電氣回路諧波過(guò)載和起火危險(xiǎn)的防范

這些年我們?cè)谏钪谐Ｓ羞@樣的體驗(yàn)--斷路器的跳閘增多了，可是用鉗表測(cè)一下回路電流卻發(fā)現(xiàn)電流并未超過(guò)斷路器的整定值。原來(lái)這就是諧波電流引起的回路過(guò)載使斷路器跳閘。隨著我國(guó)用電水平的不斷提高，各種新型電器大量進(jìn)入工商業(yè)建筑物和住宅。其中不少電器是非線(xiàn)性負(fù)載，它們能產(chǎn)生各次的高次諧波，能使變壓器、電動(dòng)機(jī)等發(fā)熱，降低其出率，也能使回路過(guò)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(lái)自被其他用戶(hù)污染的公用電網(wǎng)。它既可危害電氣裝置自身，也可通過(guò)電網(wǎng)的傳導(dǎo)危害其他用戶(hù)。本文只擬對(duì)諧波引起的回路過(guò)載問(wèn)題和起火危險(xiǎn)作一探討。

　關(guān)鍵詞：電氣回路 諧波 過(guò)載 起火危險(xiǎn) 防范
　　這些年我們?cè)谏钪谐Ｓ羞@樣的體驗(yàn)--斷路器的跳閘增多了，可是用鉗表測(cè)一下回路電流卻發(fā)現(xiàn)電流并未超過(guò)斷路器的整定值。原來(lái)這就是諧波電流引起的回路過(guò)載使斷路器跳閘。隨著我國(guó)用電水平的不斷提高，各種新型電器大量進(jìn)入工商業(yè)建筑物和住宅。其中不少電器是非線(xiàn)性負(fù)載，它們能產(chǎn)生各次的高次諧波，能使變壓器、電動(dòng)機(jī)等發(fā)熱，降低其出率，也能使回路過(guò)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(lái)自被其他用戶(hù)污染的公用電網(wǎng)。它既可危害電氣裝置自身，也可通過(guò)電網(wǎng)的傳導(dǎo)危害其他用戶(hù)。本文只擬對(duì)諧波引起的回路過(guò)載問(wèn)題和起火危險(xiǎn)作一探討。

　　一、線(xiàn)性負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載

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

　　如對(duì)一電氣負(fù)載施加一正波波形的電壓，其負(fù)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(fù)載線(xiàn)不是一條直線(xiàn)而是一條曲線(xiàn)，如圖2所示，則此負(fù)載稱(chēng)之為非線(xiàn)性負(fù)載，例如氣體放電燈、微波爐、計(jì)算機(jī)，變頻調(diào)速設(shè)備等負(fù)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(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)它為正弦波形，并以圖3所示的一個(gè)典型的電氣裝置示意圖為例來(lái)說(shuō)明諧波電流與諧波電壓的關(guān)系。圖中的裝置內(nèi)有線(xiàn)性負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載，電源線(xiàn)路的阻抗則以圖示的兩個(gè)阻抗來(lái)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(xiàn)性負(fù)載上時(shí)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(xiàn)路阻抗時(shí)，阻抗上將產(chǎn)生含有諧波成分的波形畸變的電壓降，使負(fù)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(xiàn)性負(fù)載上時(shí)，此負(fù)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(guò)大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生種種危害。

　　從圖3可知，電源線(xiàn)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(xiàn)路阻抗就可減少電氣裝置內(nèi)的諧波含量。現(xiàn)時(shí)電氣裝置內(nèi)的線(xiàn)路主要采用電纜、穿管導(dǎo)線(xiàn)或封閉母線(xiàn)槽，阻抗中的電抗難以再減小，只能減少電阻。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中常適當(dāng)放大導(dǎo)線(xiàn)載面以減少線(xiàn)路發(fā)熱，延長(zhǎng)絕緣壽命和提高電壓質(zhì)量。從以上分析可知這樣對(duì)減少電流線(xiàn)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(guò)電流I時(shí)，產(chǎn)生I2R發(fā)熱，這個(gè)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(guò)大時(shí)就導(dǎo)致回路過(guò)載和斷路器跳閘。用一般電磁式電流表是測(cè)不出這個(gè)過(guò)載電流的，這是因?yàn)殡姶攀诫娏鞅硎前措娏鞯钠骄灯D(zhuǎn)的，而斷路器的檢測(cè)元件則是按電流的有效值動(dòng)作的。當(dāng)電流波波形為正弦時(shí)，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(shí)，此比值已非原來(lái)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(guò)載，為此現(xiàn)時(shí)采用一種能按熱效應(yīng)來(lái)測(cè)定電流有效值的電流表，它被稱(chēng)作真實(shí)有效值電流表。

