谐波电流引起的回路过载及其防护

陈伟志

（张家口市建筑设计院，河北张家口075000）

当电气装置中存在大量的谐波电流时，变压器，电动机等电气设备会因之发热而降低工作效率，电气回路导体会过载发热，过电路保护器也会频繁跳闸，甚至引起电气火灾和其他安全事故.下面首先就电气装置中谐波电流的起因做一探讨.

1 谐波电流产生的起因

电气装置中的谐波电流可源于公用电网，也可源于电气装置内部的非线性负载，一个电气装置内产生谐波，不仅危害自身，也会影响其它用户的电气设备.

1.1 线性负载和非线性负载

电气负载一般有线性负载和非线性负载之分，若对一电气负载施加一正弦电压，其产生的电流也一定是正弦波，这类负载称为线性负载，如果対一电气负载施加一正弦电压时，其产生的负载电流为非正弦波，这类负载就称之为非线性负载.如开关式电源，气体放电灯，变频调速设备等.

1.2 非线性负载中电源线路阻抗和谐波的关系

对于非线性负载当加上正弦电压激励时，会产生非正弦电流，也就是所谓的谐波畸变电流，当此畸变电流通过线路阻抗时（一般为线性的）将在其上产生有畸变波形的电压降，这就又使其后端电压波形也产生畸变，此畸变的电压施加到负载上，使线性负载上的电流波形也产生畸变，这样这一回路的电气装置内的电流和电压波形就都发生了畸变而携带各次谐波，其产生的根源就在于装置内部存在的大量的非线性负载.而在实际中又不能因为负载为非线性产生谐波而不使用这类负载.所以，电气装置中的谐波电流产生是不可避免的.

2 谐波电流导致相线和中线过载

2.1 相线过载

电气回路中除50Hz负载电流外，还存在其他高次谐波电流.在三相四线供配电系统中，相线会因此而过载，具体表现是：过电流保护器频繁动作，但所测得电流却往往未超过其额定值或整定值，这是因为一般常用的电磁式电流表的指针偏转是按电流平均值，而过电流保护器热脱扣器元件是按电流有效值动作.电流波形为正弦波时，平均值与有效值的比值是固定的，电流表能按此比值正确的反映有效值电流.而当相线内存在谐波电流时，此比值已非固定值，其比值将随电流波形的变化而变化.一般电流表指针偏转角较小，而不能正确反映含有谐波电流的有效值，为此需要采用能按热效应测定有效值电流的电流表來进行测定，这种表称为真实方均根值表.上述问题在实际工作中存在的危险是，对于不太了解电气安全的人，在遇到上述情况时，常常误认为是断路器，熔断器额定电流太小，而更换电流更大的断路器和熔断器，而不更换相线的横截面较.这就留下很大的安全隐患，其后果是相线过载而电流保护器不动作，最终可能因回路长期过载而导致短路和各种电气灾害发生.

2.2 中线过载

谐波电流能引起相线过载，但在实际工程中最常见的还是三相四线系统中的零线过载.过去，因非线性负载少，人们不怎么重视谐波过载的危害，认为零线只通过三相不平衡电流，其值很小，所以在设计和实际使用中，中性线截面积只取相线截面积的二分之一甚至三分之一.随着大量非线性负载的应用，谐波电流特别是3的奇数倍的谐波电流的大增，例如主要用气体放电灯做光源的商场、写字楼等场所的照明回路，在三相四线供电中采用大功率变频调速的供热、供水系统的电气回路等，这些情况将造成中性线严重过载；因为对称的三相交流电加在非线性负载上将产生三个对称的非正弦交流电流，它们在时间上依次相差三分之一个周期，但产生变化规律相同，根据傅里叶级数将此三相电流展开；

现取k为奇数，若k＝6n＋3，n＝0，1，2，3，……，即k＝3，9，15，21，……时，则各相中系列谐波电流的初相分别为；

可见这些谐波中，每一次谐波都是等幅同相的，工程上称之为三相对称零序电流，这些零序电流和三相不平衡电流都要通过中线，在中线上形成叠加，导致中线电流与相线电流接近甚至超过.如果在设计、施工中对此认识不足，仍采用中线截面积为相线截面积的二分之一或三分之一，则中线过载将不会避免.

3 防谐波电流过载的导线截面积的选择

3.1 导线截面积的选则

我国已颁布的等同采用IEC标准载流量的国家标准《建筑物电气装置》第五部分与《低压配电设计规范》（GB50054－2011）.

