一根零线连烧两次,没想到零线电流比火线还要大?

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     在低压配电系统中,正常时零线比火线电流要小。这是因为当三相负荷用电平衡时,三相电流完全抵消,此时零线电流为零;但是当三相负荷用电不平衡时,三相电流无法完全抵消,那么不平衡的电流就会通过零线回到变压器。在三相四线配电系统中,零线的电流一般比火线要小,这是所有业内人士的共识。但是,越来越多的事实却让人们在颠覆这个观念。 案例 有一天正在上课,有个学生打电话过来咨询我一个问题。

     在低压配电系统中,正常时零线比火线电流要小。这是因为当三相负荷用电平衡时,三相电流完全抵消,此时零线电流为零;但是当三相负荷用电不平衡时,三相电流无法完全抵消,那么不平衡的电流就会通过零线回到变压器。
在三相四线配电系统中,零线的电流一般比火线要小,这是所有业内人士的共识。但是,越来越多的事实却让人们在颠覆这个观念。


案例


有一天正在上课,有个学生打电话过来咨询我一个问题。
他前段时间接了一栋大厦的墙体广告线路安装,大厦四周的广告灯箱全都采用荧光灯照明,将近有1200支左右。


广告灯箱的电源是采用四根电线(3根25平方和1根16平方)从配电箱引来,1200支荧光灯都平均分配在三相线路中。


接好以后,通电试验正常,验收通过。但是用了一段时间,发现零线烧断了。当时以为零线选的过小,然后重新换了一根25平方的。就这样好了一段时间,没过多久,零线又烧掉了。


客户很不满意,如果再解决不好这个问题,可能尾款都拿不到。
我一边安抚他的情绪,一边思考,根据我多年的经验,这种情况最有可能是因为谐波的原因而导致零线电流过大。


我叫他测一下每条电线的电流,最后用钳表一测,简直惊呆了!
三相火线电流每相都差不多是90A,但是零线电流却达到惊人的158A。


实际上,零线电流过大的现象现在越来越普遍。为什么三相电的负荷平衡,零线上却还是会出现电流,并且电流达到相线电流的150%以上呢?


这是因为谐波的原因导致的。


谐波


我们都知道我们现在用的交流电是50HZ频率的正弦交流电。


正弦交流电波形图如下:


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正弦交流电


当正弦交流电里参杂了频率更高的杂波,把这个叫做谐波。


参杂了谐波的图形如下:


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  参杂了谐波的正弦交流电波形图


上图中,红色为我们正常的正弦交流电波形图,其中绿色和蓝色是谐波的波形图。

  交流非正弦信号可以分解为不同频率的正弦分量的线性组合。当正弦波分量的频率与原交流信号的频率相同时,称为基波。谐波,狭义讲,是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。当正弦波分量的频率是原交流信号的频率的非整数倍时,称为分数谐波,也称分数次谐波或间谐波。对于任意一复合周期振动函数y(T)按傅氏级数分解表示为:第一项称均值或直流分量,第二项为基波或基本振动,第三项称二次谐波,依此类推或把二次谐波以后的统称为高次谐波。

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谐波的产生


当三相交流电的电流波形为正弦波时,它们相差120°,并且幅度相同,在零线上矢量叠加的结果是总和为零。


但是如果相线上的电流是脉冲状的,并且相差120°。那么他们在中线上叠加起来的脉冲却是相互错开的,所以无法抵消,和零线的电流却是叠加的。


由于现代电气设备大多数含有整流电路,因此即使三相负荷平衡,零线上也会有较大的电流。


零线电流过大的危害十分严重,主要是因为两个方面的原因:


第一,零线的截面积并不比相线大,超过相线的电流必然会导致零线过热而烧断;


第二,当零线断线以后,由于三相不完全平衡,那么会造成各相电压不一致,三相设备无法正常工作。用电少的一相电压会升高;而用电多的一相电压会降低。电压升高的一相上的单相设备会损坏;电压降低的一相上的单设备无法正常工作。


电力系统谐波的危害


谐波对电力系统的主要危害如下:


(1)对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。


(2)谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。


(3)谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大。当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及自动装置误动,损坏系统设备(如电力电容器、电缆、电动机等),引发系统事故,威胁电力系统的安全运行。


(4)谐波可干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如线损),使无功补偿设备不能正常运行等,给系统和用户带来危害。


电力系统谐波的危害:


  1、对配电变压器的危害:

  接线组别为Yyno的配变,三相四线制接线时,三次谐波电流在配变原副绕组中产生谐波电压,并使中性点电压产生动脉。另外由于奇次谐波相位相同,它们在中性线上的相量叠加,使中性线上的零序电流相量叠加,因此中线性上因为流过谐波电流而发热。

  三相三线制接线时零序谐波由于相位相同,形成中性点电压,使相电压发生变化。


  对于接线组别为Dyno的配变,零序谐波电流在绕组中形成环流,使配变绕组发热,降低配变寿命。


  2、对电力电缆的危害:

  由于谐波次数高频率上升,再加上电缆导体截面积越大趋肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆允许通过的电流减少。另外,电缆的电阻、线路的感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,一 定数值得电感与电容可能发生湝振。


  3、对电力电容器的危害:

  当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流就增大,时电容器损耗功率增加。电容器的容抗与频率成反比,频率越高,阻抗越小,因而谐波电压能使电容器的电流增大很多。超出电容器允许条件,就会时电容器过电流和过负荷,因而异常发热,尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能是电网的谐波加剧,即产生谐波扩现象。在介质中诱发局部放电,由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩短1/2左右。当谐波与电容器的参数匹配时会产生谐振,使谐波得到方大,在谐波严重的情况下,造成电容器鼓肚、击穿、群爆及更大的损失。


