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安科瑞中線安防中性線熱故障和火災問題探討

發布時間：2022-04-06瀏覽次數：0

1. 概述

社會經濟和科技的發展推動著通信技術、計算機技術、光電技術等的不斷進步，在實際生產和生活中現代電力電子設備、變頻空調、LED屏、計算機、數字辦公設備以及通信設備等被廣泛應用，這些設備和裝置的使用會引起線路諧波電流過大和三相不平衡等問題，容易造成中性線絕緣層老化起火從而引發火災，存在較大的安全隱患。針對這樣的情況，我司新型的ANSNP中線安防保護器可有效消除過大的中性線電流，同時解決諧波污染嚴重、三相不平衡、功率因數低等電能質量問題。

中線安防保護器的基本原理為:通過電流檢測環節采集系統中性線上各次諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，生成諧波電流指令，通過功率執行器件輸出與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，補償電流注入中性線，實現消除中性線電流的目的。

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2. 產品設計的必要性

2.1 應用背景

根據最近幾年的火災數據統計，電氣火災占據所有火災的比例非常高。2018年全年全國共統計火災38.9萬起，死亡2113人，受傷1637人。電氣火災比例最高，違反電氣安裝使用規定等引發的火災共11.6萬起，死亡745人，受傷538人，分別占總數的29.7%、35.3%和32.9%。其中電氣線路是電氣火災中最主要的起火源，所占的比例高達60%以上，是防范的重點（公安部消防局，2010)。其中由于中性線導致的起火數量占有不小比例，所以治理中性線電流過大問題是非常有必要的。

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2.2 中性線定義及危害

中性線的定義·三相電的星形接法是把每一相電源或負載的一端都接在中性點上，將中性點引出的這條線叫中性線，這樣就形成三相四線制或者五線制不引出，形成三相三線制。現在的低壓配電線路，采用最多的是=相四線制，其中的三條線路分別用ABC代表三相，另一條中性線用N代表。

在三相四線制或五線制供電系統運行過程中中性線引發火災事故主要通過三種途徑：

中性線長期過載導致中性線絕緣層老化，最后使得絕緣層燃燒引發火災；

中性線故障使中性線開路，導致三相電嚴重不平衡，燒毀電氣設備引發火災。中性線老化使線路局部過熱導致中性絕緣層老化，最后使得絕緣層燃燒引發火災。

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2.3 相關事件

2019年北京某商場配電室起火，事發時，數千名購物者被緊急疏散，未造成人員傷亡。事故原因是由于電網投入過多變頻空調、LED照明、LED電子屏幕等非線性負載，且多為單相設備，存在嚴重的三相不平衡，會導致中性線電流過大，長期在此運行環境下，最終造成線纜絕緣層老化發熱起火，釀成火災。

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2016年某電影院大樓發生大火，過火面積達到500多平方米，直接經濟損失達千萬元，所幸無人員傷亡。事后調查起因，該配電室變壓器下主要負載為音響、放映設備和節能照明燈等，且用電多為單相負荷，容易導致中性線中存在大量零序電流，引起配電柜中中性線母排老化起火，造成事故。

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3. 設計依據

3.1設計標準

GB50054-2011《低壓配電設計規范》 GB176251-2012《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》 GB/T176258-2015《電磁兼容限值每相輸入電流大于16A小于等于75A連接到公用低壓系統的設備產生的諧波電流限值》

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3.2 具體條例

在三相四線制低壓04kV配電系統中，中性線一般小于等于相線的線徑，而當中性線中存在3N 次諧波時，中性線電流非常容易超過相線電流 *GB50054-2011《低壓配電設計規范》 3.2.6當電纜沿敷路徑中各場所的散熱條件不相同時，電纜的散熱條件應按最不利的場所確定

3.2.7符合下列情況之一的線路，中性導體的截面應與相導體的截面相同

1)單相兩線制線路; 2)銅相導體截面小于等于16mm或鋁相導體截面小于等于25mm的三相四線線路。 3.28符合下列條件的線路中性導體截面可小于相導體截面:

1)銅相導體截面大于16mm或鋁相導體截面大于25mm2: 2)銅中性導體截面大于等于16mm或鋁中性導體截面大于等于25mm2 3)當正常工作時，包括諧波電流在內的中性導體預期最大電流小于等于中性導的允許載流量:

4)中性導體已進行了過電流保護。 3.2.9在三相四線制線路中存在諧波電流時，計算中性導體的電流應計入諧波電流的效應。當中性導體電流大于相導體電流時，電纜相導體截面應按中性導體電流選擇。