在IEC标准中，三相四线回路采用多芯电缆或穿管导线时，不论回路带电导体数为三根或四根，其载流量都按三相负载平衡时三根带电相线发热来标定.即使三相电流不平衡，中线带电流也是如此，这是因为它将电缆或穿管导体视作一个综合发热体来考虑三相电流不平衡的，中线增加的热量可由电流较小的相线的欠发热来抵消，回路总发热量没有变化.

在三相电流平衡且有三次谐波电流的情况下，并没有相线欠发热，反而因谐波电流的存在而增加发热，中线则因谐波电流的叠加而更热，为此，当谐波电流含量超过一定的百分数时，需要考虑一个载流量降低系数，来增大中线截面，其值见表1：

表1 电缆或穿线管导线三相四线回路存在谐波电流时的降低系数

当三相四线回路导线在空气中有间隔地明敷时，其热量可自由散发而互不影响，即可以不按综合发热体来考虑，而是按每根导线的实际电流（包括谐波电流）分别确定其截面积，不需考虑降低系数.

下面通过两例来说明穿管暗敷导线和明敷导线在回路中有三次谐波时截面积的选择.导线均为铜芯穿PVC绝缘管，工作温度为70℃，环境温度为30℃，穿管导线在非热源墙内暗敷，明敷导线利用绝缘子在墙上水平敷设.按IEC标准这两种方式的载流量见表2：

表2 IEC标准部分穿管暗敷导线和明敷导线三相回路载流量

上表中三相回路的载流量，不论导线数为三根，四根还是五根，也不论中线有无电流，都是只按三相负载平衡，三根相线通过相同的电流发热来确定网络的负载电流，它视整个回路为一个综合发热体.

例一：一三相四线回路在一般非热绝缘墙内穿管敷设，三相电流基本平衡，负载电流为60A，试确定三次谐波电流含量分别为20、40，、60时导线的截面.

解：1）谐波电流为20时；

中线电流 IN＝60×0.2×3＝36（A） 查表1：应按相线电流取0.86的降低系数，得设计电流：＝71.2（A），再查表2，可知应选用：4×25mm2的导线.

2）谐波电流为40时；

中线电流 IN＝60×0.4×3＝72（A），查表1：应按相线电流取0.86的降低系数，得设计电流：＝83.7（A），再查表2，可知应选用：4×25mm2的导线.

3）谐波电流为60%时；

中线电流 IN＝60×0.6×3＝108（A），查表1：应按中线电流取1的降低系数，得设计电流：＝108（A），再查表2，可知应选用4×35mm2的导线.

例二：同例一，但负载电流为275A，敷设方式为沿墙明敷，用绝缘子水平敷设.

按IEC标准，当线路与其邻近的其它物体的空隙大于多芯电缆外径的0.3倍，或大于单芯电缆外径1倍时，就可将电缆（导线）的载流量取为在导体发热量不受阻碍地自由散发在空气中敷设时的载流量，此载流量即表2中墙面上明敷时的载流量，这样可分别按导线各自通过的电流选取导线的截面积，不必视回路为综合发热体在电流计算中计入降低系数，为此有；

解：1）谐波电流含有量为20%时；

查表2确定导线截面积为3×95mm2＋1×50mm2.

2）谐波电流含有量为40%时；

查表2确定导线截面积为；3×95mm2＋1×120mm2.

3））谐波电流含有量为60%时；

查表2确定导线截面积为；3×120mm2＋1×240mm2.

由以上两例可知，当回路中有大量三次谐波电流时，不仅中线截面积需要增大，相线截面积也要增大.还需说明的是：如果回路中还存在三次谐波奇数倍的电流，其含量超过10%或存在三相不平衡的50 Hz交流电流，其不平衡度大于50%，则还需视情况酌量增大导体截面积.

4 结 论

以上主要从工程实践出发，结合作者多年的工作实际，论述了谐波电流产生的原因及对回路导体造成的危害并示例说明在设计和施工中如何参照IEC标准来正确地选择导线的截面积，以防止回路过载，写出来与大家共同探讨，不妥之处请予以指正.

［1］《电路原理》.范承志.机械工业出版社，2001

［2］《低压电气设计规范》.2012－06－01实施

［3］《住宅建筑电气设计规范》.2012－04－01实施

［4］《注册电气工程师设计手册》.朱林根.中国电力出版社，2005