谈谈谐波对配电线路导体截面选择的影响

余悦兰



谈谈谐波对配电线路导体截面选择的影响

余悦兰

国立华侨大学建筑设计院

新颁布的《民用建筑电气设计规范》 JGJ16-2008第7.4.4条规定——当配电线路中存在高次谐波时，选择导体截面时应对载流量加以校正。该文探讨了该条规范在执行过程中的疑点和难点，并呼吁该条规范能进一步完善，避免谐波对配电系统安全可靠的运行造成不利影响。

配电线路 基波 谐波 电流 导体截面 校正

1 引言

据有关资料介绍，配电线路中的谐波电流会引起断路器误动作﹑分断能力降低，或者引起电气设备﹑配电线路过载（特别是未设保护电器的中性线严重过载），从而导致短路甚至引起火灾。

谐波来自于非线性设备在电网中的投入运行。在我们的配电系统中，大多数用电设备如气体放电灯﹑洗衣机﹑电视机﹑空调﹑计算机等都是非线性设备。它们投入运行后，其电压﹑电流波形实际上都是有不同程度畸变的非正弦波，它们会在配电线路中产生谐波分量，其中主要是奇次谐波。

但在以往的设计规范中，比如JGJ16/T-92，对配电线路的导体截面只要求按温升﹑短路热稳定条件﹑电压损失及机械强度来选择及校验，基本未提及谐波电流的影响。而《低压配电设计规范》GB50054-95第2.2.6条，提到“在三相四线制配电系统中，中性线的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响。”这只是考虑到中性线上可能存在的谐波电流。

《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.4.4条第3款中，提出“当线路中存在高次谐波时，在选择导体截面时应对载流量加以校正，校正系数应符合表7.4.4-3（摘录如表1）的规定……”。比较完整地提出配电线路（包括相线和N线）的导体截面的选择要考虑到谐波电流的影响。而未考虑谐波电流的影响可能会导致导体载流量小于配电线路（包括相线和N线）的计算电流，实际上也违反了JGJ16-2008中的强制性条文,即第7.4.2-1)条“……导体载流量不应小于预期负荷的最大计算电流……”。可见，该条规范对于配电系统安全可靠地运行具有重大的意义，因此必须在设计中切实贯彻执行。

表1 4芯和5芯电缆存在高次谐波的校正系数 （摘自JGJ16-2008表7.4.4-3）

但是，笔者在运用这条规范时，觉得有如下几个问题值得商榷。现提出来，并加以探讨。

（1）表中仅提到4芯和5芯电缆（即三相配电线路）存在高次谐波时的校正，那么单相回路是否要考虑谐波电流的影响？

（2）该条规范只提到在配电线路存在谐波电流的情况下，导体截面选择时要考虑载流量校正。那么，断路器的整定电流是否也应做相应的校正？

（3）表中仅提到按三次谐波电流的含量校正，那么有些用电设备的三次以上的高次谐波的含量很高时，这样的校正是否准确？

2 对上述三个问题的探讨

2.1 关于问题1：当线路中存在高次谐波时，单相配电线路的导体截面的选择是否应该考虑谐波电流的影响？

对于为非线性设备供电的单相二线制电路，它们的投入运行，仍然会在配电线路中产生谐波分量。线路的实际电流包括了基波电流和谐波电流。如果不做校正，当谐波含量较大时，线路的过载就会不可避免。

例如：一条为10台计算机供电的单相配电线路，每台计算机按300VA计，该支路的计算电流（即基波电流Ij）为13.6A，可选用BV-3*2.5 穿管明敷设（环境温度40℃的载流量为20A，依据04DX101-1）。

计算机设备的谐波含量较大，表2为某些型号计算机单台谐波电流测量值。参照该表，将本条配电线路的总谐波含量THD取为125%。考虑谐波电流后，配电线路的总有效电流及导体截面选择的结果列于表3。

表2 某些型号计算机单台谐波电流测量值(摘自《工业与民用配电设计手册》第3版 表6-32)

表3

设备容量/基波计算电流Ij总谐波含量THD(%)总谐波电流In=Ij*THD配电线路总有效电流Iyx导体截面（㎜2） 3000VA/13.6A125%17.0A21.8ABV-3*6

从上表可以看出，对于本条配电线路，原设计选用的BV-3*2.5㎜2其载流量为20A，小于配电线路的总有效电流。

由此可见，JGJ16-2008第7.4.4条，未要求单相配电线路的导体截面仍应根据谐波电流的影响对载流量加以校正，是不恰当的。

单相配电线路导体截面选择的校正方法可参照表3，根据线路中具体的谐波含量做计算。由于单相两线制配电线路，相线和中性线的电流相等，中性线应与相线选用同等截面。

另外，当同一相的用电设备为不同种类的谐波源时，比如一条照明线路上接有谐波含量不同的荧光灯及吊扇，谐波电流的计算方法参照《全国民用建筑工程设计技术措施2009电气》(以下简称为”措施”)的公式5.7.5-5及5.7.5-6，这里不再赘述。

