智慧城市管理系统网
glxt.afzhan.com一、引言
社会经济与科学技术的快速发展，推动了通信、计算机及光电技术的持续进步。在大型商业、公共与工业建筑中，LED灯具、LED显示屏、变频空调、计算机、办公通信设备及工厂加热电源等现代电力电子设备得到广泛应用。这类设备易产生3N次谐波与三相不平衡等问题，进而造成N线电流过大，易引发N线绝缘层老化、发热起火等安全隐患，严重威胁供配电系统安全运行[1]。
在三相四线制供配电系统中，大量非线性负载的投入使得电网电能质量污染加剧，其中三相零序谐波因同相位、等幅值在N线叠加回流，是造成N线过流的主要原因[2]。文献[3]提出一种基于磁通补偿原理的无电容拓扑零序滤波器，其滤波特性不受电网参数影响，无谐波放大与失谐风险，可为电压型非线性负载提供低阻抗谐波通路。文献[4]针对零序电流问题，提出一种基于曲折接线的相间耦合电抗器零序谐波方案。文献[5]基于磁通补偿原理，设计了一种中性线零序电流滤波装置，通过调节补偿绕组电流的大小与方向改变合成磁通，进而调整系统对外等效阻抗。文献[6]针对楼宇大规模LED照明系统，通过电路分析计算、设计规范对标及滤波设备选型，完成了谐波治理的电气设计。文献[7]以机场LED照明配电箱为应用场景，将零线电流消除器与 LED 灯具串联，利用磁通补偿原理零序谐波引起的 N 线过流问题。
综合现有研究可知，当前 N 线电流治理多采用无源串/并联治理方式，但仍存在诸多不足：1）易引发中性点电压漂移，导致相地电压升高；2）仅对固定3次谐波具有治理效果，针对高次谐波需增设滤波回路，导致设备体积变大、成本上升；3）对电网阻抗与频率变化较为敏感，易发生谐振现象；4）在负载快速波动或N线过流突发工况下，设备易损坏。
本文针对3n次谐波与三相不平衡引发的N线电流过大问题，提出一种终端电气综合治理解决方案，构建“互联-监测-分析-治理”四位一体体系。通过硬件设备、通信网关与软件平台，实现配电系统从设备级监测到电能质量预判、异常数据分析与治理补偿的全过程管控，形成集监测、报警、控制、保护于一体的闭环管理模式，有效保障末端供配电系统安全、可靠、稳定运行
二、N线电流产生机理
2.1 N线电流产生的原因
在实际项目现场，由3n次谐波与三相不平衡引发的N线带电现象尤为普遍。尤其在商业广场、体育中心广场等场景，大量LED荧光灯、泛光灯及LED屏等设备的投入，易导致N线带电问题。此类负载均为开关电源型，主要具有以下特点：1）负载谐波含量高。其内部开关器件工作于高频开关状态时，会导致输入输出电流与电压波形畸变，谐波电流以3次谐波为主，电流畸变率THDi通常在70%-120%之间，同时伴随高次谐波成分。2）开关电源普遍采用功率因数校正（PFC）技术，因此无功特性以容性无功为主，功率因数可达0.9以上。若现场已存在电容器，再主动投入电容器，反而会增加系统无功功率，导致功率因数快速下降。
2.2 N线电流产生的原因
在0.4kV低压配电系统中，N线带电是较为常见的异常现象，主要由以下因素引起：1）A/B/C三相负载电流不平衡；2）非线性负载产生3n次谐波电流；3）N线断线导致阻抗急剧变大，电流无法经N线形成回路，负载侧中性点电位偏移；4）N线与保护接地PE线混接；5）A/B/C相线与N线间绝缘破损，引发相线与N线漏电；6）接地故障，TN-S系统中若中性点接地电阻偏大或接地不可靠，发生单相接地时中性点电位升高，从而使N线带电。
3.1 无源装置
针对零序电流特性，市场上多采用无源零序滤波器治理N线过流问题。其基本原理为并联零序滤波器，对零序电流呈低阻抗特性，使零序电流主要经滤波器流通，减少N线电流。该类零序滤波器通常采用由电感、电容、电阻构成的LC滤波回路，或利用内部磁通相互抵消的方式滤除固定3次谐波分量，但对高次谐波需增设滤波回路，存在设备体积大、成本高的问题；采用串联于N线的零线电流阻断器进行治理，其原理是在N线串入高阻抗元件，阻止三相零序谐波流入N线。但在N线串接阻抗会改变零线整体阻抗，引发中性点电压漂移，抬升相 - 地电压，易造成用电设备损坏、开关及绝缘保护击穿。同时国标 GBJ65-83《工业与民用电力装置的接地设计规范》明确规定，零线上严禁串接开关、熔断器及电阻等器件。图1为零线电流阻断器接线图。
