谐波电流引发中性线热故障和火灾问题的研究线热故障

北极星电力网技术频道作者:电力论文3 2007/12/24 18:45:35

关键词: 电流故障研究

摘　要　当前，随着大量用电设备的投人，非线性负载的比例逐渐增大。因此，低压配电系统中负载性质发生了深刻的变化。即使在三相正弦激励的作用下，三相相线电流也将发生非正弦畸变，产生谐波电流。由此带来了电气设备的安全运行和电气防火等许多新的课题。其中尤为迫切的是中性线热故障和火灾问题，需要认真的加以研究并提出有效的解决办法。
关键词　谐波　中性线　热故障和火灾

　　１　问题的提出

当前，随着经济建设的快速发展和人民生活质量的提高，写字楼和居民楼等场所用电设备大量增加，其中非线性负载比例的增大尤为突出。
例如，带镇流器的各式照明装置、电脑、传真机、复印机、彩电、空调以及开关电源等设备都属于非线性负载。所以，低压配电系统中非线性负载比例明显增大，负载性质发生了深刻的变化，负载电流发生了非正弦畸变，产生了谐波电流。
由此带来了电气设备的安全运行和电气防火等新的课题。例如，对中性线过载、断线起火等实际问题需要给予特别的关注，并认真的加以研究，从而给工程设计、施工安装和运行维护中出现的有关问题提出一个有效的解决办法。

　　２　非正弦畸变电流的谐波及其危害
众所周知，当正弦电压加在线性负载时，将产生同频率的正弦电流。换一句话说，当正弦电压加在线性负载上不会产生非正弦的畸变电流，因此也就不会产生谐波电流。
然而，当正弦电压加在非线性负载时将会产生非正弦的畸变电流或者说产生谐波电流。
根据傅里叶分析，我们可以得到一组由正弦波系列进行叠加来近似地表示的非正弦畸变的电流。
其中包括恒定分量、基波分量和高次谐波分量。通常又将高次谐波分量分为奇次谐波和偶次谐波。
在低压配电系统中，非正弦的畸变电流波形正负半周几乎相等，所以在谐波分析中，不含恒定分量和偶次谐波，其余的为奇次谐波。
我们知道，三相平衡电流的幅值按Ａ、Ｂ、Ｃ三相出现的先后次序分为正序三相电流、负序三相电流和零序三相电流。
对于三相谐波电流而言，同样也有相序问题。
正序谐波的相序与基波相序相同。比如第７、１３、１９、……次谐波都是正序谐波；负序谐波的相序与基波相序相反，比如第５、１１、１７……次谐波都是负序谐波；不言而喻，零序谐波不形成相序，与基波相序无关，第３、９、１５……次谐波都是零序谐波。
无论是正序谐波还是负序谐波，它们在中性线中的矢量和为零，不会形成电流，而零序电流在中性线中流过并且数值较大，高于相线电流许多。
对非正弦畸变电流做以上的分析将有助于我们对后面问题的讨论。
３　中性线电流的新成分及其热故障
谐波造成的危害是多方面的，而且有时不容易被人们发现，例如：
（１）三相感应电动机烧毁；
（２）三相四线制配电线路中性线过载、过热，烧毁线路；
（３）△－Ｙ连接方式的变压器原边环流引起过热烧毁变压器；
（４）断路器误动作等。
在这里，我们着重讨论低压配电系统中性线由谐波电流引发的热故障和火灾的问题，不涉及谐波污染的其他问题。
３．１三相不平衡线性负载情况
大家知道三相正弦电压加在三相不平衡线性负载上，各相将产生不平衡的三相电流，因此，在中性线中流有不平衡电流，即：
Ｎ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ≠０
这是三相不平衡线性负载的主要特征。
如何掌握和控制中性线的不平衡电流的大小，这既要考虑配电线路负载的情况又要考虑工程设计中技术和经济的合理性。因此，在有关技术规范中提出：三相照明线路各相负荷的分配，宜保持平衡，在每个分配电盘中的最大与最小相的负荷电流不宜超过３０％。考虑到中性线中有不平衡电流，因此中性线截面一般选为与相线截面相等，这实际上留有一定的余量。

