電氣回路諧波過載和起火危險的防范

這些年我們在生活中常有這樣的體驗--斷路器的跳閘增多了，可是用鉗表測一下回路電流卻發(fā)現(xiàn)電流并未超過斷路器的整定值。原來這就是諧波電流引起的回路過載使斷路器跳閘。隨著我國用電水平的不斷提高，各種新型電器大量進入工商業(yè)建筑物和住宅。其中不少電器是非線性負載，它們能產(chǎn)生各次的高次諧波，能使變壓器、電動機等發(fā)熱，降低其出率，也能使回路過載發(fā)熱，斷路器頻繁跳閘，甚至引起火災(zāi)。諧波可在電氣裝置內(nèi)部產(chǎn)生，也可來自被其他用戶污染的公用電網(wǎng)。它既可危害電氣裝置自身，也可通過電網(wǎng)的傳導(dǎo)危害其他用戶。本文只擬對諧波引起的回路過載問題和起火危險作一探討。

　關(guān)鍵詞：電氣回路 諧波 過載 起火危險 防范
　　這些年我們在生活中常有這樣的體驗--斷路器的跳閘增多了，可是用鉗表測一下回路電流卻發(fā)現(xiàn)電流并未超過斷路器的整定值。原來這就是諧波電流引起的回路過載使斷路器跳閘。隨著我國用電水平的不斷提高，各種新型電器大量進入工商業(yè)建筑物和住宅。其中不少電器是非線性負載，它們能產(chǎn)生各次的高次諧波，能使變壓器、電動機等發(fā)熱，降低其出率，也能使回路過載發(fā)熱，斷路器頻繁跳閘，甚至引起火災(zāi)。諧波可在電氣裝置內(nèi)部產(chǎn)生，也可來自被其他用戶污染的公用電網(wǎng)。它既可危害電氣裝置自身，也可通過電網(wǎng)的傳導(dǎo)危害其他用戶。本文只擬對諧波引起的回路過載問題和起火危險作一探討。

　　一、線性負載和非線性負載

　　就諧波的產(chǎn)生而言，電氣負載有線性負載和非線性負載之分。如對一負載施加一正弦波波形的電壓，其負載電流的波形仍為一正弦波波形而未畸變，其負載線為一直線，如圖1所示，則此負載被稱作線性負載，例如白熾燈、電阻爐、未磁飽和的電動機之類的負載都是。

　　如對一電氣負載施加一正波波形的電壓，其負載電流的波形因帶多次諧波電流成分而發(fā)生畸變，它不再為正弦波波形，其負載線不是一條直線而是一條曲線，如圖2所示，則此負載稱之為非線性負載，例如氣體放電燈、微波爐、計算機，變頻調(diào)速設(shè)備等負載都是。

　　電網(wǎng)電壓幾乎是設(shè)有純粹正弦波波形的，為了便于說明問題，假設(shè)它為正弦波形，并以圖3所示的一個典型的電氣裝置示意圖為例來說明諧波電流與諧波電壓的關(guān)系。圖中的裝置內(nèi)有線性負載和非線性負載，電源線路的阻抗則以圖示的兩個阻抗來代表，它包括電氣裝置內(nèi)的阻抗（這是主要的阻抗）和公用電網(wǎng)的阻抗。當(dāng)電流的正弦波電壓施加到非線性負載上時其電流波形發(fā)生畸變?nèi)鐖D示。當(dāng)此波形畸變的電流流經(jīng)電流線路阻抗時，阻抗上將產(chǎn)生含有諧波成分的波形畸變的電壓降，使負載端的電壓波形也發(fā)生畸變，此波形畸變的電壓施加到線性負載上時，此負載的電流波形也和電壓波形一樣畸變。這樣，電氣裝置內(nèi)的電流波形和電壓波形互為因果，都發(fā)生畸變而帶各次諧波，諧波含量過大時就會產(chǎn)生種種危害。

　　從圖3可知，電源線路阻抗越大，諧波電壓降越大，電氣裝置內(nèi)的諧波電壓和諧波電流的含量也越大，減少電流線路阻抗就可減少電氣裝置內(nèi)的諧波含量?，F(xiàn)時電氣裝置內(nèi)的線路主要采用電纜、穿管導(dǎo)線或封閉母線槽，阻抗中的電抗難以再減小，只能減少電阻。我們在設(shè)計中常適當(dāng)放大導(dǎo)線載面以減少線路發(fā)熱，延長絕緣壽命和提高電壓質(zhì)量。從以上分析可知這樣對減少電流線路阻抗從而減少諧波危害也是有好處的。

