谐波电流，一个容易被人忽视的环节：第16届亚运会体育照明经验分享

2012-07-30陈智敏广州市重点公共建设项目管理办公室广东广州510006

智能建筑电气技术 2012年3期

陈智敏（广州市重点公共建设项目管理办公室，广东广州 510006)

1 引言

2010年,广州成功举办了一届高水平、有特色的亚洲体育文化盛会，得到了亚奥理事会、各国代表团以及亚洲各国各地区的高度赞誉。作为亚运会和亚残运会比赛场馆建设中重要一环的场地照明系统，也得到大家的肯定和好评。

亚运会和亚残运会总共有83个场馆，其中比赛场馆53个，除室外白天比赛的个别项目外几乎每一个场馆都要求设置场地照明系统。场地照明系统直接影响该场馆能否举行比赛，因此所有场馆的场地照明均严格按照《体育场馆照明设计及检测标准》、《亚运要求》以及电视转播要求设置。结合现场实际情况，顺利组织实施了各项工作。但其中也有“鲜为人知”的故事，笔者就其中一个容易被忽视的场馆照明三相电路中零线谐波问题与大家分享。

2 发现问题

亚运会开幕前夕，施工单位反映：某比赛场馆场地照明系统零线电流过大。经过对该馆场地照明系统配电、灯具及控制系统的详细检查，总体场馆照明三相电路中各相电流基本平衡，而零线总电流过大，其余没发现异常。

该场馆比赛场地采用金属卤化物灯作为照明灯具；系统采用双回路供电，每回路设置的两个电源各来自于低压系统不同母线段（其中一段比赛时由发电机供电），通过ATS转换选择开关，各对50%的场地灯具供电。照明配电示意简图见图1。

场地照明灯具在稳定运行状态下测得各照明配电柜各相电流详细数据如下：

1#照明配电柜：A相电流：329A， B相电流：331A，C相电流：318A，N线电流：210A；

2#照明配电柜：A相电流：360A， B相电流：358A，C相电流：368A，N线电流：212A；

临时单独拉三相电线供三盏灯，三相电流为5.67A、5.7A、5.64A,对应零线电流为5.8A、5.9A、5.3A，总零线电流为2.73A。

将上述测试结果汇总为表1。

表1 三相照明电路各相电流测试结果

众所周知在正弦三相电路中若负荷对称其电流也基本对称或相近，在正弦三相电路中各相的电压电流有120°的相位差，因此，负荷对称的正弦三相四线电路中零线的电流向量和应为0，即N线电流应没有或很小。在实际工程中做不到百分之百的三相负荷对称，其N线电流应仅有少量的不平衡电流。但此工程的N线电流之大引起了相关各方的重视。

3 问题分析

经检查施工现场符合设计要求，各相运行电流基本平衡，没有发现接线错误或灯具故障等明显问题。

我们组织对供电系统的谐波进行检测，发现整个系统总体电源电压畸变率只有不到1%左右，配电箱端的电压谐波也基本与系统一致，符合国家相关标准规范要求。

经各方分析，认为该类问题不在供配电系统，而有可能主要出在照明灯具本身；我们初步分析认定该问题是由照明灯具产生的高次谐波引起的。为了检验和证实，我们对多个类似使用220V单相金卤灯的体育场馆项目进行了检查，其结果不出所料。不同场馆、不同灯具生产厂家及不同施工单位，但检测末端配电箱，其三相负荷和电流基本平衡，仅有一相电流会稍小，总体上均有较大零线电流，约为三相线电流平均值的45%～65%。

为此，我们与照明供应商进行沟通，再次明确亚运会的重要意义和责任感，要求厂家以负责任的态度，处理问题，找出原因、确保安全。生产厂家也积极的给予了支持和配合，最终明确回复：中性线较大电流产生的主要原因可能是由气体放电灯工作电流的高次谐波造成的。

该场馆采用1000W HID 金属卤化物光源作为主要照明光源，并采用电感式镇流器驱动，而所有采用电感镇流器驱动的高强度气体放电灯(HID)，都经过触发器产生高压方波，其工作原理如图2所示。

图2 高压气体灯工作原理图

在接通电源的瞬间，电源电压经镇流器加到触发器和灯泡两端，灯泡不亮时电阻很大，呈开路状态；触发器在电源电压（220V）下立即开始工作，并产生3kV以上的脉冲高压，施加在灯泡L两端，将灯泡L内常温元素激活成气体并击穿。这在灯泡两端就产生近似方波，电压波形在其灯电流中均有谐波失真，而方波的存在必将会产生高次谐波，如图3、图4所示。

