金春花，蔣 燕

（1.重慶忠縣供電公司，重慶忠縣 404300;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053）

0 引言

近年來我國電氣火災(zāi)與年俱增，已接近火災(zāi)總數(shù)的30%，居火災(zāi)原因的首位。電氣火災(zāi)中又以線路短路火災(zāi)居多，約占電氣火災(zāi)的40%，因此，電氣火災(zāi)防范的重點(diǎn)是防范線路短路。造成短路事故的原因有很多，而線路因過載加劇絕緣劣化以致失效而引起短路是較為重要的原因之一。

我國電氣火災(zāi)案例中常將線路的過載和短路并列為電氣火災(zāi)的起因，這是一個(gè)理論上的謬誤。國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC364-4-43將短路的后果描述為導(dǎo)體和連接處的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)引起的危險(xiǎn)，而將過載的后果描述為對(duì)絕緣﹑接頭端子或周圍物體造成損害而非危險(xiǎn)，過載不會(huì)直接起火，它只是引起短路起火的原因之一。也就是說，導(dǎo)線如果持續(xù)過載將使絕緣劣化導(dǎo)致短路起火。究其根本原因是短路引起火災(zāi)［1-4］。分析引起短路的原因，并采取切實(shí)有效措施，才能從根本上抑制電氣火災(zāi)的高發(fā)事態(tài)。

由于近年來大量采用開關(guān)電源的用電設(shè)備進(jìn)入民用領(lǐng)域，其非線性的負(fù)荷性質(zhì)導(dǎo)致大量諧波進(jìn)入低壓配電系統(tǒng)?，F(xiàn)行建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)大量非線性負(fù)荷場(chǎng)所的線路選擇未作定量的規(guī)定，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中一般沒有著重考慮該問題，并且可操作性也不強(qiáng)。加之民用系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷具有單臺(tái)容量小、數(shù)量大、分散性強(qiáng)，也給諧波過載的計(jì)算造成困難。論文對(duì)此展開研究，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出了民用低壓配電線纜截面選擇的修正方法。

1 線纜過載原因分析

在建筑電氣工程設(shè)計(jì)中，導(dǎo)線和電纜截面選擇的約束條件主要有:滿足允許發(fā)熱(最高溫升)要求;滿足線路電壓損失要求;滿足機(jī)械強(qiáng)度要求;滿足熱穩(wěn)定要求等。其中滿足允許發(fā)熱(最高溫升)要求往往是低壓配電系統(tǒng)線纜選擇的最苛刻要求。

金屬導(dǎo)線或電纜中流通電流時(shí)，由于導(dǎo)體電阻的存在，使導(dǎo)體產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高，同時(shí)向?qū)w周圍介質(zhì)散發(fā)熱量。導(dǎo)體或電纜的絕緣介質(zhì)，所允許承受的最高溫度ta必須大于載流導(dǎo)體表面的最高溫度tm，即ta＞tm，才能使絕緣介質(zhì)免于被破壞或老化加劇。目前導(dǎo)致低壓配電線纜過載的主要原因如下。

1.1 允許持續(xù)載流量偏大

線纜的允許持續(xù)電流是指導(dǎo)線能承受的長期工作電流，在此電流的作用下，其最大溫升不超過允許溫升。對(duì)單芯電纜而言(以下論述均以單芯電纜為例)，在穩(wěn)定溫升時(shí)，導(dǎo)體在持續(xù)電流Iz的作用下，其滿足該溫升條件的最小截面由下式確定:

式中:t1——導(dǎo)線的穩(wěn)定溫度(℃);

t0——周圍環(huán)境的溫度(℃);

d——導(dǎo)線的直徑(mm);

g——導(dǎo)線的電導(dǎo)系數(shù)(Km/Ω·mm2);

KS——散熱系數(shù)(W/cm2·℃)。

我國等同采用國際電工標(biāo)準(zhǔn)(IEC標(biāo)準(zhǔn))的載流量國家標(biāo)準(zhǔn)已通過審查，但尚未頒布。目前現(xiàn)行設(shè)計(jì)手冊(cè)中提供導(dǎo)線和電纜的載流量較IEC標(biāo)準(zhǔn)的載流量偏大，因此線纜可能長期運(yùn)行在過載狀態(tài)下，不能被過載保護(hù)裝置及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成安全隱患。

1.2 諧波過載

對(duì)于相線來說，只要按要求對(duì)線路配置了過載保護(hù)，當(dāng)相線過載時(shí)，即可由保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，避免過載線路的長期運(yùn)行，從而防止過載造成的短路故障。但是，中性線是不設(shè)保護(hù)裝置的，當(dāng)中性線過載，而相線并不過載時(shí)，無法得知其過載運(yùn)行狀況。對(duì)于向大量非線性負(fù)荷供電的線路來說，非線性負(fù)荷產(chǎn)生的3及3的倍數(shù)次諧波，在中性線上是代數(shù)相加關(guān)系，當(dāng)其含量足夠大時(shí)，完全可能造成中性線過載，且不易發(fā)現(xiàn)。這就是諧波過載造成的電氣火災(zāi)隱患，需要仔細(xì)研究，加以防范。

