陳偉志

（張家口市建筑設(shè)計院，河北張家口075000）

當電氣裝置中存在大量的諧波電流時，變壓器，電動機等電氣設(shè)備會因之發(fā)熱而降低工作效率，電氣回路導(dǎo)體會過載發(fā)熱，過電路保護器也會頻繁跳閘，甚至引起電氣火災(zāi)和其他安全事故.下面首先就電氣裝置中諧波電流的起因做一探討.

1 諧波電流產(chǎn)生的起因

電氣裝置中的諧波電流可源于公用電網(wǎng)，也可源于電氣裝置內(nèi)部的非線性負載，一個電氣裝置內(nèi)產(chǎn)生諧波，不僅危害自身，也會影響其它用戶的電氣設(shè)備.

1.1 線性負載和非線性負載

電氣負載一般有線性負載和非線性負載之分，若對一電氣負載施加一正弦電壓，其產(chǎn)生的電流也一定是正弦波，這類負載稱為線性負載，如果対一電氣負載施加一正弦電壓時，其產(chǎn)生的負載電流為非正弦波，這類負載就稱之為非線性負載.如開關(guān)式電源，氣體放電燈，變頻調(diào)速設(shè)備等.

1.2 非線性負載中電源線路阻抗和諧波的關(guān)系

對于非線性負載當加上正弦電壓激勵時，會產(chǎn)生非正弦電流，也就是所謂的諧波畸變電流，當此畸變電流通過線路阻抗時（一般為線性的）將在其上產(chǎn)生有畸變波形的電壓降，這就又使其后端電壓波形也產(chǎn)生畸變，此畸變的電壓施加到負載上，使線性負載上的電流波形也產(chǎn)生畸變，這樣這一回路的電氣裝置內(nèi)的電流和電壓波形就都發(fā)生了畸變而攜帶各次諧波，其產(chǎn)生的根源就在于裝置內(nèi)部存在的大量的非線性負載.而在實際中又不能因為負載為非線性產(chǎn)生諧波而不使用這類負載.所以，電氣裝置中的諧波電流產(chǎn)生是不可避免的.

2 諧波電流導(dǎo)致相線和中線過載

2.1 相線過載

電氣回路中除50Hz負載電流外，還存在其他高次諧波電流.在三相四線供配電系統(tǒng)中，相線會因此而過載，具體表現(xiàn)是：過電流保護器頻繁動作，但所測得電流卻往往未超過其額定值或整定值，這是因為一般常用的電磁式電流表的指針偏轉(zhuǎn)是按電流平均值，而過電流保護器熱脫扣器元件是按電流有效值動作.電流波形為正弦波時，平均值與有效值的比值是固定的，電流表能按此比值正確的反映有效值電流.而當相線內(nèi)存在諧波電流時，此比值已非固定值，其比值將隨電流波形的變化而變化.一般電流表指針偏轉(zhuǎn)角較小，而不能正確反映含有諧波電流的有效值，為此需要采用能按熱效應(yīng)測定有效值電流的電流表來進行測定，這種表稱為真實方均根值表.上述問題在實際工作中存在的危險是，對于不太了解電氣安全的人，在遇到上述情況時，常常誤認為是斷路器，熔斷器額定電流太小，而更換電流更大的斷路器和熔斷器，而不更換相線的橫截面較.這就留下很大的安全隱患，其后果是相線過載而電流保護器不動作，最終可能因回路長期過載而導(dǎo)致短路和各種電氣災(zāi)害發(fā)生.

2.2 中線過載

諧波電流能引起相線過載，但在實際工程中最常見的還是三相四線系統(tǒng)中的零線過載.過去，因非線性負載少，人們不怎么重視諧波過載的危害，認為零線只通過三相不平衡電流，其值很小，所以在設(shè)計和實際使用中，中性線截面積只取相線截面積的二分之一甚至三分之一.隨著大量非線性負載的應(yīng)用，諧波電流特別是3的奇數(shù)倍的諧波電流的大增，例如主要用氣體放電燈做光源的商場、寫字樓等場所的照明回路，在三相四線供電中采用大功率變頻調(diào)速的供熱、供水系統(tǒng)的電氣回路等，這些情況將造成中性線嚴重過載；因為對稱的三相交流電加在非線性負載上將產(chǎn)生三個對稱的非正弦交流電流，它們在時間上依次相差三分之一個周期，但產(chǎn)生變化規(guī)律相同，根據(jù)傅里葉級數(shù)將此三相電流展開；

現(xiàn)取k為奇數(shù)，若k＝6n＋3，n＝0，1，2，3，……，即k＝3，9，15，21，……時，則各相中系列諧波電流的初相分別為；

可見這些諧波中，每一次諧波都是等幅同相的，工程上稱之為三相對稱零序電流，這些零序電流和三相不平衡電流都要通過中線，在中線上形成疊加，導(dǎo)致中線電流與相線電流接近甚至超過.如果在設(shè)計、施工中對此認識不足，仍采用中線截面積為相線截面積的二分之一或三分之一，則中線過載將不會避免.

3 防諧波電流過載的導(dǎo)線截面積的選擇

3.1 導(dǎo)線截面積的選則

我國已頒布的等同采用IEC標準載流量的國家標準《建筑物電氣裝置》第五部分與《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB50054－2011）.

