三相四線制配電系統零序諧波調研及治理研究

王軍亮，宋祺鵬，唐國政

(1.國家電網公司，北京 100031；2.中國電力科學研究院，北京 100192；3.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100085)

三相四線制配電系統零序諧波調研及治理研究

王軍亮1，宋祺鵬2，唐國政3

(1.國家電網公司，北京 100031；2.中國電力科學研究院，北京 100192；3.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100085)

針對三相四線制配電系統非線性和不平衡負載在中性線上引起的零序諧波電流，實地測量并列舉不同類設備及典型用電區域的中性線諧波情況，分析了中性線諧波電流產生的機理和危害，并對多種諧波治理的方法進行了對比，為各單位選擇不同的中性線諧波治理方法和濾波器的優化設計和改進提供了參考。

三相四線制；零序諧波；濾波器

1 中性線零序諧波電流的產生原理

當交流電加在一個非線性負載上時，如果該負載在不同電壓下有不同的阻抗，那么流過該負載的電流就是一個非正弦或畸變的電流波形。波形畸變程度可用頻域的傅立葉分析來直觀衡量，畸變波形由基波和一系列高次諧波構成，如圖1所示。

圖1 三次諧波在中線疊加示意

圖1表明在三相四線制系統中，正弦電壓加在非線性負載上時，三次諧波電流是如何回到中性線上的。對于線性負荷，相差120°正弦負荷電流的對稱分量在中性線上相互抵消，使得中性線電流很小，所以中性線可以和相線有同樣或一半大小的橫截面。但對于非線性負荷，流過它的電流不會在中性線上互相抵消。當其中一相流過脈沖電流時，其他兩相流過很小的電流。因此，這種抵消效應不會發生在中性線上，每相的脈沖電流都流到中性線上，中性線上的電流值會是任何一相的3倍。在三次脈沖作用下，中性線上電流主要由三次諧波電流構成。當每相中流過2個電流波時，中性線上流過了6個電流波(3倍于基波）。

2 低壓用戶典型諧波源特性調研

在電網中產生大量的零序諧波電流會導致危害性后果，對負荷產生不利的影響。如影響供電電壓波形、產生電磁干擾、增加變壓器鐵芯和繞組損耗、破壞絕緣層、使線圈過熱、降低功率因數、降低變壓器等電氣設備的使用壽命。嚴重時還可能因平頂電壓波形或者峰值減小而導致電子設備不能正常工作，甚至發生火災。因此，對造成中性線過流的零序諧波源分析調研及治理是非常必要的。為掌握三相四線制系統中零序諧波的情況，對不同類型典型用電電器和用戶的綜合辦公樓(6層)的諧波電流情況進行了現場實測，并對測試數據進行了分析。

2.1 家用電器的典型電流波形

目前，主要家用電器有電視機、微波爐、電燈、打印機、蓄電池充電器等。通過測試錄波，從典型家用電器的電流波形圖可以看出，常用家用電器屬于非線性負荷，其電流波形畸變非常嚴重，零序諧波含量也很大。

2.2 典型用電區域測試電流波形

通常不同的用電負荷性質及用電區域，其零序諧波含量特性也不相同。下面就某典型6層商業大樓進行測試調研，并進行總結分析。其配電變壓器接線如圖2所示。

圖2 某大樓配電變壓器接線

測試結果顯示：在1樓，當存在三次諧波時，視在功率為48 kVA,功率因數為0.73；不存在三次諧波時，視在功率為40 kVA,功率因數為0.73。在2樓，當存在三次諧波時，視在功率為47.7 kVA,功率因數為0.93；不存在三次諧波時，視在功率為46.4 kVA，功率因數為0.97。

由1，2樓三次諧波含量最大時的相線電流及中線電流波形及諧波分析圖可知，對1樓而言，在相線上三次諧波含量可達到基本值的80 %，如果三相負荷均衡且諧波含量一致，則此時中性線電流值至少為相電流的2.4倍。

在三相四線制的配電系統中，中性線的線徑通常小于相線線徑。從對各樓層測試的數據(見表1)可以看出：零序諧波比較大的樓層，其諧波電流在中線上相互疊加，使得中線電流大大超過其設計值，造成中線對地電勢升高。長期嚴重過流將導致中性線燒斷，引起三相電壓嚴重不對稱，甚至造成大面積用電設備損壞。因此，對使用大功率整流設備的企業、使用大量計算機的寫字樓、使用節能燈的商場酒店以及三次諧波問題較大的住宅樓，均需進行零序諧波調查和測量，尋求有效、經濟、可靠的零序諧波治理辦法來消除系統零序諧波含量過高、中性線容易過載的問題。

表1 各樓層中線與相線電流測試表

3 中性線諧波治理方法的比較

3.1 減小中性線電流的無源方法

無源濾波器是傳統的補償無功和抑制諧波的主要設備，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯，不僅有濾波功能，還兼顧無功補償功能。