2.2 关于问题2：断路器的整定电流是否要考虑谐波电流的影响？

在前面的例子中，在做谐波校正前，配电线路的总有效电流为13.6A可以选配16A的断路器；计及谐波电流的影响后，配电线路的总有效电流为21.8A。由于配电线路的谐波是实际存在的，谐波电流的发热作用能降低断路器的热元件的动作电流。因此，原设计选用16A的断路器，整定电流比线路的总有效电流小，当线路满负荷运行时，就会造成断路器长延时脱扣器动作于跳闸断电。因此，断路器的长延时脱扣器的整定电流也应考虑谐波电流的影响并加以校正。在上例中，该配电线路总有效电流为21.8A，应选配25A的断路器。

事实上，工程实际中发生的断路器跳闸事故，有些可能就是谐波引起的过电流，而常常被人们简单地归因于短路﹑漏电﹑更换或增加用电设备引起的过载等。

2.3 关于问题3：配电线路导体截面校正时是否只需考虑三次谐波的影响?

JGJ16-2008第7.4.4条的校正系数表中校正系数的选择是根据相电流中三次谐波电流分量的多少来确定的，但实际上许多用电设备的三次以上的高次谐波的含量很高。

比如，从表2我们可以看到，计算机设备的5﹑7﹑9次谐波的含量是相当高的。以表3中的AST奔腾586为例，该款计算机的 3﹑5﹑7﹑9次谐波含量分别为88.9%﹑75%﹑55.6%﹑36.1%。

另外，有些设备如三相UPS设备，它的5次谐波含量很高，但不含有3次谐波。比如，以“措施”表5.9.5-9 中提到的三相UPS设备为例，负载率为10%的话，相线的基波电流为Ij=48.4A，3次谐波含量为0，总谐波含有率为THD=58.5%，计算结果如表4。

从表4可以看出，中性线上的电流远大于相线电流。如果不做载流量校正，直接按Ij=48.4A选择导线截面，中性线将严重过载。但是，依照校正系数表（即表1），按三次谐波分量的含量来判断，就会得出该UPS设备的配电线路的导体截面的选择不需做校正的结论，这显然是不对的。

表4

相线基波计算电流Ij总谐波含量THD(%)相线总谐波电流In=Ij*THD相线总有效电流Iyx中性线电流Io= 3*In 48.4A58.5%28.3A56.1A84.9A

事实上，在JGJ16-2008表7.4.4-3的附注中就写到“当预计有显著（大于10%）的9次﹑12次等高次谐波存在时，可用一个较小的校正系数。”这实际上也是要求在高次谐波的含量较高时，不能仅考虑三次谐波的影响。但这条附注未给出一个较明确的做法，设计工作中不便执行。

3 该条规范执行中的难点探讨

首先，为了便于说明问题，笔者按表1的方法根据高次谐波含量将常见用电设备分类如下，见表5。

表5 据有关资料显示日常用电设备的高次谐波电流含量如下

3.1 三相配电系统中性线上电流的计算方及导体截面的选择

JGJ16-2008第7.4.4条第3款中还规定，“当预计中性导体电流高于相线电流时，电缆截面应按中性导体的电流来选择”。根据这条规范的相关规定，当相线的高次谐波（指奇次）含量大于33%时，中性导体的电流就比较大，甚至有可能超过相线电流。那么如何计算中性线上的电流呢？

三相平衡系统中，中性线上的不平衡电流为0。各相谐波电流在中性线上互相叠加，因此中性线的谐波电流为各相谐波电流之和。

例如：有一个学校的计算机教室有60台学生实验用的计算机，每台的用电量仍按300VA计。每相各承担20台计算机用电。这是一个三相平衡的配电系统，各相的计算电流为Ij=300*60/（√3 *380）=27.3A，在不考虑谐波影响时，选择32A断路器及YJV-5*6的电缆穿管明敷设（环境温度40℃的载流量为40A，依据04DX101-1）即可满足要求。

由于THD大于55%，按表一的要求，应按中性线的电流做校正，因此首先应计算出中性线的电流。

计算机设备的谐电流基本为3﹑5﹑7﹑9﹑11﹑13次，各相谐波电流在中性线上互相叠加。因此，这个配电系统中，中性线的不平衡电流为0，且谐波电流为各相谐波电流之和。

