對稱或相近，在正弦三相電路中各相的電壓電流有120°的相位差，因此，負荷對稱的正弦三相四線電路中零線的電流向量和應為0，即N線電流應沒有或很小。在實際工程中做不到百分之百的三相負荷對稱，其N線電流應僅有少量的不平衡電流。但此工程的N線電流之大引起了相關各方的重視。

3 問題分析

經(jīng)檢查施工現(xiàn)場符合設計要求，各相運行電流基本平衡，沒有發(fā)現(xiàn)接線錯誤或燈具故障等明顯問題。

我們組織對供電系統(tǒng)的諧波進行檢測，發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)總體電源電壓畸變率只有不到1%左右，配電箱端的電壓諧波也基本與系統(tǒng)一致，符合國家相關標準規(guī)范要求。

經(jīng)各方分析，認為該類問題不在供配電系統(tǒng)，而有可能主要出在照明燈具本身；我們初步分析認定該問題是由照明燈具產(chǎn)生的高次諧波引起的。為了檢驗和證實，我們對多個類似使用220V單相金鹵燈的體育場館項目進行了檢查，其結(jié)果不出所料。不同場館、不同燈具生產(chǎn)廠家及不同施工單位，但檢測末端配電箱，其三相負荷和電流基本平衡，僅有一相電流會稍小，總體上均有較大零線電流，約為三相線電流平均值的45%～65%。

為此，我們與照明供應商進行溝通，再次明確亞運會的重要意義和責任感，要求廠家以負責任的態(tài)度，處理問題，找出原因、確保安全。生產(chǎn)廠家也積極的給予了支持和配合，最終明確回復：中性線較大電流產(chǎn)生的主要原因可能是由氣體放電燈工作電流的高次諧波造成的。

該場館采用1000W HID 金屬鹵化物光源作為主要照明光源，并采用電感式鎮(zhèn)流器驅(qū)動，而所有采用電感鎮(zhèn)流器驅(qū)動的高強度氣體放電燈(HID)，都經(jīng)過觸發(fā)器產(chǎn)生高壓方波，其工作原理如圖2所示。

圖2 高壓氣體燈工作原理圖

在接通電源的瞬間，電源電壓經(jīng)鎮(zhèn)流器加到觸發(fā)器和燈泡兩端，燈泡不亮時電阻很大，呈開路狀態(tài)；觸發(fā)器在電源電壓（220V）下立即開始工作，并產(chǎn)生3kV以上的脈沖高壓，施加在燈泡L兩端，將燈泡L內(nèi)常溫元素激活成氣體并擊穿。這在燈泡兩端就產(chǎn)生近似方波，電壓波形在其燈電流中均有諧波失真，而方波的存在必將會產(chǎn)生高次諧波，如圖3、圖4所示。

國際標準IEC61000-3-2：2001（等效國家標準GB17625.1—2003）規(guī)定功率大于25W的照明設備，諧波電流不應超過表2給出的限值。

表2 C類設備的諧波限值

在現(xiàn)實的場館中照明系統(tǒng)的三相照明電路中三相負荷基本對稱，但導致零（N）線上產(chǎn)生較大的電流，是否由于照明燈具有高次諧波的存在而引起的，是要進行認真探討的。我們按廠家提供的數(shù)據(jù)和在現(xiàn)場實測（見表1）的數(shù)據(jù)估算，每相照明燈具工作電流產(chǎn)生的零（N）線電流比相電流約低20%；三相照明燈具工作電流產(chǎn)生的零（N）線電流與相電流相比，約為相電流的20%×3=60%。雖然這種現(xiàn)象對于場館的照明燈具正常工作與照明供配電系統(tǒng)沒有產(chǎn)生不利的影響，但為確保亞運會能安全順利地進行，我們必須找出其原因。為此，我們也咨詢了國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和有奧運經(jīng)驗的國內(nèi)知名專家。據(jù)專家介紹，這個現(xiàn)象在北京奧運場館也有出現(xiàn)過，同樣未對場館的照明燈具正常工作與照明供配電系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。

在與相關各方對該現(xiàn)象進行了分析研究之后，發(fā)現(xiàn)這些場館照明配電回路中的零線電流大，主要是照明三相電路中的照明燈具產(chǎn)生高次諧波造成的，具體分析如下。在三相電路中其各相電壓的瞬時表達式如式1所示：

