安科瑞 劉芳 18860995107

1 引言

隨著現(xiàn)代建筑與工業(yè)領域中 LED 照明、變頻設備、計算機及辦公通信等非線性負載大量應用，三相四線制供配電系統(tǒng)面臨日益突出的電能質量問題。由 3N 次零序諧波匯聚、三相不平衡等因素引發(fā)的 N 線電流過大現(xiàn)象，極易導致零線發(fā)熱、絕緣老化，甚至引發(fā)電氣火災，對供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行構成嚴重威脅。

針對零序諧波在中性線疊加導致過流的核心問題，當前研究多采用磁通補償、零序濾波、曲折接線電抗器等技術路線，在抑制諧波、消除零線過流等方面取得一定成效。本文在此基礎上，提出一種基于 N 線電流過大的終端電氣綜合治理方案，旨在從源頭抑制零序諧波、平衡三相電流，為低壓配電系統(tǒng)提供安全、高效、可靠的治理技術支撐。

2 N線電流產(chǎn)生機理

2.1 N線電流產(chǎn)生的原因

在實際項目現(xiàn)場中，一般由于3n次諧波和三相不平衡引起的N線帶電情況尤為常見。尤其商業(yè)廣場或體育中心廣場存在著大量LED熒光燈/泛光燈和LED屏等設備，將導致N線帶電的問題。其負載類型為開關電源型，并存在以下特點：

1）負載諧波含量豐富。當內(nèi)部的開關器件工作在高頻開關狀態(tài)時，會使得輸入輸出電流和電壓波形發(fā)生畸變，諧波電流主要以3次諧波電流為主，電流畸變率THDi一般在70%-120%之間，同時還包含高次諧波。

2）開關電源常采用功率因數(shù)校正（PFC）技術，因此無功特性一般表現(xiàn)為容性無功居多，功率因數(shù)在0.9以上。存在電容器的現(xiàn)場若主動投入電容器，反而會使系統(tǒng)無功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)快速降低的問題。

表1為3次諧波源負載及諧波分析。

表1 3次諧波源負載及諧波分析

2.2 N線電流產(chǎn)生的原因

針對0.4kV的低壓配電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)N線帶電的異常情況，一般有下列幾種因素：1）A/B/C三相負載電流不平衡；2）非線性負載設備產(chǎn)生3n次諧波電流；3）N線斷路，阻抗無窮大，電流無法通過N線形成閉合回路，負載設備側的中性點電位不再為零，發(fā)生偏移；4）N線和接地保護PE線混接；5）A/B/C相線與N線之間絕緣層損壞，致使相線和N線之間產(chǎn)生漏電；6）接地故障，在TN-S系統(tǒng)中中性點接地電阻過大或接地不良，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點電位會升高，使N線帶電。

3 終端電氣綜合治理解決方案

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案由終端電氣電能質量綜合治理設備、物理網(wǎng)關、服務器及服務終端四部分組成，其中終端電氣電能質量綜合治理設備作為底層硬件基礎實現(xiàn)對末端供配電數(shù)據(jù)采集與末端電能質量補償?shù)染唧w服務動作；物理網(wǎng)關實現(xiàn)終端治理設備與服務器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設備進行策略功能分配；設備運行數(shù)據(jù)經(jīng)由服務器以服務終端為媒介為用戶提供可視化展示。終端系統(tǒng)拓撲圖見圖3。

圖3 終端系統(tǒng)拓撲圖

終端電氣綜合治理系統(tǒng)解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理”四位一體，通過對配電系統(tǒng)從設備級監(jiān)測到電能質量預判、異常數(shù)據(jù)分析，從而達到治理諧波、無功及三相不平衡問題的方案要求，同時還可對N線進行溫度異常檢測、N線電流治理及過流反饋保護等。相對于APF有源濾波器和無源的零線電流阻斷器，其優(yōu)勢在于：

1）集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理”四位一體，涉及硬件治理設備、物理網(wǎng)關、服務器和軟件系統(tǒng)服務平臺；

2）增加了N線電流監(jiān)測及治理功能，涉及N線溫度監(jiān)測預警、N線電流治理及過流反饋保護等；

3）增加了穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能。

4 ANSNP中線安防保護器

ANSNP系列中線安防保護器并聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠對動態(tài)變化的諧 波電流進行快速實時的跟蹤和補償。中線安防保護器的基本原理為:通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系 統(tǒng)中性線上過電流信息，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令， 通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與過電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中 性線中過大的電流。

