余悅蘭

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談談諧波對配電線路導體截面選擇的影響

余悅蘭

國立華僑大學建筑設(shè)計院

新頒布的《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》 JGJ16-2008第7.4.4條規(guī)定——當配電線路中存在高次諧波時，選擇導體截面時應對載流量加以校正。該文探討了該條規(guī)范在執(zhí)行過程中的疑點和難點，并呼吁該條規(guī)范能進一步完善，避免諧波對配電系統(tǒng)安全可靠的運行造成不利影響。

配電線路 基波 諧波 電流 導體截面 校正

1 引言

據(jù)有關(guān)資料介紹，配電線路中的諧波電流會引起斷路器誤動作﹑分斷能力降低，或者引起電氣設(shè)備﹑配電線路過載（特別是未設(shè)保護電器的中性線嚴重過載），從而導致短路甚至引起火災。

諧波來自于非線性設(shè)備在電網(wǎng)中的投入運行。在我們的配電系統(tǒng)中，大多數(shù)用電設(shè)備如氣體放電燈﹑洗衣機﹑電視機﹑空調(diào)﹑計算機等都是非線性設(shè)備。它們投入運行后，其電壓﹑電流波形實際上都是有不同程度畸變的非正弦波，它們會在配電線路中產(chǎn)生諧波分量，其中主要是奇次諧波。

但在以往的設(shè)計規(guī)范中，比如JGJ16/T-92，對配電線路的導體截面只要求按溫升﹑短路熱穩(wěn)定條件﹑電壓損失及機械強度來選擇及校驗，基本未提及諧波電流的影響。而《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054-95第2.2.6條，提到“在三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線的允許載流量不應小于線路中最大不平衡負荷電流，且應計入諧波電流的影響?！边@只是考慮到中性線上可能存在的諧波電流。

《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ16-2008第7.4.4條第3款中，提出“當線路中存在高次諧波時，在選擇導體截面時應對載流量加以校正，校正系數(shù)應符合表7.4.4-3（摘錄如表1）的規(guī)定……”。比較完整地提出配電線路（包括相線和N線）的導體截面的選擇要考慮到諧波電流的影響。而未考慮諧波電流的影響可能會導致導體載流量小于配電線路（包括相線和N線）的計算電流，實際上也違反了JGJ16-2008中的強制性條文,即第7.4.2-1)條“……導體載流量不應小于預期負荷的最大計算電流……”?？梢?，該條規(guī)范對于配電系統(tǒng)安全可靠地運行具有重大的意義，因此必須在設(shè)計中切實貫徹執(zhí)行。

表1 4芯和5芯電纜存在高次諧波的校正系數(shù) （摘自JGJ16-2008表7.4.4-3）

但是，筆者在運用這條規(guī)范時，覺得有如下幾個問題值得商榷?，F(xiàn)提出來，并加以探討。

（1）表中僅提到4芯和5芯電纜（即三相配電線路）存在高次諧波時的校正，那么單相回路是否要考慮諧波電流的影響？

（2）該條規(guī)范只提到在配電線路存在諧波電流的情況下，導體截面選擇時要考慮載流量校正。那么，斷路器的整定電流是否也應做相應的校正？

（3）表中僅提到按三次諧波電流的含量校正，那么有些用電設(shè)備的三次以上的高次諧波的含量很高時，這樣的校正是否準確？

2 對上述三個問題的探討

2.1 關(guān)于問題1：當線路中存在高次諧波時，單相配電線路的導體截面的選擇是否應該考慮諧波電流的影響？

對于為非線性設(shè)備供電的單相二線制電路，它們的投入運行，仍然會在配電線路中產(chǎn)生諧波分量。線路的實際電流包括了基波電流和諧波電流。如果不做校正，當諧波含量較大時，線路的過載就會不可避免。