　　斷路器因諧波電流而動(dòng)作，說(shuō)明它有效地起到了過(guò)載防護(hù)的作用，但人們往往誤認(rèn)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(xiàn)載面，其后果是回路過(guò)載而防護(hù)電器不動(dòng)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(xiàn)路電流增大而過(guò)載，但最大的過(guò)載危險(xiǎn)是三相四線(xiàn)回路三次及其奇數(shù)倍諧波電流引起的中性線(xiàn)過(guò)載危險(xiǎn)。圖4為一三相四線(xiàn)回路中相線(xiàn)和中性線(xiàn)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(xiàn)上的矢量和為零。但各相三次諧波電流在中性線(xiàn)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(xiàn)電流不再為零，當(dāng)三次及其奇數(shù)倍諧波電流含量大時(shí)中性線(xiàn)電流可等于甚至大大超過(guò)相線(xiàn)電流。我國(guó)一些電氣回路沿襲過(guò)去的老概念，中性線(xiàn)截面取為相線(xiàn)截面的二分之一以至三分之一，在現(xiàn)時(shí)非線(xiàn)性負(fù)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(xiàn)性負(fù)載大量使用的情況下，中性線(xiàn)的嚴(yán)重過(guò)載將不可避免。在我國(guó)電氣消防安全檢查中，中性線(xiàn)電流大于相線(xiàn)電流，其統(tǒng)一組織劣化以至亦色的隱患現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，由此引起的電氣火災(zāi)時(shí)有所聞，對(duì)這一電氣危險(xiǎn)不能掉以輕心。

　　我國(guó)等同采用國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)（IEC標(biāo)準(zhǔn)）的載流量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已通過(guò)審查，但尚未頒布?，F(xiàn)時(shí)手冊(cè)、資料中提供的載流量較IEC標(biāo)準(zhǔn)的載流量為大，不夠安全。對(duì)防諧波過(guò)載，我國(guó)規(guī)范的規(guī)定也不夠具體。下文擬按IEC載流量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定作些介紹。

　　在IEC載流量標(biāo)準(zhǔn)中，三相四線(xiàn)回路采用多芯電纜或穿管導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，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(xiàn)來(lái)考慮，當(dāng)三相電流平衡時(shí)情況固然如此，當(dāng)三相電流不平衡時(shí)情況也是如此，這是因?yàn)槿嚯娏鱾€(gè)等時(shí)電流較小一相的欠發(fā)熱可以抵消中性線(xiàn)上的發(fā)熱，即它將一個(gè)回路視作一個(gè)發(fā)熱整體來(lái)對(duì)待。這樣就可一概按三根帶載相線(xiàn)的發(fā)熱來(lái)標(biāo)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(xiàn)因諧波電流而增加熱量，中性線(xiàn)上則往往因諧波電流的疊加而發(fā)熱更多。這時(shí)相線(xiàn)上并無(wú)可用以抵消中性線(xiàn)發(fā)熱的欠發(fā)熱，中性線(xiàn)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(xiàn)回路的導(dǎo)線(xiàn)在空氣中互相間隔地明敷時(shí)，熱量可以自由逸散，不存在上述互相抵消發(fā)熱的問(wèn)題。其載流量不是按整個(gè)回路而是按單根導(dǎo)體的發(fā)熱來(lái)標(biāo)定，不需對(duì)有諧波電流的回路考慮降低系數(shù)。

　　下面試舉二例來(lái)說(shuō)明穿管導(dǎo)線(xiàn)和明敷導(dǎo)線(xiàn)在回路有三次諧波電流時(shí)的截面選擇。導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)為在一般非熱絕緣墻內(nèi)暗效，明敷導(dǎo)線(xiàn)則用絕緣子在墻面上水平敷設(shè)，按IEC載流量標(biāo)準(zhǔn)，這兩種敷設(shè)方式的載流空如表2所示：

　　需要再次說(shuō)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(fù)載電流的相線(xiàn)的發(fā)熱來(lái)標(biāo)定的，不計(jì)入中性線(xiàn)電流的發(fā)熱。

　　例1：建筑物自戶(hù)外引入三相四線(xiàn)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(wú)諧波電流時(shí)導(dǎo)線(xiàn)截面取為3×16＋1×10mm2，試確定三次諧波電流為20％、40％、60％時(shí)的導(dǎo)線(xiàn)截面（諧波電流百分?jǐn)?shù)由電設(shè)備制造提供）。

　　1、當(dāng)諧波電流為20％時(shí)，非但相線(xiàn)電流增大，中性線(xiàn)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(shí)，應(yīng)按原相線(xiàn)電流取0.86的降低系數(shù)，得回路的綜合設(shè)計(jì)負(fù)載電流為：

　　 I=60÷0.86=70A

　　據(jù)此按表2選用4×25 mm2的導(dǎo)線(xiàn)。

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

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

　　 IN=60×0.6×3＝108A

　　綜合設(shè)計(jì)負(fù)載電流即為108A據(jù)此選用4×35mm2的導(dǎo)線(xiàn)。

　　例2：同上例，但負(fù)載電流為275A，敷設(shè)方式為將導(dǎo)線(xiàn)在墻面上用絕緣于敷設(shè)無(wú)諧波電流時(shí)導(dǎo)線(xiàn)載面取為3×95＋1×50 mm2。

　　按IEC載流量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)線(xiàn)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(xiàn)）外徑的一倍時(shí)就可將該電纜（導(dǎo)線(xiàn)）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(shí)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(guò)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(jì)算中計(jì)入降低系數(shù)來(lái)選取載面。

　　1、當(dāng)諧波電流為20％時(shí)，相線(xiàn)電流為

　　中性線(xiàn)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(shí)，相線(xiàn)電流為

　　中性線(xiàn)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(shí)，相線(xiàn)電流為

　　中性線(xiàn)電流為IN=275×0.6×3=495A，

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

　　需要說(shuō)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(guò)10%；或存在三相不平衡電流，其不平衡度大于50%時(shí)，則還需視情況酌量增大導(dǎo)體截面。