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安科瑞中線安防中性線熱故障和火災(zāi)問題探討

發(fā)布時(shí)間：2022-04-06瀏覽次數(shù)：0

1. 概述

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展推動(dòng)著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)等的不斷進(jìn)步，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中現(xiàn)代電力電子設(shè)備、變頻空調(diào)、LED屏、計(jì)算機(jī)、數(shù)字辦公設(shè)備以及通信設(shè)備等被廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備和裝置的使用會(huì)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(fā)火災(zāi)，存在較大的安全隱患。針對(duì)這樣的情況，我司新型的ANSNP中線安防保護(hù)器可有效消除過大的中性線電流，同時(shí)解決諧波污染嚴(yán)重、三相不平衡、功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題。

中線安防保護(hù)器的基本原理為:通過電流檢測(cè)環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)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(zhí)行器件輸出與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流注入中性線，實(shí)現(xiàn)消除中性線電流的目的。

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2. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要性

2.1 應(yīng)用背景

根據(jù)最近幾年的火災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電氣火災(zāi)占據(jù)所有火災(zāi)的比例非常高。2018年全年全國(guó)共統(tǒng)計(jì)火災(zāi)38.9萬起，死亡2113人，受傷1637人。電氣火災(zāi)比例最高，違反電氣安裝使用規(guī)定等引發(fā)的火災(zāi)共11.6萬起，死亡745人，受傷538人，分別占總數(shù)的29.7%、35.3%和32.9%。其中電氣線路是電氣火災(zāi)中最主要的起火源，所占的比例高達(dá)60%以上，是防范的重點(diǎn)（公安部消防局，2010)。其中由于中性線導(dǎo)致的起火數(shù)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(fù)載的一端都接在中性點(diǎn)上，將中性點(diǎn)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(xiàn)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(tǒng)運(yùn)行過程中中性線引發(fā)火災(zāi)事故主要通過三種途徑：

中性線長(zhǎng)期過載導(dǎo)致中性線絕緣層老化，最后使得絕緣層燃燒引發(fā)火災(zāi)；

中性線故障使中性線開路，導(dǎo)致三相電嚴(yán)重不平衡，燒毀電氣設(shè)備引發(fā)火災(zāi)。中性線老化使線路局部過熱導(dǎo)致中性絕緣層老化，最后使得絕緣層燃燒引發(fā)火災(zāi)。

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2.3 相關(guān)事件

2019年北京某商場(chǎng)配電室起火，事發(fā)時(shí)，數(shù)千名購(gòu)物者被緊急疏散，未造成人員傷亡。事故原因是由于電網(wǎng)投入過多變頻空調(diào)、LED照明、LED電子屏幕等非線性負(fù)載，且多為單相設(shè)備，存在嚴(yán)重的三相不平衡，會(huì)導(dǎo)致中性線電流過大，長(zhǎng)期在此運(yùn)行環(huán)境下，最終造成線纜絕緣層老化發(fā)熱起火，釀成火災(zāi)。

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2016年某電影院大樓發(fā)生大火，過火面積達(dá)到500多平方米，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)千萬元，所幸無人員傷亡。事后調(diào)查起因，該配電室變壓器下主要負(fù)載為音響、放映設(shè)備和節(jié)能照明燈等，且用電多為單相負(fù)荷，容易導(dǎo)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(shè)計(jì)依據(jù)

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB176251-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)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(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)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(tǒng)中，中性線一般小于等于相線的線徑，而當(dāng)中性線中存在3N 次諧波時(shí)，中性線電流非常容易超過相線電流 *GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 3.2.6當(dāng)電纜沿敷路徑中各場(chǎng)所的散熱條件不相同時(shí)，電纜的散熱條件應(yīng)按最不利的場(chǎng)所確定

3.2.7符合下列情況之一的線路，中性導(dǎo)體的截面應(yīng)與相導(dǎo)體的截面相同

1)單相兩線制線路; 2)銅相導(dǎo)體截面小于等于16mm或鋁相導(dǎo)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(dǎo)體截面可小于相導(dǎo)體截面:

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

4)中性導(dǎo)體已進(jìn)行了過電流保護(hù)。 3.2.9在三相四線制線路中存在諧波電流時(shí)，計(jì)算中性導(dǎo)體的電流應(yīng)計(jì)入諧波電流的效應(yīng)。當(dāng)中性導(dǎo)體電流大于相導(dǎo)體電流時(shí)，電纜相導(dǎo)體截面應(yīng)按中性導(dǎo)體電流選擇。

3.3中線安防保護(hù)器上圖示例

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4. 產(chǎn)品型號(hào)及尺寸

4.1 產(chǎn)品型號(hào)

