淺析供電支路負(fù)載不平衡的危害與處理

摘要：隨著電力電子得到廣泛的運(yùn)用，給生產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給供電系統(tǒng)帶來(lái)巨大的壓力：用電設(shè)備種類(lèi)繁雜，供電系統(tǒng)三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡、電能質(zhì)量下降、功率因數(shù)偏低、無(wú)功功率增大、用電設(shè)備不能正常工作等諸多問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：三相負(fù)荷不平衡;諧波因數(shù);火災(zāi)

序言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市優(yōu)化以及節(jié)能減排都成了大家比較關(guān)心的問(wèn)題。傳統(tǒng)的交流單相負(fù)載已經(jīng)越來(lái)越少的使用，現(xiàn)在使用的單相負(fù)載90%以上都是通過(guò)交直流變換來(lái)供電的，如：節(jié)能燈，日光燈，LED燈，電腦，打印機(jī)，UPs，空調(diào)，電磁爐，專(zhuān)業(yè)設(shè)備（醫(yī)療，通訊，LED顯示屏）等等。

隨著這些負(fù)載的應(yīng)用，造成供電系統(tǒng)的電流三相不平衡和諧波含量大大增加，給供電系統(tǒng)帶來(lái)很大的安全隱患。

我國(guó)目前的低壓側(cè)供電大都采用三相四線(xiàn)制系統(tǒng)，即A相、B相、C相、N相。供電系統(tǒng)中存在大量的單相負(fù)荷，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，各個(gè)單相負(fù)荷間均獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)會(huì)造成三相電流嚴(yán)重的不平衡，此不平衡電流流經(jīng)N線(xiàn)，再加上現(xiàn)在的單相負(fù)荷大都為電力電子設(shè)備，在其正常工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波電流，而根據(jù)三次諧波電流的特性會(huì)在N線(xiàn)上進(jìn)行疊加，最終N線(xiàn)會(huì)因系統(tǒng)不平衡電流及諧波電流疊加存在而出現(xiàn)過(guò)流、發(fā)熱，加速N線(xiàn)絕緣老化，甚至燒毀出現(xiàn)斷零的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)供配電系統(tǒng)的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的危害，同時(shí)引發(fā)火災(zāi)的機(jī)率大為增加。

1大概率電氣火災(zāi)事件分析

應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布了2020年全國(guó)火災(zāi)及消防救援隊(duì)伍接處警情況，其中電氣類(lèi)原因繼續(xù)強(qiáng)力影響火災(zāi)走勢(shì)，而線(xiàn)路問(wèn)題引發(fā)火災(zāi)占電氣火災(zāi)總數(shù)68.9%。

據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù)，近年來(lái)我國(guó)的社會(huì)用電量持續(xù)上升，由此帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增加，電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增大。

從電氣火災(zāi)的占比看，全年因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災(zāi)共8.5萬(wàn)起，占總數(shù)的33.6%，因目前還有1萬(wàn)起火災(zāi)原因尚未查明，預(yù)計(jì)后續(xù)該比重還將提高。

從電氣火災(zāi)的分類(lèi)看，因短路、過(guò)負(fù)荷、接觸不良等線(xiàn)路問(wèn)題引發(fā)的占總數(shù)的68.9%，因故障、使用不當(dāng)?shù)仍O(shè)備問(wèn)題引發(fā)的占總數(shù)的26.2%，其他電氣原因引發(fā)的占4.9%;其中電動(dòng)自行車(chē)引發(fā)的火災(zāi)不容忽視，特別是36起電氣引發(fā)的較大火災(zāi)中，有11起已查明系電動(dòng)自行車(chē)引起，占總數(shù)的30.6%。目前，我國(guó)新能源車(chē)全社會(huì)保有量逼近500萬(wàn)輛，由此帶來(lái)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)將持續(xù)增大。

2電氣三相四線(xiàn)制“零線(xiàn)”發(fā)熱原因探析

零線(xiàn)電流過(guò)大后長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，易導(dǎo)致零線(xiàn)老化，存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