把（1）中各相電壓展開成傅里葉級數(shù)，則有：

式中的k取奇數(shù)即1,3,5,7……

即：

由上述式中可得出，基波和7次諧波等分量各相振幅相等，相位差各為2π/3，相序變化依次為A→B→C→A，因此構(gòu)成正序?qū)ΨQ三相系統(tǒng)。可推得k=6n+1(n=0,1,2,3,4)即1,7,13,19……次諧波分量都組成正序?qū)ΨQ三相組。

各相中5次諧波分量振幅相等，相位各差2π/3，但相序變化次序為A→C→B→A，故構(gòu)成對稱三相負序系統(tǒng)。可推得k=6n+5(n=0,1,2,3)即5,11,17,23……次諧波均組成負序?qū)ΨQ組。

各相中三次諧波分量振幅相等、相位相同，這樣的三相系統(tǒng)稱為對稱零序三相系統(tǒng)。可知 即3,9,15,21……次諧波均構(gòu)成零序?qū)ΨQ組。

圖5 正序、負序和零序向量圖

這樣三相非正弦周期對稱電動勢中的各個同頻率分量分成了正序，負序和零序三類不同的對稱組，即正序?qū)ΨQ三相組、負序?qū)ΨQ三相組和零序?qū)ΨQ組。

這些比賽場館照明配電均采用三相四線系統(tǒng)，在這些基本對稱三相四線電路中的正序和負序?qū)ΨQ組其各相的電壓電流有120o的相位差，所以它們的向量和也基本為0（見式 3），在零線中不會產(chǎn)生電流；即零線電流中不含正、負序電流。

在這些基本對稱三相四線電路中的零序?qū)ΨQ組的電壓電流如下所示：

圖6 三相四線系統(tǒng)電路原理示意圖

從式4得知在三相四線電路中零序諧波組在零線電壓不為0，由于零序諧波組振幅相等、相位相同，零線中零序電流是相線中零序電流的三倍。因此，零序諧波組是造成這些體育比賽場館照明三相四線電路中的零線電流大的最主要的原因。

4 處理問題

對于氣體放電燈由于非線性電氣特性能產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象，一般電氣設計人員均能普遍認識。但對于照明氣體放電光源的高次諧波中的零序諧波組，在體育比賽場館照明負荷基本對稱的三相四線電路中造成零線電流大的現(xiàn)象就容易被忽視，尤其是在三相四線的安裝照明負荷基本平衡的情況下，容易誤認為三相四線系統(tǒng)的零線沒有電流或電流不大。此時若使用零線為小截面的4芯（或5芯）電力電纜，就容易造成零線電流值超過電纜導線的安全載流量，造成電纜發(fā)熱而帶來不良的后果。

從亞運會的體育比賽場館三相四線照明配電圖（見圖1）上來看，照明配電盤到照明燈具間的線路均按單相電路設計，沒有共用零線；照明配電盤到低壓配電室采用的是5芯等截面的封閉母線，不存在零線截面小和零線電流值超過導線的安全載流量的問題。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和分析，大家認為在亞運會的體育比賽場館照明三相四線電路中零線電流存在，基本還是屬于正常現(xiàn)象，正常情況下無需采取額外措施。

亞運會體育比賽場館照明的三相四線電路中零線電流大的現(xiàn)象基本沒有發(fā)現(xiàn)對其他設備造成影響和損壞，因此，在已考慮以下因素的情況下，可以不做主動消諧。

(1)所有三相四線系統(tǒng)中導線的零線截面積不得小于相線截面積，應采用等截面的電纜或母線；

(2)所有零線開關的最大允許電流不小于相線開關；

(3)所有從照明配電盤到照明燈具間的線路均按單相電路設計，不共用零線；

(4)變壓器、發(fā)電機和負荷總?cè)萘繎紤]合理余量；

(5)從安全出發(fā)，要求運行人員要加強巡視，監(jiān)測各線路電流與導線運行溫度。

5 結(jié)語

亞運會順利進行，整個燈光系統(tǒng)運行正常。燈具在正常使用情況下沒有造成零線發(fā)熱，也沒有發(fā)現(xiàn)過對其他設備有不良影響。

筆者與大家分享亞運場館照明設計經(jīng)驗，希望廣大工程人員能多了解場地照明系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)，深入探討一些容易被忽視的技術要點，也為管理運行人員提供更多的技術支持信息。