2 含諧波時(shí)的設(shè)備電參數(shù)計(jì)算

在理想的電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是純粹的正弦波。但采用開關(guān)電源的用電設(shè)備，如:電子鎮(zhèn)流器熒光燈、計(jì)算機(jī)、顯示器、微波爐等，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量諧波，增加了線路中無功功率的含量，致使總功率因素降低，流經(jīng)低壓配電線纜的電流有效值增大。并且，各相線3次及3的倍數(shù)次諧波電流流經(jīng)中性線，疊加后大大增加了流經(jīng)中性線的電流值，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)哂谙嗑€電流。

圖1直觀地描述了此問題。各相三次諧波電流在中性線上處于同一相位上，它們不是互相抵消，而是互相疊加(其3的倍數(shù)諧波電流也是如此，圖中未表示)?？梢娭行跃€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)，中性線電流可能等于甚至超過相線電流。

單相非線性設(shè)備的電流有效值、諧波電流含量、總諧波畸變率及總功率因數(shù)，可依據(jù)公式(2)～(4)進(jìn)行計(jì)算。

式中:I1—— 基波電流(A);

Irms—— 設(shè)備額定電流(A);

THD——總諧波畸變率;

HRIh——h次諧波電流含有率。

圖1 三次諧波電流疊加效應(yīng)

3 民用建筑中非線性用電設(shè)備的諧波狀況

民用建筑中主要的非線性設(shè)備(即諧波源設(shè)備)有緊湊型熒光燈、電腦主機(jī)、手提電腦、微波爐、顯示器、電視機(jī)等，首先在標(biāo)準(zhǔn)電壓源情況下分別對(duì)多個(gè)品牌和功率的設(shè)備進(jìn)行諧波含量測(cè)量，結(jié)果如表1所示?？梢姡鞣蔷€性設(shè)備的諧波電流含量和總諧波畸變率都是很高的。

表1 常用非線性設(shè)備的諧波狀況

4 民用建筑中非線性用電設(shè)備導(dǎo)致的中性線諧波電流分析

所謂諧波過載是指中性線上諧波電流超過中性線允許載流量。在三相系統(tǒng)中，各相的3及3的倍數(shù)次諧波電流在中性線上是呈疊加關(guān)系的，從表1可以看出，這些設(shè)備的3次諧波含量遠(yuǎn)高于其它3的倍數(shù)次諧波。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同設(shè)備的3次諧波之間的相位相差很小，即分散性很小;而其余3的倍數(shù)次諧波之間相位差較大，即分散性較大。因此，為簡化問題的分析，只考慮3次諧波在中性線上的疊加。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不同設(shè)備按使用者的需求進(jìn)行組合，對(duì)外呈現(xiàn)出組合后的諧波狀態(tài)。假設(shè)每戶住宅按緊湊型熒光燈5只、電腦主機(jī)2臺(tái)、手提電腦1臺(tái)、微波爐1臺(tái)、顯示器2臺(tái)、電視機(jī)1臺(tái)同時(shí)運(yùn)行計(jì)，此時(shí)的3次諧波電流為3.42A，而相應(yīng)的基波電流為6.423A，總電流有效值為7.67A。由于這些用電設(shè)備都是單相設(shè)備，假設(shè)住宅用戶均勻分布在三相，3次諧波在中性線上疊加，則中性線上電流與相電流(總電流)之比為1.34，即中性線上電流大于相線電流。對(duì)于非線性負(fù)荷使用時(shí)的其他組合方式的分析，可以得出近似的結(jié)論。

因此，在中性線導(dǎo)線選擇時(shí)，除應(yīng)按照目前規(guī)范規(guī)定的方法確定中性線截面，還應(yīng)根據(jù)非線性負(fù)荷的實(shí)際安裝容量和諧波含量，充分考慮諧波，尤其是3次諧波可能造成的中性線電流增加，并據(jù)此放大其截面。

5 結(jié)語

線路過載是電氣短路的起因，是發(fā)生電氣火災(zāi)的原因之一。從設(shè)計(jì)的角度看，導(dǎo)致線路過載的原因大致有:電氣設(shè)計(jì)資料中線纜載流量數(shù)值偏大;諧波使線路電流增大而過載。由于非線性負(fù)荷的日趨增多，為避免線路因諧波過載導(dǎo)致電氣火災(zāi)，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮到諧波對(duì)線路電流的影響，適當(dāng)增大線纜的截面。

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