例如：一條為10臺計算機供電的單相配電線路，每臺計算機按300VA計，該支路的計算電流（即基波電流Ij）為13.6A，可選用BV-3*2.5 穿管明敷設(shè)（環(huán)境溫度40℃的載流量為20A，依據(jù)04DX101-1）。

計算機設(shè)備的諧波含量較大，表2為某些型號計算機單臺諧波電流測量值。參照該表，將本條配電線路的總諧波含量THD取為125%?？紤]諧波電流后，配電線路的總有效電流及導體截面選擇的結(jié)果列于表3。

表2 某些型號計算機單臺諧波電流測量值(摘自《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》第3版 表6-32)

表3

設(shè)備容量/基波計算電流Ij總諧波含量THD(%)總諧波電流In=Ij*THD配電線路總有效電流Iyx導體截面（㎜2） 3000VA/13.6A125%17.0A21.8ABV-3*6

從上表可以看出，對于本條配電線路，原設(shè)計選用的BV-3*2.5㎜2其載流量為20A，小于配電線路的總有效電流。

由此可見，JGJ16-2008第7.4.4條，未要求單相配電線路的導體截面仍應根據(jù)諧波電流的影響對載流量加以校正，是不恰當?shù)摹?/p>

單相配電線路導體截面選擇的校正方法可參照表3，根據(jù)線路中具體的諧波含量做計算。由于單相兩線制配電線路，相線和中性線的電流相等，中性線應與相線選用同等截面。

另外，當同一相的用電設(shè)備為不同種類的諧波源時，比如一條照明線路上接有諧波含量不同的熒光燈及吊扇，諧波電流的計算方法參照《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施2009電氣》(以下簡稱為”措施”)的公式5.7.5-5及5.7.5-6，這里不再贅述。

2.2 關(guān)于問題2：斷路器的整定電流是否要考慮諧波電流的影響？

在前面的例子中，在做諧波校正前，配電線路的總有效電流為13.6A可以選配16A的斷路器；計及諧波電流的影響后，配電線路的總有效電流為21.8A。由于配電線路的諧波是實際存在的，諧波電流的發(fā)熱作用能降低斷路器的熱元件的動作電流。因此，原設(shè)計選用16A的斷路器，整定電流比線路的總有效電流小，當線路滿負荷運行時，就會造成斷路器長延時脫扣器動作于跳閘斷電。因此，斷路器的長延時脫扣器的整定電流也應考慮諧波電流的影響并加以校正。在上例中，該配電線路總有效電流為21.8A，應選配25A的斷路器。

事實上，工程實際中發(fā)生的斷路器跳閘事故，有些可能就是諧波引起的過電流，而常常被人們簡單地歸因于短路﹑漏電﹑更換或增加用電設(shè)備引起的過載等。

2.3 關(guān)于問題3：配電線路導體截面校正時是否只需考慮三次諧波的影響?

JGJ16-2008第7.4.4條的校正系數(shù)表中校正系數(shù)的選擇是根據(jù)相電流中三次諧波電流分量的多少來確定的，但實際上許多用電設(shè)備的三次以上的高次諧波的含量很高。

比如，從表2我們可以看到，計算機設(shè)備的5﹑7﹑9次諧波的含量是相當高的。以表3中的AST奔騰586為例，該款計算機的 3﹑5﹑7﹑9次諧波含量分別為88.9%﹑75%﹑55.6%﹑36.1%。

另外，有些設(shè)備如三相UPS設(shè)備，它的5次諧波含量很高，但不含有3次諧波。比如，以“措施”表5.9.5-9 中提到的三相UPS設(shè)備為例，負載率為10%的話，相線的基波電流為Ij=48.4A，3次諧波含量為0，總諧波含有率為THD=58.5%，計算結(jié)果如表4。

從表4可以看出，中性線上的電流遠大于相線電流。如果不做載流量校正，直接按Ij=48.4A選擇導線截面，中性線將嚴重過載。但是，依照校正系數(shù)表（即表1），按三次諧波分量的含量來判斷，就會得出該UPS設(shè)備的配電線路的導體截面的選擇不需做校正的結(jié)論，這顯然是不對的。