表6

设备容量/相线基波计算电流Ij总谐波含量THD(%)相线总谐波电流In=Ij*THD相线总有效电流Iyx中性线电流Io= 3*In 18000VA/27.3A125%34.1A43.7A102.4A

根据计算结果，首先按相线的总有效电流选择50A断路器；其次将中性线的电流按表一除以校正系数1.00后，需选择YJV-4*35+1*16的电缆（环境温度40℃的载流量为116A，依据04DX101-1）。

通过这个例子也可以看出，考虑谐波电流引起的载流量校正后，选用的断路器及电缆规格与原设计有很大的不同。不过由于相线的总有效电流较小，事实上选用BV-4*16+1*50（N）的导体，将N线特别加大，也可以满足要求。

3.1.2三相不平衡系统

三相不平衡系统中，中性线上存在不平衡电流。因此，中性线上的电流除了谐波电流外，尚应计及此不平衡电流。

综上所述，在建筑工程项目的设计过程中运用BIM技术，可以有效缩短工期，从而减少施工成本。同时还会促进建筑设计企业工作水平的不断上升，从而在保证建筑设计企业经济效益的同时获得社会效益，保证其可持续性发展。

由有关的分析可知，中性线的不平衡电流为各相基波电流的向量和，它也是一个正弦波，其最大值发生在电流次大相过零时。该中性线不平衡电流的最大值为最大相基波电流与最小相基波电流之差的0.866倍，且为其有效值的√2倍。由此可得：

中性线不平衡电流的有效值=0.866/√2*(最大相基波电流-最小相基波电流)=0.61*(最大相基波电流-最小相基波电流)

比如，上一个例子中，由于某种原因，60台计算机设备未平均分配在电源的三相上，其中L1相23台，基波计算电流为31.4A(最大相)；L2相20台，基波计算电流为27.3A；L3相17台，基波计算电流为23.2A（最小）。那么中性线上的不平衡电流有效值为：

(31.4-23.2)*0.866/√2=5.0A

中性线上的谐波电流仍为这60台计算机设备的谐波电流之和，为102.4A。最后可得中性线上的有效电流为：

Ioyx=102.5A

可见，对于三相基本平衡的系统，中性线上主要是谐波电流，中性线的不平衡电流很小，甚至可以忽略不计。因此，在设计时应尽量保持三相平衡，这样可以有效地降低中性线上的电流。

3.1.3配电柜（箱）中的N母排导体截面的选择

配电柜（箱）中的N母排为配电线路N线电流的汇聚点，其导体截面的选择也应考虑到谐波的影响。

传统的观念中，一般都认为三相配电设备中的N排电流远小于相线汇流排的电流。因此配电箱厂出厂的配电柜（箱），N排常使用比相线汇流排小得多的导体。对于电子设备较多的系统，如本文中的第2个例子，由于N线总电流远大于各相电流，因此N母排上通过的电流也远大于相线汇流排。如果该例中的配电箱仍然不考虑加大N母排， N母排过载的情况就不可避免。由于N线上一般不装设保护电器，N母排过载的情况将长期存在，直到引发安全事故。

3.2 问题2：在民用建筑中，配电系统中的各种设备的谐波含量各不相同，如何按表1选用校正系数？

当配电线路上连接的用电设备，其高次谐波电流分量在同一范围内，且均属于表2中的Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ或Ⅳ类。这种情况最为简单，直接求出相应的计算电流后，再除以校正系数即可，不必另行计算谐波电流及总有效电流。

但正常情况下，一个配电系统上连接的各种用电设备，它们的谐波含量各不相同，可能分属于Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ或Ⅳ类，这时就不能直接选用某一个校正系数来计算。只能按本文前面提到的计算方法，分别计算出各相线及中性线的谐波电流及总有效电流，然后按最大的电流来选择导线的截面，这里不再赘述。

4 结论

综上所述，笔者认为，JGJ16-2008第7.4.4条第3款对于高谐波配电线路的导体截面的载流量校正的规定有待完善，对于谐波含量较大的单相回路的导体选择，以及对于断路器的整定电流都应该要考虑谐波的影响；并且尚应计及含量较高的三次以上的高次谐波的影响。

另外，笔者认为有关的设计基础数据还很不完善，比如很多的用电设备缺乏谐波含量的有关数据。而且，在实际的设计工作中，每条配电线路都分别去计算谐波电流及总有效电流很是繁琐，不便于设计执行。因此，笔者呼吁有关规范能按建筑物的功能分类，给出各类性质的建筑物，比如住宅楼﹑宿舍楼﹑办公楼等的谐波校正系数，便于设计人员在校正断路器整定电流及配电线路导体截面时有据可依。