　　當(dāng)電阻為R的導(dǎo)體通過電流I時，產(chǎn)生I2R發(fā)熱，這個I是有效電流或方均根電流。如果電氣回路中除基波（50Hz）電流外還存在多次的諧波電流，導(dǎo)體就額外增加這些諧波的I2R發(fā)熱，當(dāng)這些諧波的含量過大時就導(dǎo)致回路過載和斷路器跳閘。用一般電磁式電流表是測不出這個過載電流的，這是因為電磁式電流表是按電流的平均值偏轉(zhuǎn)的，而斷路器的檢測元件則是按電流的有效值動作的。當(dāng)電流波波形為正弦時，電流的平均值和有效值間有一固定的比值，電流表能正確反應(yīng)電流的有效值，當(dāng)電流波形畸變時，此比值已非原來正弦波波形的值，它隨波形變化而變化，一般電磁式電流表的偏轉(zhuǎn)角偏小而不能發(fā)現(xiàn)回路的過載，為此現(xiàn)時采用一種能按熱效應(yīng)來測定電流有效值的電流表，它被稱作真實有效值電流表。

　　斷路器因諧波電流而動作，說明它有效地起到了過載防護的作用，但人們往往誤認為是斷路器和電度表電流太小，只換大斷路器和電度表而不加大導(dǎo)線載面，其后果是回路過載而防護電器不動作，這自然將損壞絕緣，最終導(dǎo)致電氣短路事故甚至火災(zāi)的發(fā)生。

　　諧波能使線路電流增大而過載，但最大的過載危險是三相四線回路三次及其奇數(shù)倍諧波電流引起的中性線過載危險。圖4為一三相四線回路中相線和中性線的基波（50Hz）和三次諧波（150Hz）的電流波形，假設(shè)三相電流相等，因基波相位角差120度，它在中性線上的矢量和為零。但各相三次諧波電流在中性線上卻處于同一相位上，它們不是互相抵消而是互相疊加如圖所示（其奇數(shù)倍諧波電流也是如此，圖中未表示）。這樣中性線電流不再為零，當(dāng)三次及其奇數(shù)倍諧波電流含量大時中性線電流可等于甚至大大超過相線電流。我國一些電氣回路沿襲過去的老概念，中性線截面取為相線截面的二分之一以至三分之一，在現(xiàn)時非線性負載日益增多，特別是能產(chǎn)生大量三次諧波的氣體放電燈等非線性負載大量使用的情況下，中性線的嚴重過載將不可避免。在我國電氣消防安全檢查中，中性線電流大于相線電流，其統(tǒng)一組織劣化以至亦色的隱患現(xiàn)象屢見不鮮，由此引起的電氣火災(zāi)時有所聞，對這一電氣危險不能掉以輕心。

　　我國等同采用國際電工標準（IEC標準）的載流量國家標準已通過審查，但尚未頒布。現(xiàn)時手冊、資料中提供的載流量較IEC標準的載流量為大，不夠安全。對防諧波過載，我國規(guī)范的規(guī)定也不夠具體。下文擬按IEC載流量標準的規(guī)定作些介紹。

　　在IEC載流量標準中，三相四線回路采用多芯電纜或穿管導(dǎo)線時，不論導(dǎo)體數(shù)為四根或五銀（其中一根為PE），其發(fā)熱和載流量都按三根帶載相線來考慮，當(dāng)三相電流平衡時情況固然如此，當(dāng)三相電流不平衡時情況也是如此，這是因為三相電流個等時電流較小一相的欠發(fā)熱可以抵消中性線上的發(fā)熱，即它將一個回路視作一個發(fā)熱整體來對待。這樣就可一概按三根帶載相線的發(fā)熱來標定回路的載流量。

　　在三相電流平衡但有三次諧波電流回路中，固定相線因諧波電流而增加熱量，中性線上則往往因諧波電流的疊加而發(fā)熱更多。這時相線上并無可用以抵消中性線發(fā)熱的欠發(fā)熱，中性線上的發(fā)熱純系額外增加的發(fā)熱，為此需考慮一降低系數(shù)不增大回路的載面和載流量，其值如表1：