表4

相線基波計算電流Ij總諧波含量THD(%)相線總諧波電流In=Ij*THD相線總有效電流Iyx中性線電流Io= 3*In 48.4A58.5%28.3A56.1A84.9A

事實上，在JGJ16-2008表7.4.4-3的附注中就寫到“當預計有顯著（大于10%）的9次﹑12次等高次諧波存在時，可用一個較小的校正系數(shù)?！边@實際上也是要求在高次諧波的含量較高時，不能僅考慮三次諧波的影響。但這條附注未給出一個較明確的做法，設(shè)計工作中不便執(zhí)行。

3 該條規(guī)范執(zhí)行中的難點探討

首先，為了便于說明問題，筆者按表1的方法根據(jù)高次諧波含量將常見用電設(shè)備分類如下，見表5。

表5 據(jù)有關(guān)資料顯示日常用電設(shè)備的高次諧波電流含量如下

3.1 三相配電系統(tǒng)中性線上電流的計算方及導體截面的選擇

JGJ16-2008第7.4.4條第3款中還規(guī)定，“當預計中性導體電流高于相線電流時，電纜截面應按中性導體的電流來選擇”。根據(jù)這條規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，當相線的高次諧波（指奇次）含量大于33%時，中性導體的電流就比較大，甚至有可能超過相線電流。那么如何計算中性線上的電流呢？

三相平衡系統(tǒng)中，中性線上的不平衡電流為0。各相諧波電流在中性線上互相疊加，因此中性線的諧波電流為各相諧波電流之和。

例如：有一個學校的計算機教室有60臺學生實驗用的計算機，每臺的用電量仍按300VA計。每相各承擔20臺計算機用電。這是一個三相平衡的配電系統(tǒng)，各相的計算電流為Ij=300*60/（√3 *380）=27.3A，在不考慮諧波影響時，選擇32A斷路器及YJV-5*6的電纜穿管明敷設(shè)（環(huán)境溫度40℃的載流量為40A，依據(jù)04DX101-1）即可滿足要求。

由于THD大于55%，按表一的要求，應按中性線的電流做校正，因此首先應計算出中性線的電流。

計算機設(shè)備的諧電流基本為3﹑5﹑7﹑9﹑11﹑13次，各相諧波電流在中性線上互相疊加。因此，這個配電系統(tǒng)中，中性線的不平衡電流為0，且諧波電流為各相諧波電流之和。

表6

設(shè)備容量/相線基波計算電流Ij總諧波含量THD(%)相線總諧波電流In=Ij*THD相線總有效電流Iyx中性線電流Io= 3*In 18000VA/27.3A125%34.1A43.7A102.4A

根據(jù)計算結(jié)果，首先按相線的總有效電流選擇50A斷路器；其次將中性線的電流按表一除以校正系數(shù)1.00后，需選擇YJV-4*35+1*16的電纜（環(huán)境溫度40℃的載流量為116A，依據(jù)04DX101-1）。

通過這個例子也可以看出，考慮諧波電流引起的載流量校正后，選用的斷路器及電纜規(guī)格與原設(shè)計有很大的不同。不過由于相線的總有效電流較小，事實上選用BV-4*16+1*50（N）的導體，將N線特別加大，也可以滿足要求。

3.1.2三相不平衡系統(tǒng)

三相不平衡系統(tǒng)中，中性線上存在不平衡電流。因此，中性線上的電流除了諧波電流外，尚應計及此不平衡電流。

綜上所述，在建筑工程項目的設(shè)計過程中運用BIM技術(shù)，可以有效縮短工期，從而減少施工成本。同時還會促進建筑設(shè)計企業(yè)工作水平的不斷上升，從而在保證建筑設(shè)計企業(yè)經(jīng)濟效益的同時獲得社會效益，保證其可持續(xù)性發(fā)展。