应当指出：对于三相平衡线性负载，其中性线电流应等于零。即：
Ｎ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝０，这是一种特殊情况。
３．２三相不平衡非线性负载情况
根据前面的分析，三相不平衡非线性负载，各相零序电流有效值应分别为：
ＩＮＡ＝
ＩＮＢ＝
ＩＮＣ＝
而且因为不平衡各相零序电流有效值互不相等，即ＩＮＡ≠ＩＮＢ≠ＩＮＣ彼此相位也不尽相同。那么在中性线中零序电流有效值，在不平衡度并不严重的情况下，可以近似的表示为各相零序电流有效值之代数和，即ＩＮ＝ＩＮＡ＋ＩＮＢ＋ＩＮＣ。同时，还因为只有零序电流通过中性线，而正序电流和负序电流分中性线上其矢量和为零。这样零序电流的有效值将减为中性线电流的一个新成份。这是三相不平衡非线性负载的一个重要特点，也是我们研究问题的根据。
还应指出：对于三相平衡非线性负载，由于各相零序电流有效值彼此相等，即：ＩＮＡ＝ＩＮＢ＝ＩＮＣ，那么中性线零序电流有效值应为三者之代数和或者说是一相零序电流有效值的三倍。即：ＩＮ＝３ＩＮＡ＝３ＩＮＢ＝３ＩＮＣ，或这时中性线仍然存在零序电流有效值；而不是像三相平衡线性负载中性线电流等于零那样的情况，这是一个很大的差别。
ＩＮ＝
因此，按过去电路理论中关于三相平衡线性负载的理论成果来解决当今三相不平衡非线性负载的问题己经显得无能为力了。
对于在低压配电系统中，既含有三相线性负载又含有三相非线性负载的情况，应当充分考虑到负载性质及其构成情况发生了深刻变化。
因此，在三相四线制或二相三线制配电线路中，Ｎ线的截面应作合理的选择；否则，截面过小同样会出现Ｎ线的过载问题，这或许并未引起人们的足够重视。
根据有关技术规范的规定：
（１）以气体放电灯为主要负荷的回路中，其Ｎ线截面不应小于相线截面；
（２）给可控硅调光或计算机供电的三相四线制或二相三线制的配电线路，其Ｎ线截面不应小于相线截面的２倍，应当在工程设计和施工安装中予以认真执行，以免带来后患。
３．３中性线热故障和火灾的危害
我们知道，在低压配电系统中有三相不平衡非线性负载，那么其Ｎ线中会有较大的电流，一旦中性线断线或因连接部分接触不良，甚至发展到断线的程度。这就在负载测中性点上产生电压位移，致使各相电压严重的失去平衡，其中某一相电压高于额定电压甚多，与此相连的各种电气设备在高于额定电压的作用下被烧毁甚至引起电气火灾电压矢量图如下图所示。
３．４案例分析
从矢量图我们可以看出：三相电压平衡时各相电压有效值彼此相等，相位相差１２０°，当中性线断线的情况产生中性点电压位移时，三相电压失去平衡，各相电压有效值彼此不等，相位差也不相等，同时出现某一相的高电压，也就是这一相高电压带来了严重的不良后果。下面将我们在检测中发现的案例进行分析，并介绍出来，希望引起大家重视。
（１）案例分析１：北京某学院一栋１６层居民楼于２０００年６月９日下午５时，除一层外其余的单数楼层３、５、７……１５共７个楼层住户的家用电器大部分被烧毁，但幸运的是没有酿成电气火灾。
经当时电工检测发现三相电压己经失去平衡，三相电压分别是３００Ｖ、２２５Ｖ和１９６Ｖ不等，因此初步判定可能是中性线出现断线现象所致。[FS:PAGE]

其后从一层逐步向三层乃至高层跟踪检测、结果发现三层出现上述电压不平衡现象，于是从一层至三层在分线箱的Ｎ线端子上跨接临时线路，再次送电上述电压不平衡现象消失。
最后拆开竖井母线线槽发现三层Ｎ线接线端子螺丝溢扣造成接触不良在中性线较大电流的作用下烧焦端子接触面，接触电阻增大，使中性线形成不了良好的导电通路，出现了几乎中性线断线的类似现象；
（２）案例分析２：全国政协礼堂于１９９９年９月１７日晚举行“庆祝全国政协成立五十周年文艺晚会”用电量较大，舞台灯光照明采用三相可控硅调光，就负载性质来说，非线性负载比例较大。经检测会场４＃配电箱，最大用线电流为８７Ａ，而中性线电流却是１７４Ａ远远高于相线电流。采用红外测温仪对中性线橡胶电缆外皮进行测温，发现高达９８℃，超过技术规范６５℃的规定，并且可以直接观察到线皮软化和变色的现象，处于引燃绝缘材料的危险状态。
经初步判断，这是由于采用可控硅调光，就负载性质来说是非线性负载；由于中性线截面不够，从而引起中性线严重过载出现引燃电缆线皮的现象发生。
随后，在原来中性线的两端并接另一条截面较大的临时线路，上述中性线过载现象立即消失；
（３）案例分析３：中组部礼堂举行“七月的颂歌”演唱会，于２００１年６月１９日进行电气防火检测，发现电脑灯配电箱主断路器ＤＺ１５８１００Ａ各相负载情况如下：
Ａ相２４．５Ａ，Ｂ相２４．８Ａ，Ｃ相１７．８Ａ；Ｎ线电流５４Ａ。
这个结果表明Ｎ线电流大于Ａ相电流２．２倍，这是由于电脑灯属于非线性负载所致。因此，Ｎ线截面必须大于相线截面２倍以上才能满足要求。事实上，设计上做了这样的考虑。

　　４非正弦畸变电流测量及其仪表选用
对于三相不平衡非线性负载的低压配电系统，我们不仅要测量相线的电流而且还要测量中性线的电流。
首先，导线截面应满足载流量的要求，特别是中性线。在具有非线性负载的低压配电系统中，常常发现中性线电流大于相线电流，甚至大得很多。这是正常现象，但有时却出现中性线截面偏小的问题。
其次，对于上述低压配电系统中的所有连接部分要牢固可靠，接触良好，防止断线现象发生，中性线尤为重要。
最后，就是如何测量带有非线性负载的低压配电系统的非正弦畸变电流问题。实质上就是选用何种类型仪表测量非正弦畸变电流和有效值的问题。
多年来，我们对正弦量有效值的测量一直采用平均值响应式仪表。例如，磁电式仪表、全波整流式磁电式仪表以及普通钳形电流表，但是这种平均值响应式仪表却不能测量由非线性负载引起非正弦畸变的谐波电流有效值，如果用此类似表进行测量，其测量值要比实际值低得多（有资料表明在２０％以上）。当然，这与各次谐波含量大小有关。
对于由于非线性负载产生非正弦畸变的谐波电流有效值测量，应采用电流平方的平均值响应式仪表，例如，电磁式或电动式仪表。
目前，比较适用的是带电流真有效值（英文缩写ＡＲＭＳ）测量功能的数字式钳形电流表，能够精确测量非正弦畸变的谐波电流的真有效值。因为测量结果的准确与否将给故障的诊断带来极大的影响，甚至要做出错误的判断。

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