ANSNP治理谐波污染三相不平衡中线安防保护

1、概述

大量非线性负载使用会导致中性线3N次谐波电流过大，同时，三相不平衡等问题往往也会造成中性线电流过大。而中性线电流过大非常容易导致中性线绝缘层老化起火引发火灾，存在较大的安全隐患。针对这样的情况，我司采用先进的电力电子技术、控制理论等研制出了新型的中线安防保护器，可有效消除中性线电流过大的情况而造成的电气火灾安全隐患。

在这样的用电场合，往往也会存在谐波污染严重，三相不平衡，功率因数低等问题。我司新型的终端综合治理装置，在消除中性线电流过大的火灾安全隐患的同时，也能解决这些复杂的电能质量问题。

中线安防保护器的基本原理为:通过电流检测环节采集系统中性线上各次谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入中性线，从而消除中性线中过大的电流。

终端综合治理装置通过电流检测环节，采集系统中性线、各相线上谐波电流和功率因数等数据，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令。通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流，并注入系统。该装置不仅可以治理系统中谐波电流，补偿系统无功需量，还可以消除过大的中性线电流。

2、产品设计的必要性

2.1 应用背景

根据近几年的火灾数据统计，电气火灾占据所有火灾的比例非常高。2018年全年全国共统计火灾38.9万起，死亡2113人，受伤1637人。电气火灾比例高，违反电气安装使用规定等引发的火灾共11.6万起，死亡745人，受伤538人，分别占总数的29.7%、35.3%和32.9%。其中电气线路是电气火灾中主要的起火源，所占的比例高达60%以上，是防范的重点。其中由于中性线导致的起火数量占有不小比例，所以治理中性线电流过大问题是非常有必要的。

针对三相不平衡，谐波污染，需要无功补偿、中性线电流过大等电能质量问题和电气火灾隐患同时存在的场合，为了预防末端配电故障和电气火灾的发生，同时出于成本考虑，需要一种可以同时综合治理的设备。

2.2 中性线定义及危害

中性线的定义：三相电的星形接法是把每一相电源或负载的一端都接在中性点上，将中性点引出的这条线叫中性线，这样就形成三相四线制或者五线制。也可不引出，形成三相三线制。现在的低压配电线路，采用多的是三相四线制，其中的三条线路分别用A、B、C代表三相，另一条中性线用N代表。在三相四线制或五线制供电系统运行过程中，中性线引发火灾事故主要通过三种途径：

a.中性线长期过载导致中性线绝缘层老化，后使得绝缘层燃烧引发火灾；

b.中性线故障使中性线开路，导致三相电严重不平衡，烧毁电气设备引发火灾。

C.中性线老化使线路局部过热，中性线绝缘层老化，后使得绝缘层燃烧引发火灾。 

2.3 典型案例

2018年6月1日17时52分许，某商业中心发生一起火灾事故，过火面积约5.1万平方米。火灾造成1人死亡、直接经济损失9210余万元。经调查，火灾直接原因是市场负1楼冷库3号库内，租户自行拉接的照明电源线短路引燃下方的外包装纸箱。由于部分消防通道、疏散通道堵塞，未设置防火分隔装置等原因，火势蔓延。同时，3号库发生爆燃后，高温烟气引燃整个冷库裸露在外的保温材料，产生了大量可燃的高温烟气，致1人吸入高温有毒烟气后窒息，抢救无效死亡.

