民用低压配电线缆谐波过载问题分析

2011-02-09金春花

重庆电力高等专科学校学报 2011年3期

金春花，蒋燕

（1.重庆忠县供电公司，重庆忠县 404300;2.重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

0 引言

近年来我国电气火灾与年俱增，已接近火灾总数的30%，居火灾原因的首位。电气火灾中又以线路短路火灾居多，约占电气火灾的40%，因此，电气火灾防范的重点是防范线路短路。造成短路事故的原因有很多，而线路因过载加剧绝缘劣化以致失效而引起短路是较为重要的原因之一。

我国电气火灾案例中常将线路的过载和短路并列为电气火灾的起因，这是一个理论上的谬误。国际电工标准IEC364-4-43将短路的后果描述为导体和连接处的热效应和机械效应引起的危险，而将过载的后果描述为对绝缘﹑接头端子或周围物体造成损害而非危险，过载不会直接起火，它只是引起短路起火的原因之一。也就是说，导线如果持续过载将使绝缘劣化导致短路起火。究其根本原因是短路引起火灾［1-4］。分析引起短路的原因，并采取切实有效措施，才能从根本上抑制电气火灾的高发事态。

由于近年来大量采用开关电源的用电设备进入民用领域，其非线性的负荷性质导致大量谐波进入低压配电系统。现行建筑电气设计规范对大量非线性负荷场所的线路选择未作定量的规定，实际系统设计过程中一般没有着重考虑该问题，并且可操作性也不强。加之民用系统中的非线性负荷具有单台容量小、数量大、分散性强，也给谐波过载的计算造成困难。论文对此展开研究，通过对实测数据的分析，提出了民用低压配电线缆截面选择的修正方法。

1 线缆过载原因分析

在建筑电气工程设计中，导线和电缆截面选择的约束条件主要有:满足允许发热(最高温升)要求;满足线路电压损失要求;满足机械强度要求;满足热稳定要求等。其中满足允许发热(最高温升)要求往往是低压配电系统线缆选择的最苛刻要求。

金属导线或电缆中流通电流时，由于导体电阻的存在，使导体产生热效应，导致导体温度升高，同时向导体周围介质散发热量。导体或电缆的绝缘介质，所允许承受的最高温度ta必须大于载流导体表面的最高温度tm，即ta＞tm，才能使绝缘介质免于被破坏或老化加剧。目前导致低压配电线缆过载的主要原因如下。

1.1 允许持续载流量偏大

线缆的允许持续电流是指导线能承受的长期工作电流，在此电流的作用下，其最大温升不超过允许温升。对单芯电缆而言(以下论述均以单芯电缆为例)，在稳定温升时，导体在持续电流Iz的作用下，其满足该温升条件的最小截面由下式确定:

式中:t1——导线的稳定温度(℃);

t0——周围环境的温度(℃);

d——导线的直径(mm);

g——导线的电导系数(Km/Ω·mm2);

KS——散热系数(W/cm2·℃)。

我国等同采用国际电工标准(IEC标准)的载流量国家标准已通过审查，但尚未颁布。目前现行设计手册中提供导线和电缆的载流量较IEC标准的载流量偏大，因此线缆可能长期运行在过载状态下，不能被过载保护装置及时发现，造成安全隐患。

1.2 谐波过载

对于相线来说，只要按要求对线路配置了过载保护，当相线过载时，即可由保护装置动作跳闸，避免过载线路的长期运行，从而防止过载造成的短路故障。但是，中性线是不设保护装置的，当中性线过载，而相线并不过载时，无法得知其过载运行状况。对于向大量非线性负荷供电的线路来说，非线性负荷产生的3及3的倍数次谐波，在中性线上是代数相加关系，当其含量足够大时，完全可能造成中性线过载，且不易发现。这就是谐波过载造成的电气火灾隐患，需要仔细研究，加以防范。

2 含谐波时的设备电参数计算

在理想的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。但采用开关电源的用电设备，如:电子镇流器荧光灯、计算机、显示器、微波炉等，运行时将产生大量谐波，增加了线路中无功功率的含量，致使总功率因素降低，流经低压配电线缆的电流有效值增大。并且，各相线3次及3的倍数次谐波电流流经中性线，叠加后大大增加了流经中性线的电流值，严重时甚至会高于相线电流。

图1直观地描述了此问题。各相三次谐波电流在中性线上处于同一相位上，它们不是互相抵消，而是互相叠加(其3的倍数谐波电流也是如此，图中未表示)。可见中性线电流不再为零，当三次及其奇数倍谐波电流含量大时，中性线电流可能等于甚至超过相线电流。

单相非线性设备的电流有效值、谐波电流含量、总谐波畸变率及总功率因数，可依据公式(2)～(4)进行计算。

式中:I1—— 基波电流(A);

Irms—— 设备额定电流(A);

THD——总谐波畸变率;

HRIh——h次谐波电流含有率。

图1 三次谐波电流叠加效应

3 民用建筑中非线性用电设备的谐波状况

民用建筑中主要的非线性设备(即谐波源设备)有紧凑型荧光灯、电脑主机、手提电脑、微波炉、显示器、电视机等，首先在标准电压源情况下分别对多个品牌和功率的设备进行谐波含量测量，结果如表1所示。可见，各非线性设备的谐波电流含量和总谐波畸变率都是很高的。

表1 常用非线性设备的谐波状况

4 民用建筑中非线性用电设备导致的中性线谐波电流分析

所谓谐波过载是指中性线上谐波电流超过中性线允许载流量。在三相系统中，各相的3及3的倍数次谐波电流在中性线上是呈叠加关系的，从表1可以看出，这些设备的3次谐波含量远高于其它3的倍数次谐波。同时，实验数据表明，不同设备的3次谐波之间的相位相差很小，即分散性很小;而其余3的倍数次谐波之间相位差较大，即分散性较大。因此，为简化问题的分析，只考虑3次谐波在中性线上的叠加。

实际运行时，不同设备按使用者的需求进行组合，对外呈现出组合后的谐波状态。假设每户住宅按紧凑型荧光灯5只、电脑主机2台、手提电脑1台、微波炉1台、显示器2台、电视机1台同时运行计，此时的3次谐波电流为3.42A，而相应的基波电流为6.423A，总电流有效值为7.67A。由于这些用电设备都是单相设备，假设住宅用户均匀分布在三相，3次谐波在中性线上叠加，则中性线上电流与相电流(总电流)之比为1.34，即中性线上电流大于相线电流。对于非线性负荷使用时的其他组合方式的分析，可以得出近似的结论。

因此，在中性线导线选择时，除应按照目前规范规定的方法确定中性线截面，还应根据非线性负荷的实际安装容量和谐波含量，充分考虑谐波，尤其是3次谐波可能造成的中性线电流增加，并据此放大其截面。