解決中性線電流超載的裝置原理及應用

摘要：分析中性線電流產生的原因，中性線電流超載的危害。介紹中線性濾波器專用于治理中線性電流超載的基本原理，及結合實際使用案例，來陳述中線性濾波器是解決系統零序諧波導致中性線電流超載問題的有效方案。

關鍵詞：中線性濾波器 零序諧波 諧波 零序電流 中線性電流 非線性負載

1. 前言

隨著城市的快速發展，種類繁多的電器，其所造成的諧波污染受到各國的諧波治理專家學者不斷的深化研究，致力于提出治理諧波的有效方案。從起初的LC串聯調諧濾波器，到雙帶通濾波器，再到阻尼濾波器，又從無源濾波器發展到有源濾波器，近年來，業界又出現了一種新型諧波濾波器-中線性濾波器，它專用于吸收中線性的零序電流，對中線性的零序電流問題提供了有效的解決方案。

2. 中線性電流的產生（只考慮非線性負載產生諧波電流）

實際電網中通常含有非線性負載，這些非線性負載在工頻正弦電壓作用下，會產生高頻諧波電流，通常為3、5、7、9……次諧波等等，其中3、6、9、12……3k次諧波產生零序電流（k為正整數），2、5、8……3k-1次諧波產生負序電流，7、13……3k+1次諧波產生正序電流。

需要注意的是3、6、9……次零序諧波（特別是3次諧波），這些諧波大量存在于低壓電氣系統中，主要是由熒光炮、節能保溫燈電子整流器、UPS（不間斷電源）、相控設備、高頻設備、變頻設備以及計算機設備等脈寬調制（PWM）模式電源設備產生的，這些諧波在存在將產生零序電流，從而在中線性中疊加產生大量的中性線電流。

圖1表示含有3次諧波的三相電流在中性線中的疊加現象：

3. 中線性濾波器原理

電網中諧波的存在，會對電氣系統的正常工作造成多種負面影響和危害，而零序諧波的存在，將導致中性線產生的電流甚至超載，中性線的過熱，使絕緣加速老化，造成系統短路故障，嚴重的甚至誘發火災。因此，如何解決中線性的電流，是業界關注的焦點。

中線性濾波器為我們提供一種全新的治理方案，它專門用于冶理中線性上的電流，有效抑制零序電流。筆者針對擁有相關專利權的光達電氣公司生產的ZSFGD系列濾波器進行了深入的研究，分析了中線性濾波器的基本原理，圖2為中性線濾波器在三相四線制配電系統中的安裝示意圖。圖中ZZn為濾波器阻抗；ZLn為濾波器與負載間的中線阻抗；ZSn為濾波器與電源間的中線阻抗；ZS為系統阻抗。

圖3所示是與圖2所示的濾波器安裝示意圖所對應的濾波原理圖，圖中電流源iS0代表零序諧波電源，它包括由非線性負荷引起的零序諧波電流分量。

根據圖3 的濾波分析原理圖知，在加裝中性線濾波器后，系統電源側的零序電流分量表達式如下

iSn=ZZn/（ZS+ZSn+ZZn）*iS0（1），由于中性線濾波器電抗器的零序阻抗接近于零，即有Zzn≈0，根據式（1）的計算結果知，只要中性線濾波器的零序阻抗設計得盡量小，通過它的分流作用，系統零序諧波電流都可得到很大程度的濾除。對于零序電流而言是一個低阻抗（ZZn，0），能使零序電流短路，濾除3次諧波電流；另一方面，它對于正、反向電流而言則是一個無窮大的阻抗（ZZn，V）。特殊的電路及磁路結構。可使負載中性線與電網中性線進行隔離，且不會造成負載端中性線電壓的偏移。在電氣回路中接入中性線諧波濾波器后，通過阻止了零序電流流過電源，同時通過將零序電流短路，使得電源端不會加載零序諧波電壓，從而避免對電源產生干擾。

4. 應用實例

某大型數據機樓的一層配電室，其負載的主要設備是：大量的熒光燈和節能燈、UPS電源以及計算機、打印機、復印機等辦公設備。從負載的特性上來看，它們可能產生大量的零序諧波，造成中性線電纜電流過大，超載，發熱，存在火災的安全隱患。通過使用電能質量分析儀進行測試，證實了這一點。在配電箱進線端安裝一臺中性線濾波器，型號為ZSFGD-300/0.4，額定電流為300A。對比測試的結果如下圖表所示：

安裝中性線濾波器后，測試點的相線電流頻譜圖如圖5所示。

對比測試結果表明，在安裝中性線零序諧波濾波器之后，測試點中性線電流銳減。主要是由于零序諧波電流H3的銳減引起，同時，負序諧波電流（H5、H11…）和正序諧波電流（H7、H13… ）幾乎沒有改變。

5. 總結

中性線濾波器采用了純電感式的特色技術。是一種專門針對中性線濾波器。無需濾波電容器，可靠性高，維護簡單方便，為解決由于零序諧波導致中性線電流超載問題提供了有效的實施方案。

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作者簡介：

吳景營（1985-），男，本科，電氣工程師，主要從事諧波冶理及無功補償的電能質量產品設計、生產工作。