  4、对白炽灯的损害:

  白炽灯泡是一种应用十分广泛的照明灯具,它的寿命与谐波的热效应关系很大,畸变系数的增地缩短灯泡的寿命,而改变基波电压相对来说比改变畸变系数的影响更大。


  5、对电动机的损害:

  谐波对电动机的损害主要是引起附加损耗,产生机械振动、噪声和谐波过电压。 


畸变波能使电动机铁心磁饱和增加,特别是铁心钳绕组的磁部饱和赠加,使基波短路阻抗减小,一般认为,三相异步电动机的n次谐波电流的大小可通过下式计算:


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 6、对电能表的影响:


  ⑴、机械式电能表系感性机构,在进行电能计量时,可以分以下三种情况:


  ①.畸变波电源供线性负荷,这时电能表计量的是基波电能和部分谐波电能,谐波会使用户设备性能变坏。这样用户既受到谐波污染又多缴电费。


  ②.正弦波电源供非线性负荷,此时电能表计量的是基波电能减去部分谐波电能。这表明用户污染了电网还少缴了电费。


  ③.畸变波电源供非线性负荷,这种情况就比较复杂了,基波电流是流向负荷的,而谐波电流则就不一定了,可能是流向负荷的,也可能是流向电源的,这要看具体情况了,最直接的方法就是用仪器来测量。


  ⑵、电子式电能表使用的是积分电路,无论是电网是向负荷提供谐波电流还是负荷向电网提供谐波电流都会积分计量在一起,这样就会造成计量误差。


  7、对低压开关设备的危害:

  对于配电用的断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响而使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流的影响而使其脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁形的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的短路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低的更多。由此可知,上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

  对于漏电断路器来说,由于谐波会漏电电流的作用,可能是断路器异常发热,出现误动或拒动。对于电磁接触器来说,谐波电流使磁体部件温升增大,线圈温度升高使额定电流降低。对于继电器来说,因受谐波电流的影响也要使电流降低。在工作它们都有可能造成误动作。


  8、对弱电系统设备的干扰:

  对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。


  9、对通讯线路的影响:

  通常音频通道的工作频率约为:200-400Hz,而供电系统的许多谐波就在这个频率范围之内。由于电力线路和通讯线路的功率水平差别很大,所以供电系统中的谐波将引起可以察觉的,有时是甚至不能容许的干扰杂音。


  10、对整流、逆变装置和逻辑控制电路的影响:

  整流装置和晶闸管电路在各种电气设备中得到了十分广泛的应用,大到直流输电用的整流和逆变装置,城市电车直流供电电源,小到变频设备、电视机、微机、交流稳压电源、电池充电器以及不停电电源(UPS)等,一方面这些装置按一定的规律开闭不同电路,因而产生谐波电流注入电网,成为谐波源,另一方面畸变的波形又影响他们及其负荷的正常运行。畸变波引起控制电路误差,造成引燃角位移,整流装置电流变化率、电压变化率过高或过热会引起设备故障和整流原件损坏。这些都会给换流装置带来危害。同时某些整流装置的逻辑控制电路往往因畸变电压而导致运行误差,造成运行错误。


  11、对熔断器熔体的影响:

  熔体中的谐波电流产生过热会造成其安秒特性曲线位移,因此电流低的故障要特别注意熔丝的选择以防止误熔断停电,影响供电。


  12、谐波集肤效应的影响:

  交变的电流通过导体产生交变磁通,交变磁通与导体产生感应电动势,致使通过导体内部的电流密度沿导体截面由中心向外变大,而中心电流密度最小,这就是通常所说的集肤效应。集肤效应既降低了导体的载流能力又增加了导体的自身损耗,并且随着电流频率的增加这种集肤效应更严重。一般工频(50 Hz)情况下集肤效应造成的损耗较小,而谐波的频率较高时,象5次谐波频率为250Hz以上的谐波集肤效应造成的损耗和影响就十分显着了。因此,在选择导线时要考虑谐波的集肤效应影响,适当增加导线截面。


  13、谐波对人体也有危害:

  从人体生理学角度来看,人体细胞在受到刺激兴奋时,会在细胞膜静息电位基础上发生快速波动或可逆翻转,其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的大脑与心脏。

谐波对电缆的危害


  大家都知道,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍电量。 
  通常谐波产生来自于三个方面:发电源质量不高产生谐波、输配电系统产生谐波、用电设备产生谐波。其中第三点是产生谐波的主要原因,例如非线性负载如:整流器、开关电源、UPS、变频器、逆变器等。如图1所示,设备产生的谐波。


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图1 设备产生的谐波 


  由以上三点产生的谐波对于我们的用电设备等有着严重的影响。针对这篇文章开头提到的西安地铁电缆。我们重点来看一下谐波对电缆的危害。 
  谐波污染将会使电缆的介质损耗,输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引起单相接地故障的可能性增加。 
  由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高,谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大,更容易发生故障。如图2所示,为谐波引起的线缆燃烧。



  图2 谐波引起的线缆燃烧 


  对于西安地铁的问题电缆,谐波的影响会更加突出,不合格的电缆加上谐波导致的发热,很容易发生事故。对于在一个相对密闭且人流量大的地铁站,这会更加严重。当然,问题电缆存在的问题不止涉及谐波这一点。 


  所以对于我们的交通等各方面安全,不仅要从传输介质来要求,更要从电的质量源头来把关。这时就需要一款设备,可以去准确捕捉测量电能质量各方面参数然后进行分析,及时排查可能存在的安全隐患。

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  • 陈大亮
    陈大亮 2019年09月10日 09:03:50 2楼

    学习了,没有设备消除谐波吗?或者变谐波为有用。

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