4.1 功能用途

（1）對末端回路電流進行檢測、分析，治理諧波及三相不平衡，可治理由3N次諧波和三相不平衡造成的N線電流過大問題，消除其造成的電氣火災安全隱患；

（2）智能穩(wěn)壓功能；

（3）實現(xiàn)系統(tǒng)N線電流治理，同時具備諧波電流、無功功率、雜散電流、系統(tǒng)電流突變；

（4）系統(tǒng)節(jié)能功能；降低系統(tǒng)線纜損耗,降低系統(tǒng)由于集膚效應引起的損耗問題，實現(xiàn)綜合節(jié)能。同時可以提高系統(tǒng)的元件使用壽命，降低維修成本。

（5）無線數(shù)據(jù)傳輸功能及手機APP交互功能。

4.2 技術參數(shù)

4.3 產(chǎn)品外觀

1）本設備為強迫風冷壁掛式設備，室內(nèi)壁掛安裝。設備底面板為散熱進風口，同時正面裝配了7.0英寸液晶屏用于設備的近端人機交互；設備頂板為散熱出風口，同時含有一次及二次線纜的接線端口；2）設備頂板包含一次接線端子（三相四線制為A/B/C/N/N、三相三線制為A/B/C）以及電流互感器、配件供電、緊急停機、通訊）等二次接線端子；3）模塊需要接地，設備出線端子后方有接地端子。

注：三相四線制設備的A/B/C相線與N線嚴禁接反，接反后會引起相間短路，造成設備嚴重損壞。

4.4 線纜選擇

4.5互感器選擇與接線

電流互感器：開口/閉口式，精度0.5級，適配范圍支持100:5~10000:5，互感器的規(guī)格容量可參考所治理的末端配電箱的斷路器容量，比如400/5或500/5等。

電流互感器線纜要求為：低煙、無鹵、阻燃，2.5mm2。

下圖（1）為單臺模塊接線方式，圖2為模塊并機接線方式。

圖1 單臺模塊接線方式

圖2 兩臺模塊并機接線方式

4.6 設備安裝要求

壁掛模塊安裝時，模塊從下方進風，向上排風。熱量從下往上散發(fā)，模塊上下出口至少要預留150mm的進出風空間且安裝位置與地面的距離要在1.5米以上，禁遮擋出風口。

壁掛式模塊通常安裝在墻壁上或者尺寸較小的柜體內(nèi)，標準配置一對掛耳，如圖所示?？稍趬Ρ诖?Phi;10的孔，用M8的膨脹螺絲進行固定。壁掛式模塊會配備7.0寸彩色觸摸屏。

4.7 斷路器配電箱

5 N線電流治理工程實例

5.1 項目情況

深圳某商業(yè)中心主要涉及負載有電梯、LED燈組（數(shù)量較多）， LED屏，空調(diào)，照明等，導致開關出現(xiàn)溫度異常，N線電流過大的問題，影響了負載的用電安全。現(xiàn)場22個末端治理點位，以某個末端樓層配電間為例進行N線治理測試。

N線產(chǎn)生電流的原因主要有兩方面：

1）A/B/C三相不平衡導致N線上有零序電流的存在；

2）相線3N次諧波電流會在N線上疊加（例：A相上有10A的3次諧波電流，B相上有20A的3次諧波電流，C相上有5A的3次諧波電流，N線上會有10+20+5=35A的諧波電流；同理9次諧波電流、15次諧波電流等都具有相同的特性）。

5.2 治理效果

設備配置：1臺ANSNP100壁掛模塊；

治理效果：

（1）電流畸變率顯著減小，電流波形趨于正弦波

（2）N線電流減小。3次諧波電流由治理之前的125A降低到5A左右，ANSNP對于N線電流中3次諧波的治理能力補償率在96%及以上，符合前期預期的治理要求；

（3）減少線纜發(fā)熱。

6 結論

本文基于N線電流過大問題提出的終端電氣綜合治理解決方案，該解決方案集“互聯(lián)-監(jiān)測-分析-治理”四位一體，涉及硬件治理設備、物理網(wǎng)關、服務器及軟件系統(tǒng)平臺。相對于傳統(tǒng)的無源的零線電流阻斷器和APF有源濾波器，又增加了對N線進行溫度異常檢測、N線電流治理及過流反饋保護、穩(wěn)定末端電壓和三相不平衡治理的功能，最后又通過項目工程案例驗證了終端電能質量綜合治理解決方案的有效性和可靠性，保障了末端供配電系統(tǒng)的用電安全。