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4.2 模塊接口示意

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4.3 產(chǎn)品尺寸

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5. 技術(shù)參數(shù)

5.1 中線安防保護(hù)器

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5.2 終端綜合治理裝置

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6.應(yīng)用案例

6.1體育中心

現(xiàn)場(chǎng)情況: 該現(xiàn)場(chǎng)為某體育中心泛光照明供配電系統(tǒng)，選擇10個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量了電參量，各個(gè)配電箱總進(jìn)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(jié)當(dāng)前系統(tǒng)存在以下幾點(diǎn)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(shí)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(shí)際小于中性線電流，多出的部分其電流成分暫時(shí)無法定性;

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

(5)開關(guān)電源型負(fù)荷基波功率因數(shù)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(shù)PF會(huì)相應(yīng)增大。

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※原因分析: 該系統(tǒng)主要負(fù)荷類型為開關(guān)電源型開關(guān)電源型負(fù)荷有2大特點(diǎn): 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(cè)一個(gè)5A的開關(guān)電源，其3次諧波電流畸變率可高達(dá)120%左右。而隨著多個(gè)開關(guān)電源的并聯(lián)，總電流有效值、3次諧波電流有效值都會(huì)變大，但是3次諧波電流有效值在總電流有效值內(nèi)的占比會(huì)相應(yīng)減小，也就是總諧波電流畸變率大小與并聯(lián)的開關(guān)電源數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，在70%-120%的范圍內(nèi)變化; 其二是純開關(guān)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(fù)荷大部分為感性負(fù)荷產(chǎn)生的無功為感性無功，一般采用主動(dòng)投入電容器的方法，通過注入容性無功，與系統(tǒng)中的感性無功相抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償無功功率、提高功率因數(shù)的目的。但是開關(guān)電源的無功本身屬于容性無功，如果主動(dòng)投入電容器的話，反而會(huì)使系統(tǒng)無功功率增加，出現(xiàn)功率因數(shù)急速降低的現(xiàn)象。另外，理論上講中性線產(chǎn)生電流的原因主要有兩方面:

其一是A/B/C三相不平衡導(dǎo)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(huì)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(huì)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(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的中性線電流遠(yuǎn)大于相線電流這種現(xiàn)象在開關(guān)電源型負(fù)荷中十分常見。如果此系統(tǒng)中全是3次諧波，實(shí)測(cè)中諧波電流總畸變率和3次諧波占有率應(yīng)該是非常接近的數(shù)值，但是從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)值存在較大差異，所以此系統(tǒng)的中性線上不僅僅有3次諧波電流，還會(huì)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(jù)治理方案可知，此次我們需要測(cè)量的數(shù)據(jù)主要為中性線電流及總諧波電流畸變率。下圖左上為監(jiān)測(cè)點(diǎn)電流，右上為對(duì)應(yīng)電流畸變率。Irms1為相線網(wǎng)側(cè)電流，2為相線負(fù)載電流，3為中性線網(wǎng)側(cè)申流，4為ANSNP發(fā)出電流。體育中心AL8號(hào)箱子負(fù)載經(jīng)過ANSNP設(shè)備治理后，相線電流從175A左右降到128A左右。ANSNP設(shè)備輸出274A的補(bǔ)償電流，中性線電流經(jīng)過補(bǔ)償后在37A左右，滿足對(duì)治理效果的預(yù)期要求。

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6.2家居廣場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)情況該現(xiàn)場(chǎng)為某家居廣場(chǎng)，由于LED屏在工作過程中功率會(huì)不斷變化，導(dǎo)致中性線電流大小隨之變化，配電間中性線發(fā)熱，配電箱溫度較高;隨著中性線電流的波動(dòng)變化，變壓器間歇發(fā)出異響現(xiàn)場(chǎng)母排和柜子之間的震動(dòng)聲響比較頻繁。

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數(shù)據(jù)分析：根據(jù)LED屏亮度50%時(shí)變壓器測(cè)量數(shù)據(jù)可知，變壓器進(jìn)線側(cè)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(shù)為3次，達(dá)到了242A，超過國(guó)標(biāo)《GB/T14549-1993》中對(duì)應(yīng)規(guī)定的限值(62A);電壓畸變率A相為5.03%，超出國(guó)標(biāo)限值5%。根據(jù)LED亮度50%測(cè)量數(shù)據(jù)可知，就地測(cè)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(shù)為3次，超過國(guó)標(biāo)《GB/T14549-1993》中對(duì)應(yīng)規(guī)定的限(62A);電壓畸變率約為12%，超出國(guó)標(biāo)限值5%。諧波電流流入系統(tǒng)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)和其他設(shè)備的正常運(yùn)行造成危害，建議及時(shí)進(jìn)行諧波治理，避免諧波危害。