3.3中線安防保護器上圖示例

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4. 產品型號及尺寸

4.1 產品型號

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4.2 模塊接口示意

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4.3 產品尺寸

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5. 技術參數

5.1 中線安防保護器

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5.2 終端綜合治理裝置

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6.應用案例

6.1體育中心

現場情況: 該現場為某體育中心泛光照明供配電系統，選擇10個測量點測量了電參量，各個配電箱總進線端A/B/C三相電流基本平衡，各相電流有效值不超過350A,但是中性線電流有效值非常大。總結當前系統存在以下幾點問題: (1)中性線電流是相線電流的1-1.7倍左右; (2)中性線電流的主要諧波頻次為3次諧波電流，同時還存在其他3N次諧波和不平衡電流;

(3) 3次諧波電流有效值的3倍實際小于中性線電流，多出的部分其電流成分暫時無法定性;

(4)總諧波電流畸變率相對偏高，從3次諧波的占比可以看出各個配電箱沒有規律可循;

(5)開關電源型負荷基波功率因數cos中為容性，由PF=P/S=COS 中/ (sqrt (1+THDi*THDi))公式可知，THDi減小，全波功率因數PF會相應增大。

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※原因分析: 該系統主要負荷類型為開關電源型開關電源型負荷有2大特點: 其一是電流有效值分解后，諧波電流以3次諧波電流為主，THDi一般在70%-120%之間。例如單測一個5A的開關電源，其3次諧波電流畸變率可高達120%左右。而隨著多個開關電源的并聯，總電流有效值、3次諧波電流有效值都會變大，但是3次諧波電流有效值在總電流有效值內的占比會相應減小，也就是總諧波電流畸變率大小與并聯的開關電源數量呈負相關，在70%-120%的范圍內變化; 其二是純開關電源的無功特性為容性無功居多無功功率分為感性無功和容性無功，常見的用電負荷大部分為感性負荷產生的無功為感性無功，一般采用主動投入電容器的方法，通過注入容性無功，與系統中的感性無功相抵消，從而達到補償無功功率、提高功率因數的目的。但是開關電源的無功本身屬于容性無功，如果主動投入電容器的話，反而會使系統無功功率增加，出現功率因數急速降低的現象。另外，理論上講中性線產生電流的原因主要有兩方面:

其一是A/B/C三相不平衡導致中性線上有零序電流的存在; 其二是相線3N次諧波電流會在中性線上疊加(例:A相上有10A的3次諧波電流，B相上有20A的3次諧波電流，C相上有5A的3次諧波電流，中性線上會有10+20+5=35A的諧波電流;同理9次諧波電流、15次諧波電流等都具有相同的特性)。所以實際測量數據的中性線電流遠大于相線電流這種現象在開關電源型負荷中十分常見。如果此系統中全是3次諧波，實測中諧波電流總畸變率和3次諧波占有率應該是非常接近的數值，但是從實測數據中發現兩個值存在較大差異，所以此系統的中性線上不僅僅有3次諧波電流，還會有9次、15次、21次諧波電流以及三相不平衡等因素的存在。

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※凈化效果如下圖所示，根據治理方案可知，此次我們需要測量的數據主要為中性線電流及總諧波電流畸變率。下圖左上為監測點電流，右上為對應電流畸變率。Irms1為相線網側電流，2為相線負載電流，3為中性線網側申流，4為ANSNP發出電流。體育中心AL8號箱子負載經過ANSNP設備治理后，相線電流從175A左右降到128A左右。ANSNP設備輸出274A的補償電流，中性線電流經過補償后在37A左右，滿足對治理效果的預期要求。

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6.2家居廣場

現場情況該現場為某家居廣場，由于LED屏在工作過程中功率會不斷變化，導致中性線電流大小隨之變化，配電間中性線發熱，配電箱溫度較高;隨著中性線電流的波動變化，變壓器間歇發出異響現場母排和柜子之間的震動聲響比較頻繁。

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數據分析：根據LED屏亮度50%時變壓器測量數據可知，變壓器進線側電流畸變率約為45%，總諧波電流約為295A，中性線電流約為622A，諧波電流的主要次數為3次，達到了242A，超過國標《GB/T14549-1993》中對應規定的限值(62A);電壓畸變率A相為5.03%，超出國標限值5%。根據LED亮度50%測量數據可知，就地測量LED屏的電流畸變率約為85%，總諧波電流約為229A，中性線電流約為438A，諧波電流的主要次數為3次，超過國標《GB/T14549-1993》中對應規定的限(62A);電壓畸變率約為12%，超出國標限值5%。諧波電流流入系統，會對系統和其他設備的正常運行造成危害，建議及時進行諧波治理，避免諧波危害。