在IEC標準中，三相四線回路采用多芯電纜或穿管導(dǎo)線時，不論回路帶電導(dǎo)體數(shù)為三根或四根，其載流量都按三相負載平衡時三根帶電相線發(fā)熱來標定.即使三相電流不平衡，中線帶電流也是如此，這是因為它將電纜或穿管導(dǎo)體視作一個綜合發(fā)熱體來考慮三相電流不平衡的，中線增加的熱量可由電流較小的相線的欠發(fā)熱來抵消，回路總發(fā)熱量沒有變化.

在三相電流平衡且有三次諧波電流的情況下，并沒有相線欠發(fā)熱，反而因諧波電流的存在而增加發(fā)熱，中線則因諧波電流的疊加而更熱，為此，當諧波電流含量超過一定的百分數(shù)時，需要考慮一個載流量降低系數(shù)，來增大中線截面，其值見表1：

表1 電纜或穿線管導(dǎo)線三相四線回路存在諧波電流時的降低系數(shù)

當三相四線回路導(dǎo)線在空氣中有間隔地明敷時，其熱量可自由散發(fā)而互不影響，即可以不按綜合發(fā)熱體來考慮，而是按每根導(dǎo)線的實際電流（包括諧波電流）分別確定其截面積，不需考慮降低系數(shù).

下面通過兩例來說明穿管暗敷導(dǎo)線和明敷導(dǎo)線在回路中有三次諧波時截面積的選擇.導(dǎo)線均為銅芯穿PVC絕緣管，工作溫度為70℃，環(huán)境溫度為30℃，穿管導(dǎo)線在非熱源墻內(nèi)暗敷，明敷導(dǎo)線利用絕緣子在墻上水平敷設(shè).按IEC標準這兩種方式的載流量見表2：

表2 IEC標準部分穿管暗敷導(dǎo)線和明敷導(dǎo)線三相回路載流量

上表中三相回路的載流量，不論導(dǎo)線數(shù)為三根，四根還是五根，也不論中線有無電流，都是只按三相負載平衡，三根相線通過相同的電流發(fā)熱來確定網(wǎng)絡(luò)的負載電流，它視整個回路為一個綜合發(fā)熱體.

例一：一三相四線回路在一般非熱絕緣墻內(nèi)穿管敷設(shè)，三相電流基本平衡，負載電流為60A，試確定三次諧波電流含量分別為20、40，、60時導(dǎo)線的截面.

解：1）諧波電流為20時；

中線電流 IN＝60×0.2×3＝36（A） 查表1：應(yīng)按相線電流取0.86的降低系數(shù)，得設(shè)計電流：＝71.2（A），再查表2，可知應(yīng)選用：4×25mm2的導(dǎo)線.

2）諧波電流為40時；

中線電流 IN＝60×0.4×3＝72（A），查表1：應(yīng)按相線電流取0.86的降低系數(shù)，得設(shè)計電流：＝83.7（A），再查表2，可知應(yīng)選用：4×25mm2的導(dǎo)線.

3）諧波電流為60%時；

中線電流 IN＝60×0.6×3＝108（A），查表1：應(yīng)按中線電流取1的降低系數(shù)，得設(shè)計電流：＝108（A），再查表2，可知應(yīng)選用4×35mm2的導(dǎo)線.

例二：同例一，但負載電流為275A，敷設(shè)方式為沿墻明敷，用絕緣子水平敷設(shè).

按IEC標準，當線路與其鄰近的其它物體的空隙大于多芯電纜外徑的0.3倍，或大于單芯電纜外徑1倍時，就可將電纜（導(dǎo)線）的載流量取為在導(dǎo)體發(fā)熱量不受阻礙地自由散發(fā)在空氣中敷設(shè)時的載流量，此載流量即表2中墻面上明敷時的載流量，這樣可分別按導(dǎo)線各自通過的電流選取導(dǎo)線的截面積，不必視回路為綜合發(fā)熱體在電流計算中計入降低系數(shù)，為此有；

解：1）諧波電流含有量為20%時；

查表2確定導(dǎo)線截面積為3×95mm2＋1×50mm2.

2）諧波電流含有量為40%時；

查表2確定導(dǎo)線截面積為；3×95mm2＋1×120mm2.

3））諧波電流含有量為60%時；

查表2確定導(dǎo)線截面積為；3×120mm2＋1×240mm2.

由以上兩例可知，當回路中有大量三次諧波電流時，不僅中線截面積需要增大，相線截面積也要增大.還需說明的是：如果回路中還存在三次諧波奇數(shù)倍的電流，其含量超過10%或存在三相不平衡的50 Hz交流電流，其不平衡度大于50%，則還需視情況酌量增大導(dǎo)體截面積.

4 結(jié) 論

以上主要從工程實踐出發(fā)，結(jié)合作者多年的工作實際，論述了諧波電流產(chǎn)生的原因及對回路導(dǎo)體造成的危害并示例說明在設(shè)計和施工中如何參照IEC標準來正確地選擇導(dǎo)線的截面積，以防止回路過載，寫出來與大家共同探討，不妥之處請予以指正.

［1］《電路原理》.范承志.機械工業(yè)出版社，2001

［2］《低壓電氣設(shè)計規(guī)范》.2012－06－01實施

［3］《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》.2012－04－01實施

［4］《注冊電氣工程師設(shè)計手冊》.朱林根.中國電力出版社，2005