主要是三相不平衡所產(chǎn)生的基波電流及非線(xiàn)性負(fù)荷的諧波電流所致。電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)要產(chǎn)生熱量，熱量與電流的平方成正比（I2R），當(dāng)電流達(dá)到相電流的1.5倍時(shí)，零線(xiàn)的發(fā)熱量會(huì)達(dá)到相線(xiàn)的2.25倍！

三次諧波電流在N線(xiàn)上的疊加現(xiàn)象，如圖1為三相和零線(xiàn)上電流波形示意圖。

另外，在一般配電系統(tǒng)中（TN-C，TN-S），雖然相線(xiàn)上有過(guò)流保護(hù)裝置，但零線(xiàn)上并沒(méi)有。過(guò)大的電流必然會(huì)導(dǎo)致零線(xiàn)絕緣加速老化，存在安全隱患。

怎樣做到零線(xiàn)的保護(hù)呢？

零線(xiàn)過(guò)流的危害日趨嚴(yán)重，根據(jù)近10年的統(tǒng)計(jì)，建筑電氣中，零線(xiàn)過(guò)流使得零線(xiàn)絕緣老化破損要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相線(xiàn)，分支回路中，由于零線(xiàn)過(guò)流老化導(dǎo)致的事故及跳閘也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相線(xiàn)。這些現(xiàn)象均是由高速增長(zhǎng)的單相AC-DC用電設(shè)備及其無(wú)穩(wěn)定性量化使用造成。這些問(wèn)題的產(chǎn)生均給電氣設(shè)計(jì)及用戶(hù)造成很大的困難。

根據(jù)GB1094-1-5《電力變壓器》規(guī)定：中性線(xiàn)電流應(yīng)不超過(guò)變壓器額定電流的25%，三相電流的不平衡度小于15%。而實(shí)際上，變壓器低壓側(cè)低壓配電回路一般比較多，低壓各回路的不平衡電流很難反映到電源端，也就是說(shuō)，在實(shí)際用電現(xiàn)場(chǎng)，電源端的三相不平衡率較低，而分支不平衡率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源端，再者，根據(jù)JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，零線(xiàn)載流設(shè)計(jì)中，零線(xiàn)金屬導(dǎo)體截面積宜為相線(xiàn)1/2以上或者與相線(xiàn)相同。

而現(xiàn)實(shí)中，分支回路的零線(xiàn)電流大于相線(xiàn)電流的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。一是各分支回路負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的三相不平衡電流是肯定的，而且越靠近末端，不平衡電流越大。二是各分支回路中單相負(fù)載產(chǎn)生的零線(xiàn)諧波電流是相線(xiàn)諧波電流的√3倍，電路中也存在嚴(yán)重的三次諧波。

總之，電能質(zhì)量污染引起的常見(jiàn)問(wèn)題歸納有以下幾點(diǎn)：

a）電纜發(fā)熱、絕緣體老化、引起火災(zāi);

b）零線(xiàn)過(guò)流、發(fā)熱、絕緣體老化、引起火災(zāi)及斷零事故;

c）開(kāi)關(guān)異響、開(kāi)關(guān)單相發(fā)熱易引起開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作;

d）零線(xiàn)電流善加導(dǎo)致變電所零序保護(hù)跳閘;

e）精密設(shè)備損壞、通訊信號(hào)失真、繼電器誤動(dòng)作;

f）中性線(xiàn)對(duì)地電壓升高、相線(xiàn)電壓異常波動(dòng)等等。

3電能質(zhì)量治理

目前中國(guó)的低壓電氣系統(tǒng)中，現(xiàn)有一款涉及對(duì)零線(xiàn)保護(hù)的治理：

終端電氣綜合治理保護(hù)系統(tǒng)：N-lineSyste T Rreatment Protection System.簡(jiǎn)稱(chēng)（NTPS）是對(duì)末端回路電流進(jìn)行檢測(cè)、分析，依照供電持續(xù)性、安全性的原則，治理諧波及三相不平衡，對(duì)精密設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，消除零線(xiàn)電流，具有實(shí)現(xiàn)零線(xiàn)過(guò)流的情況進(jìn)行過(guò)流速斷保護(hù)，定時(shí)限、反時(shí)限保護(hù)的電氣功能。在消除零線(xiàn)電流，取得保護(hù)的同時(shí)，為提高供電連續(xù)性，延緩電纜老化提供強(qiáng)有力的保證。