图1 零线电流阻断器连接图
3.2 有源装置
无源零序滤波器虽可在一定程度上治理N线电流过大问题，但自身存在局限性，难以适应负载快速变化工况，且易受系统运行状态影响。基于瞬时无功理论的APF有源电力滤波器，可对不同频率谐波进行实时检测、跟踪与补偿治理，适用于各类谐波环境，具有补偿效果好、响应速度快等优点，采用并联方式接入电网，不会影响其他用电负载回路正常运行。当前有源滤波技术仍存在以下不足：1）电压畸变率较高时，谐波检测精度偏低、误差较大；2）面对毫秒级负载波动，易出现补偿滞后现象；3）APF输出阻抗与电网阻抗易引发高频谐振问题；4）弱电网条件下，相位裕度不足会影响APF运行稳定性。图2为APF补偿原理图。
图2 APF补偿原理图
四、终端电气综合治理系统解决方案
终端电气综合治理系统解决方案由终端电气电能质量综合治理设备、通信网关、服务器及服务终端四部分构成。其中，终端电气电能质量综合治理设备作为底层硬件，完成末端配电数据采集与电能质量补偿等功能；通信网关实现终端治理设备与服务器之间的数据传输及策略功能分配；设备运行数据通过服务器，以服务终端为载体为用户提供可视化展示。终端系统拓扑如图3所示。
图3 终端系统拓扑图
终端电气综合治理系统解决方案集“互联-监测-分析-治理”四位一体，可实现配电系统从设备级监测、电能质量预判到异常数据分析的全过程管控，满足谐波、无功及三相不平衡治理要求，同时具备N线温度异常检测、N线电流治理及过流反馈保护等功能。与APF有源滤波器及无源零线电流阻断器相比，其优势在于：1）构建“互联-监测-分析-治理”四位一体体系，涵盖硬件治理设备、通信网关、服务器与软件服务平台；2）强化N线电流监测与治理功能，包含N线温度监测预警、N线电流治理及过流反馈保护等；3）新增末端电压稳定与三相不平衡治理功能。
终端电气电能质量综合治理设备工作原理如图4所示。通过电流采样互感器采集负载A/B/C三相电流，经内部DSP+FPGA处理芯片完成电流指令生成与控制，利用傅里叶分解将三相电流分解为基波有功电流、基波无功电流和谐波电流，并计算N相3N次谐波电流幅值，功率单元经LC滤波电路实现补偿电流输出。
图4 终端电气电能质量综合治理设备工作原理
针对终端电气治理设备运行数据与N线电流治理状态，一路经485总线传送至触摸屏本地显示，另一路由WIFI模块与网络通信电路上传，实现手机端或电脑端远程监测，具体系统结构如图5所示。
图5 系统结构图
五、N线电流治理工程实例
该项目工程实例位于某市大型商业广场，由于现场LED照明灯具和LED大屏在运行过程中功率会不断变化，造成N线电流过大，引起配电间N线发热严重，配电箱温度较高；随着N电流的波动变化，变压器间歇发出异响，现场母排和柜子之间的震动声响比较频繁。
现场LED灯具80%运行，LED屏幕亮度50%，配电房变压器进线柜和末端配电箱数据如下：
结合现场变压器进线柜数据、末端配电箱数据、总N排电流大小及末端N线电流大小和系统的复杂程度，选择合适的终端综合治理设备，并保证一定的设备裕量，及时对谐波电流及N线电流进行治理，防止电气火灾和设备的损坏。在LED照明灯具及LED屏所在的配电箱配置终端治理设备，其电气结构图如图6所示。
图6 末端配电箱电气结构图
开启终端治理设备，再次对配电房进线柜和末端配电箱进行测试，数据如下：
通过对比治理前后的数据可发现，在现场LED灯具80%运行和LED屏幕亮度50%时，变压器进线侧N线电流从622A降到39A左右；LED屏配电箱N线电流从438A降到30A左右，N线的治理效果，线缆发热和变压器异响的问题基本消除，整个供配电系统的电能质量得到提升，满足对治理效果的预期要求，同时治理前后的数据通过系统网关上传到终端综合治理系统平台，方便了后期运维。
六、结论
本文基于N线电流过大问题提出的终端电气综合治理解决方案，该解决方案集“互联-监测-分析-治理”四位一体，涉及硬件治理设备、物理网关、服务器及软件系统平台。相对于传统的无源的零线电流阻断器和APF有源滤波器，又增加了对N线进行温度异常检测、N线电流治理及过流反馈保护、稳定末端电压和三相不平衡治理的功能，最后又通过项目工程案例验证了终端电能质量综合治理解决方案的有效性和可靠性，保障了末端供配电系统的用电安全。