国际标准IEC61000-3-2：2001（等效国家标准GB17625.1—2003）规定功率大于25W的照明设备，谐波电流不应超过表2给出的限值。

表2 C类设备的谐波限值

在现实的场馆中照明系统的三相照明电路中三相负荷基本对称，但导致零（N）线上产生较大的电流，是否由于照明灯具有高次谐波的存在而引起的，是要进行认真探讨的。我们按厂家提供的数据和在现场实测（见表1）的数据估算，每相照明灯具工作电流产生的零（N）线电流比相电流约低20%；三相照明灯具工作电流产生的零（N）线电流与相电流相比，约为相电流的20%×3=60%。虽然这种现象对于场馆的照明灯具正常工作与照明供配电系统没有产生不利的影响，但为确保亚运会能安全顺利地进行，我们必须找出其原因。为此，我们也咨询了国家建筑工程质量监督检验中心和有奥运经验的国内知名专家。据专家介绍，这个现象在北京奥运场馆也有出现过，同样未对场馆的照明灯具正常工作与照明供配电系统产生不利的影响。

在与相关各方对该现象进行了分析研究之后，发现这些场馆照明配电回路中的零线电流大，主要是照明三相电路中的照明灯具产生高次谐波造成的，具体分析如下。在三相电路中其各相电压的瞬时表达式如式1所示：

把（1）中各相电压展开成傅里叶级数，则有：

式中的k取奇数即1,3,5,7……

即：

由上述式中可得出，基波和7次谐波等分量各相振幅相等，相位差各为2π/3，相序变化依次为A→B→C→A，因此构成正序对称三相系统。可推得k=6n+1(n=0,1,2,3,4)即1,7,13,19……次谐波分量都组成正序对称三相组。

各相中5次谐波分量振幅相等，相位各差2π/3，但相序变化次序为A→C→B→A，故构成对称三相负序系统。可推得k=6n+5(n=0,1,2,3)即5,11,17,23……次谐波均组成负序对称组。

各相中三次谐波分量振幅相等、相位相同，这样的三相系统称为对称零序三相系统。可知即3,9,15,21……次谐波均构成零序对称组。

图5 正序、负序和零序向量图

这样三相非正弦周期对称电动势中的各个同频率分量分成了正序，负序和零序三类不同的对称组，即正序对称三相组、负序对称三相组和零序对称组。

这些比赛场馆照明配电均采用三相四线系统，在这些基本对称三相四线电路中的正序和负序对称组其各相的电压电流有120o的相位差，所以它们的向量和也基本为0（见式 3），在零线中不会产生电流；即零线电流中不含正、负序电流。

在这些基本对称三相四线电路中的零序对称组的电压电流如下所示：

图6 三相四线系统电路原理示意图

从式4得知在三相四线电路中零序谐波组在零线电压不为0，由于零序谐波组振幅相等、相位相同，零线中零序电流是相线中零序电流的三倍。因此，零序谐波组是造成这些体育比赛场馆照明三相四线电路中的零线电流大的最主要的原因。

4 处理问题

对于气体放电灯由于非线性电气特性能产生高次谐波的现象，一般电气设计人员均能普遍认识。但对于照明气体放电光源的高次谐波中的零序谐波组，在体育比赛场馆照明负荷基本对称的三相四线电路中造成零线电流大的现象就容易被忽视，尤其是在三相四线的安装照明负荷基本平衡的情况下，容易误认为三相四线系统的零线没有电流或电流不大。此时若使用零线为小截面的4芯（或5芯）电力电缆，就容易造成零线电流值超过电缆导线的安全载流量，造成电缆发热而带来不良的后果。

从亚运会的体育比赛场馆三相四线照明配电图（见图1）上来看，照明配电盘到照明灯具间的线路均按单相电路设计，没有共用零线；照明配电盘到低压配电室采用的是5芯等截面的封闭母线，不存在零线截面小和零线电流值超过导线的安全载流量的问题。根据以上数据和分析，大家认为在亚运会的体育比赛场馆照明三相四线电路中零线电流存在，基本还是属于正常现象，正常情况下无需采取额外措施。

亚运会体育比赛场馆照明的三相四线电路中零线电流大的现象基本没有发现对其他设备造成影响和损坏，因此，在已考虑以下因素的情况下，可以不做主动消谐。

(1)所有三相四线系统中导线的零线截面积不得小于相线截面积，应采用等截面的电缆或母线；

(2)所有零线开关的最大允许电流不小于相线开关；

(3)所有从照明配电盘到照明灯具间的线路均按单相电路设计，不共用零线；

(4)变压器、发电机和负荷总容量应考虑合理余量；

(5)从安全出发，要求运行人员要加强巡视，监测各线路电流与导线运行温度。