　　當(dāng)三相四線回路的導(dǎo)線在空氣中互相間隔地明敷時，熱量可以自由逸散，不存在上述互相抵消發(fā)熱的問題。其載流量不是按整個回路而是按單根導(dǎo)體的發(fā)熱來標定，不需對有諧波電流的回路考慮降低系數(shù)。

　　下面試舉二例來說明穿管導(dǎo)線和明敷導(dǎo)線在回路有三次諧波電流時的截面選擇。導(dǎo)線都為銅芯PVC絕緣，工作溫度為70攝氏度，環(huán)境溫度為30攝氏度，穿管導(dǎo)線為在一般非熱絕緣墻內(nèi)暗效，明敷導(dǎo)線則用絕緣子在墻面上水平敷設(shè)，按IEC載流量標準，這兩種敷設(shè)方式的載流空如表2所示：

　　需要再次說明，表2中穿管三相回路的載流量如前述只按回路內(nèi)三根帶同樣負載電流的相線的發(fā)熱來標定的，不計入中性線電流的發(fā)熱。

　　例1：建筑物自戶外引入三相四線回路穿管在一般非絕緣墻內(nèi)暗敷至總配箱，三相電流基本平衡，電流為60A，無諧波電流時導(dǎo)線截面取為3×16＋1×10mm2，試確定三次諧波電流為20％、40％、60％時的導(dǎo)線截面（諧波電流百分數(shù)由電設(shè)備制造提供）。

　　1、當(dāng)諧波電流為20％時，非但相線電流增大，中性線電流也由接近零安增大為：

　　 IN =60×0.2×3=36A

　　按表1，當(dāng)諧波電流含量為20％時，應(yīng)按原相線電流取0.86的降低系數(shù)，得回路的綜合設(shè)計負載電流為：

　　 I=60÷0.86=70A

　　據(jù)此按表2選用4×25 mm2的導(dǎo)線。

　　2、當(dāng)諧波電流為40％時，按表應(yīng)按中性線電流確定回路截面，現(xiàn)中性線電流為：

　　 IN=60×0.4×3=72A

　　仍按表1，取0.86的降低系數(shù)，得回路的綜合設(shè)負載電流為：

　　 I=72÷0.86=83.7A

　　據(jù)此接表2選用4×25 mm2的導(dǎo)線

　　3、當(dāng)諧波電流60%時，也應(yīng)按中性線電流取1的降低系數(shù)，現(xiàn)中性線電流為：

　　 IN=60×0.6×3＝108A

　　綜合設(shè)計負載電流即為108A據(jù)此選用4×35mm2的導(dǎo)線。

　　例2：同上例，但負載電流為275A，敷設(shè)方式為將導(dǎo)線在墻面上用絕緣于敷設(shè)無諧波電流時導(dǎo)線載面取為3×95＋1×50 mm2。

　　按IEC載流量標準，當(dāng)線路與鄰近物體空隙大于多芯電纜外往的0.3倍或單芯電纜（導(dǎo)線）外徑的一倍時就可將該電纜（導(dǎo)線）的載流量取為在導(dǎo)體發(fā)熱量可不受阻礙地逸散的自由空氣中敷設(shè)時的載流量，此載流量即表2中墻面上明敷的載流量，這樣就可分別按導(dǎo)體通過的電流選取載面，而不必視回路為一統(tǒng)一的發(fā)熱整體，也不必在電流計算中計入降低系數(shù)來選取載面。

　　1、當(dāng)諧波電流為20％時，相線電流為

　　中性線電流為IN=275×0.2×3=165A，按表2確定截面仍為3×95＋1×50 mm2

　　2、當(dāng)諧波電流為40％時，相線電流為

　　中性線電流為IN=275×0.4×3=330A，確定截面為3×95＋1×120mm2；

　　3、當(dāng)諧波電流為60％時，相線電流為

　　中性線電流為IN=275×0.6×3=495A，

　　確定截面為3×120＋1×240mm2，即相線和中性線截面都有不同程度的增加

　　需要說明，在上述二例中如果還存在三次諧波奇數(shù)倍電流，其含以超過10%；或存在三相不平衡電流，其不平衡度大于50%時，則還需視情況酌量增大導(dǎo)體截面。