3、设计依据

3.1 设计标准

GB50054-2011《低压配电设计规范》

GB17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》

GB/T17625.8-2015《电磁兼容限值每相输入电流大于16A小于等于75A连接到公用低压系统的设备产生的谐波电流限值》

3.2 具体条例

在400V三相四线制低压配电系统中，中性线一般小于等于相线的线径，而当中性线中存在3N次谐波时，中性线电流非常容易超过相线电流。 

GB50054-2011《低压配电设计规范》

3.2.6 当电缆沿敷设路径中各场所的散热条件不相同时，电缆的散热条件应按不利的场所确定。

3.2.7 符合下列情况之一的线路，中性导体的截面应与相导体的截面相同：

1 单相两线制线路；

2 铜相导体截面小于等于16mm2或铝相导体截面小于等于25mm2的三相四线线路。

3.2.8 符合下列条件的线路，中性导体截面可小于相导体截面；

1 铜相导体截面大于16mm2或铝相导体截面大于25mm2；

2 铜中性导体截面大于等于16mm2或铝中性导体截面大于等于25mm2；

3 在正常工作时，包括谐波电流在内的中性导体预期大电流小于等于中性导的允许载流量；

4 中性导体已进行了过电流保护。

3.2.9 在三相四线制线路中存在谐波电流时，计算中性导体的电流应计入谐波电流的效应。当中性导体电流大于相导体电流时，电缆相导体截面应按中性导体电流选择。

3.3 配电图

3.3.1 中线安防保护器配电图

4、上图示例

4.1 产品型号

4.2 模块接口示意

4.3 产品尺寸

5、技术参数

5.1 中线安防保护器

5.2 终端综合治理装置

6、应用案例

6.1 体育中心

现场情况：

该现场为某体育中心泛光照明供配电系统，选择10个测量点测量了电参量，各个配电箱总进线端A/B/C三相电流

基本平衡，各相电流有效值不超过350A，但是N线电流有效值非常大。总结当系统存在以下几点问题：

（1）N线电流比相线电流大1-1.7倍左右；

（2）N线电流的主要谐波频次为3次谐波，同时还存在其他3N次谐波和不平衡电流；

（3）3次谐波有效值的3倍实际小于N线电流，多出的这部分电流成分暂时无法定性；

（4）总电流畸变率都相对比较高，而且从3次谐波的占比看各个配电箱都没有规律可循；

（5）开关电源型负荷基波功率因数cosφ为容性，其值未知，但从PF=P/S=COSφ/(sqrt(1+THDi*THDi))公式不难发现，只要THDi减小，就可以使全波功率因数PF相应减小。

原因分析：

该系统主要负荷类型为开关电源型，开关电源型负荷有2大特点：

其一是电流有效值分解后，谐波电流以3次谐波电流为主，畸变率一般在70%-120%之间。例如单测一个5A的开关电源，其3次谐波电流畸变率可高达120%左右。而随着多个开关电源的并联，总电流有效值、3次谐波电流有效值都会变大，但是3次谐波电流有效值在总电流有效值内的占比会相应减小，也就是总谐波电流畸变率大小与并联的开关电源数量呈负相关，在70%-120%的范围内变化；

其二是纯开关电源的无功特性为容性无功居多，无功功率分为感性无功和容性无功，常见的用电负荷大部分为感性负荷，产生的无功为感性无功，一般采用主动投入电容器的方法，通过注入容性无功，与系统中的感性无功相抵消，从而达到补偿无功功率、提高功率因数的目的。但是开关电源的无功本身属于容性无功，这时候如果主动投入电容器的话，反而会使系统无功功率增加，会出现功率因数急速降低的现象。

另外，理论上讲N相电流产生电流的原因主要有两方面原因：

一、A/B/C三相不平衡导致N线上有零序电流的存在；

二、相线3N次谐波电流会在N线上叠加（例：A相上有10A的3次谐波电流，B相上有20A的3次谐波电流，C相上有5A的3次谐波电流，那么N相上会有10+20+5=35A的谐波电流；同理9次谐波电流、15次谐波电流等具有相同的特性）。所以实际测量数据的N线电流远大于相线电流，这种现象在开关电源型负荷中十分常见。如果此系统中全是3次谐波的话，实测值中谐波电流总畸变率和3次谐波占有率应该是非常接近乃至相同的数值，但是从实测数据发现两个值存在较大差异，所以此系统的N相中不仅仅有3次谐波电流，还会有9次、15次、21次谐波以及三相不平衡等因素的存在。

方案选型(以AL8为例)：

净化效果：

如下图所示，根据治理方案可得知，此次我们需要测量的数据主要为N相电流及总畸变率。下图左上为监测点电流，右上为对应电流畸变率。Irms1为相线网侧电流，2为相线负载电流，3为N相网侧电流，4为N相SNP发出电流。看图可得，体育中心AL8号箱子负载经过SNP设备治理后，相线电流从175A左右降到128A左右。SNP的零线电流治理了274A的谐波后，N相网侧电流为37A。满足对治理效果的预期要求。

ANSNP治理谐波污染三相不平衡中线安防保护