由有關(guān)的分析可知，中性線的不平衡電流為各相基波電流的向量和，它也是一個正弦波，其最大值發(fā)生在電流次大相過零時。該中性線不平衡電流的最大值為最大相基波電流與最小相基波電流之差的0.866倍，且為其有效值的√2倍。由此可得：

中性線不平衡電流的有效值=0.866/√2*(最大相基波電流-最小相基波電流)=0.61*(最大相基波電流-最小相基波電流)

比如，上一個例子中，由于某種原因，60臺計算機設(shè)備未平均分配在電源的三相上，其中L1相23臺，基波計算電流為31.4A(最大相)；L2相20臺，基波計算電流為27.3A；L3相17臺，基波計算電流為23.2A（最小）。那么中性線上的不平衡電流有效值為：

(31.4-23.2)*0.866/√2=5.0A

中性線上的諧波電流仍為這60臺計算機設(shè)備的諧波電流之和，為102.4A。最后可得中性線上的有效電流為：

Ioyx=102.5A

可見，對于三相基本平衡的系統(tǒng)，中性線上主要是諧波電流，中性線的不平衡電流很小，甚至可以忽略不計。因此，在設(shè)計時應盡量保持三相平衡，這樣可以有效地降低中性線上的電流。

3.1.3配電柜（箱）中的N母排導體截面的選擇

配電柜（箱）中的N母排為配電線路N線電流的匯聚點，其導體截面的選擇也應考慮到諧波的影響。

傳統(tǒng)的觀念中，一般都認為三相配電設(shè)備中的N排電流遠小于相線匯流排的電流。因此配電箱廠出廠的配電柜（箱），N排常使用比相線匯流排小得多的導體。對于電子設(shè)備較多的系統(tǒng)，如本文中的第2個例子，由于N線總電流遠大于各相電流，因此N母排上通過的電流也遠大于相線匯流排。如果該例中的配電箱仍然不考慮加大N母排， N母排過載的情況就不可避免。由于N線上一般不裝設(shè)保護電器，N母排過載的情況將長期存在，直到引發(fā)安全事故。

3.2 問題2：在民用建筑中，配電系統(tǒng)中的各種設(shè)備的諧波含量各不相同，如何按表1選用校正系數(shù)？

當配電線路上連接的用電設(shè)備，其高次諧波電流分量在同一范圍內(nèi)，且均屬于表2中的Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ或Ⅳ類。這種情況最為簡單，直接求出相應的計算電流后，再除以校正系數(shù)即可，不必另行計算諧波電流及總有效電流。

但正常情況下，一個配電系統(tǒng)上連接的各種用電設(shè)備，它們的諧波含量各不相同，可能分屬于Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ或Ⅳ類，這時就不能直接選用某一個校正系數(shù)來計算。只能按本文前面提到的計算方法，分別計算出各相線及中性線的諧波電流及總有效電流，然后按最大的電流來選擇導線的截面，這里不再贅述。

4 結(jié)論

綜上所述，筆者認為，JGJ16-2008第7.4.4條第3款對于高諧波配電線路的導體截面的載流量校正的規(guī)定有待完善，對于諧波含量較大的單相回路的導體選擇，以及對于斷路器的整定電流都應該要考慮諧波的影響；并且尚應計及含量較高的三次以上的高次諧波的影響。

另外，筆者認為有關(guān)的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還很不完善，比如很多的用電設(shè)備缺乏諧波含量的有關(guān)數(shù)據(jù)。而且，在實際的設(shè)計工作中，每條配電線路都分別去計算諧波電流及總有效電流很是繁瑣，不便于設(shè)計執(zhí)行。因此，筆者呼吁有關(guān)規(guī)范能按建筑物的功能分類，給出各類性質(zhì)的建筑物，比如住宅樓﹑宿舍樓﹑辦公樓等的諧波校正系數(shù)，便于設(shè)計人員在校正斷路器整定電流及配電線路導體截面時有據(jù)可依。