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，該終端電氣綜合治理保護(hù)系統(tǒng)主要是解決分支回路三相不平衡負(fù)荷和諧波治理相關(guān)問(wèn)題。如圖2為終端電氣綜合治理保護(hù)系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖。如圖為某一支路極不平衡負(fù)荷，其工作原理就是綜合治理保護(hù)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到三相不平衡電流后，自動(dòng)反饋輸出不平衡的電壓，相當(dāng)于提供1個(gè)電源補(bǔ)充到電網(wǎng)用電負(fù)載中，使得QK開(kāi)關(guān)的三相電流平衡，好像QK開(kāi)關(guān)抑制從電網(wǎng)中需要的電能。

NTPS就是針對(duì)不同不平衡的負(fù)荷，能提供不同的電源電壓供給三相不同的負(fù)載，使得總進(jìn)線(xiàn)電流趨向平衡，同時(shí)能抑制諧波，電網(wǎng)質(zhì)量能得到“凈化”。

收集資料，建模管理，將各支路運(yùn)行數(shù)據(jù)收集，建立智能控制大平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、系統(tǒng)自診斷、報(bào)表分析，指導(dǎo)功能改進(jìn)，達(dá)到所有問(wèn)題數(shù)據(jù)量化，真正做到智能化控制。

綜合治理后，對(duì)末端電能質(zhì)量的要求達(dá)到：

a）民用建筑電力系統(tǒng)三相不平衡度不得高于15%;

b）數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中性線(xiàn)對(duì)地電壓不得高于2V;

c）劇場(chǎng)建筑電力系統(tǒng)中性線(xiàn)截面積不得小于相線(xiàn)的2倍;

d）劇場(chǎng)建筑電力系統(tǒng)各次諧波電流不得超過(guò)限值要求。

4“綠色”評(píng)價(jià)針對(duì)電氣的意義

認(rèn)真分析電氣事件，應(yīng)從設(shè)計(jì)源頭要順應(yīng)時(shí)代潮流，不能存有短期效應(yīng)，在全壽命周期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染、為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑，要講究引入“綠色”概念，承諾按綠色建筑規(guī)范要求，設(shè)計(jì)安全可靠保質(zhì)經(jīng)濟(jì)的電氣項(xiàng)目。

綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居等5類(lèi)指標(biāo)組成，要應(yīng)遵循因地制宜的原則。

綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于電氣版塊考量的三大要素：節(jié)能、安全、智能（以及在各大要素中常見(jiàn)的用電設(shè)備）。

針對(duì)綠色建筑，通過(guò)對(duì)供電支路負(fù)載不平衡的危害分析，用電設(shè)備直接相互影響及存在的主要問(wèn)題有：

1）消防精密、智能調(diào)光、音頻設(shè)備等控制系統(tǒng)類(lèi)對(duì)供電頻率、供電電壓和電磁干擾等可靠性要求各項(xiàng)參數(shù)要求嚴(yán)格。

2）LED燈、屏 、UPS電源、變頻調(diào)速裝置類(lèi)對(duì)配網(wǎng)諧波污染、系統(tǒng)三相不平衡和配網(wǎng)電壓異常等方面要求嚴(yán)格。

總之，要真正明確“綠色”的涵義，使電氣管理、產(chǎn)品性能、電網(wǎng)處理綜合指標(biāo)等等要達(dá)到“綠色”化、安全可靠，這指導(dǎo)我們運(yùn)行維護(hù)管理有著十分重要的意義。

主要作者簡(jiǎn)介：吳桂林 男1967年生，漢族，湖北枝江人，高級(jí)工程師。一直從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化控制技術(shù)工作。通訊地址： 湖北·枝江·湖北三寧化工股份有限公司。