3.1.1 LC調諧無源濾波器

LC調諧無源濾波器又分為單調諧濾波器、高通濾波器及雙調諧濾波器等。實際應用中常用幾組單調諧濾波器和1組高通濾波器組成濾波裝置。

LC調諧無源濾波器的濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定的，存在以下缺點：

(1) 濾波效果受系統參數影響較大；

(2) 只能消除特定次的諧波，而且有可能放大某些次諧波；

(3) 濾波、無功補償及調壓作用難以協調；

(4) 諧波電流增大時，容易造成濾波器過負荷；(5) 設備易老化失諧，降低濾波效果。

3.1.2 曲折移相變壓器濾波

曲折移相濾波器是一種三相繞組經過特殊方式連接而成的電抗器，如圖3所示。

圖3 曲折移相濾波器的原理拓撲

如果流經濾波器的三相電流相等，一個線圈產生的磁通將與繞制在同一個芯柱上的另外一個線圈產生的磁通相抵消，這樣每個串聯繞組都呈現低阻抗，使電流順利流過；滿足此條件的電流正是零序諧波電流。曲折電抗器對零序性諧波是阻抗值很低的通路，在電源和負載之間實現零序低阻通道，將負載產生的基波不平衡電流、3倍頻高次諧波電流等零序性質的電流導入，可避免零序電流主要成分通過系統形成回路，從而達到濾波目的。

曲折移相濾波器不僅具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等特點，還具有濾波特性不受電網參數影響、不對其他諧波產生放大作用、沒有失諧問題等特點。和有源濾波器相比，其成本低廉、工作可靠、過載能力強，但也存在如下問題：

(1) 濾波器轉移零序諧波電流的效率取決于系統零序阻抗和濾波器的零序阻抗比；

(2) 由于濾波器的零序阻抗很低，很小的零序電壓就可能引起很大的零序電流，可能增大中性線電流，燒毀濾波器；

(3) 較低的零序阻抗也增加了單相故障電流的等級。

曲折移相濾波器的體積較大，也較重，可以運用高磁導率的材料進行設計，以減小曲折移相濾波器的體積和重量。另外，可以在線路中串接阻零器，以增加線路的零序阻抗，減小不平衡電壓引起的零序電流。

3.2 減小中性線電流的有源方法

鑒于無源濾波器的缺點，隨著電力電子技術的不斷發展，有源濾波器的研究應用受到重視。利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。有源濾波器方案原理如圖4所示。

圖4 有源濾波器方案原理

有源濾波方案的優點為：

(1) 適應能力強；

(2) 可同時實現濾波和無功補償；

(3) 可以防止和電網阻抗發生諧振。

盡管有源濾波器的補償性能優于無源濾波器，但其電路拓撲、控制復雜，成本高，不適合大面積安裝，且過載能力差、可靠性較低，需要經常維護。這些不利因素限制了其推廣應用。

3.3 其他減小中性線電流濾波方法

還有一些其他的濾波方法，如利用星三角變壓器對零序電流形成內部環路，使得零序電流不出現在一次側。該方法由于全部負載容量由變壓器提供，有效材料消耗高，體積較大，只能適用于特定條件，不是具有普遍應用意義的濾波方法。

4 結束語

隨著用戶對電能質量要求的提高，零序諧波治理越來越受到低壓供用電系統的重視。調研測試了低壓用戶典型用電設備和用電系統的諧波情況，分析了零序諧波造成中性線過流的現況，總結了多種中線諧波治理方案，為用戶根據自身諧波狀況和濾波要求選用合適的中性線截面積和濾波方案提供了參考，具有工程實踐意義。

1 肖湘寧．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2004.

2 王兆安，楊 君，劉進軍．諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社，1998.

3 謝小榮，姜齊榮．柔性交流輸電系統的原理與應用[M]．北京：清華大學出版社，2006．

4 De Mello， F.P. .Measurement of Synchronous Machine Rotor Angle from Analysis of Zero Sequence Harmonic Components of Machine Terminal Voltage[J]. Power Delivery，IEEE Transactions, 1994(9).

5 吳 堅．消除電網三次諧波[J]．低壓電器，2003(2).

6 李國棟，馮力鴻，顧 強，等．曲折接線變壓器抑制零序三次諧波電流方法研究[J]．現代電力，2006(6).

7 宋祺鵬，尹忠東，單任仲，等．移相型零序濾波器的仿真與實驗[J]．電力系統自動化，2008(17).

8 卓 放，王 躍，王兆安．三相四線制電路中的瞬時無功功率及有源電力濾波器[J]．電工技術雜志，2001(4).

9 羅 安．電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M]．北京：中國電力出版社，2006．

2014-09-03。

王軍亮(1982-)，男，工程師，主要從事電力安全技術和電能質量方面的研究工作，email：junliang-wang@sgcc.com.cn。

宋祺鵬(1980-)，男，工程師，主要從事柔性供電與電能質量方面的研究工作。

唐國政(1978-)，男，高級工程師，主要從事電力變配電設備生產與研發工作。