谐波电流造成的事故分析及在建筑电气设计中防范措施

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摘 要：在我们日常生活中经常有这样的体验，断路器经常跳闸，或照明电压忽高忽低，频繁闪烁，导致家用电器设备不能正常工作，有时会给居民家庭财产造成了一定的损失，但电气技术人员检查电气回路电流发现电流并未超过断路器的整定电流值，原来这就是谐波电流引起的回路过载使断路器跳闸引起。如何建筑施工中采取有效的防范措施，本文提出一些经验体会，供大家参考。

关键词：线性负载； 高次谐波电流； 非线性负载； 回路过载； 等电位接地

1.事件回顾：

笔者记得在2009年8月的一个晚上，9时左右时在湖州市建工集团某小区住宅楼内突然发生照明忽明忽暗，频繁闪烁，经检查发现当时电压数值远远高于标准值220V，用户家用电器空调、电视机、冰箱，电脑等有200多台烧毁，损失严重。

1.1小区内是由一台SL7-10/250KVA变压器供200多户居民用电，检查结果发现变压器低压侧中心线引至接地体采用塑料铝芯线过渡联接。室外采用架空线供电，各住宅单元进户线是4*352+1*16架空裸铝线，而当时习惯选择零线的线径是相线二分之一。变压器低压侧引出线头未采用铜铝过渡接头，随着时间电流变化，铜铝处产生氧化，接头处渐渐熔断最后“断零”。

1.2原因分析：用电过负荷负载引起。负载分为线性负载和非线性负载两大类，线性负载包括白炽灯，电阻炉，电加热器等。非线性负载包括空调、微波炉、电视机、冰箱等它们能产生各种的高次谐波，能促使该变压器发热，电线发热，电气回路过载发热。

2.分析诊断：

2.1谐波电流导致的相线和中性线的过载

2.1.1当电阻为R的导体通过电流I时，产生I2R发热时，如果电气回路中除基波（50HZ）电流外存在多次的谐波电流，导体就额外增加这些谐波I2R发热，当这些谐波的含量过大时就导致回路过载和断路器跳闸。断路器应谐波电流而动作，说明它有效地起到了过载防护的作用，但人们往往误认为是断路器额定电流小跳闸，只换大断路器而不加大导线截面，其后果是回路过载而防护电器不动作，这自然将损坏绝缘，最终导致电气短路事故的发生甚至火灾事故发生。

2.1.2谐波能使线路电流增大，但是最大的过载危险是三相四线回路三次及其奇数倍谐波电流引起的中性线过载危险。三相四线回路中假设三相电流相等，因基波相位角差120度，它在中性线上却处于同一相位上，它们不是互相抵消而是互相叠加。这样中性线电流不再为零，近似表示的非正弦畸变的电流，其中包括恒定分量、基波分量和高次谐波分量。通常又将高次谐波分量分为奇次谐波和偶次谐波。过去一些老概念电气回路中，三相四线中性线截面取相线二分之一，随着非线性负载用电设备日益增多，中性线电流的严重过载将不可避免，当中性线电流大于相线电流，其绝缘老化以致引起电气火灾屡见不鲜，对这一电气危险不能掉以轻心。

2.2防谐波电流过载的导体截面选择

举例说明某一建筑物自户外引入三相四线穿管至配电箱，三相电流基本平衡电流为60A，无谐波电流时导线截面取为BV-3*16+1*102，试定三次谐波电流为20%，50%时的导线截面。

2.2.1当谐波电流为20%时，非但相线电流增大，中性线电流也由接近零安培增大为：I=60*0.2*3=36A

2.2.2当谐波电流为20%时，应按原相线电流取回0.85的降低系数，取得回路的综合设计负载电流为：I=60÷0.85=71A。据此应选BV-4*252的导线。

2.2.3当谐波电流为50%时，中性线电流为：I=60*0.5*3=90A，按原相线电流取回0.85的降低系数，取得回路的综合设计负载电流为：I=90÷0.85=106A，据此应选BV-4*352的导线。

2.3非正弦畸变电流的高次谐波

众所周知，当正弦电压加在线性负载时，将产生同频率的正弦电流。换一句话说，当正弦电压加在线性负载上不会产生非正弦的畸变电流，因此也就不会产生高次谐波电流。然而，当正弦电压加在非线性负载时将会产生非正弦的畸变电流或者说产生高次谐波电流。

在低压配电系统中，非正弦畸变电流波形正负半周几乎相等，所以在谐波分析中，不含恒定分量和偶次谐波，其余的为奇次谐波，我们知道，三相平衡电流的幅值按A、B、C三相出现的先后次序分为正序三相电流、负序三相电流和零序三相电流，对于三相高次谐波电流而言，同样也有相序问题。

正序谐波的相序与几波相序相同。譬如第7、13、19…次谐波都是正序谐波，负序谐波的相序与基波相序相反，譬如第5、11、17…次谐波都是负序谐波。不言而喻，零序谐波与基波相序无关，三者相同，譬如第3、9、15…次谐波都是零序谐波。

无论是正序谐波电流还是负序谐波电流，它们在中性线中的矢量和为零，不会形成电流，而零序电流三者同代数相加，在中性线中流过并且具有一定数值。

2.4中性线电流的新成分及其热故障

高次谐波造成的危害是多方面的，而且有时不容易被人们发现，诸如：

1）三相感应电动机烧毁。

2）星-三角连接方式的变压器原边环流引起过热烧毁变压器。

3）断路器误动作。

4）三相四线制配电线路中性线过载，引发过热而烧毁线路。

众所周知三相正弦电压加在三相不平衡线性负载上，各相在中性线上将产生不平衡的三相电流，如何调配和控制中性线的不平衡电流的大小，这既要考虑配电线路负载的实际情况又要考虑工程设计中技术和经济的合理性。

因此在有关技术规范中提出：三相照明线路各相负荷的分配，宜保持平衡，在每个分配电盘中的最大与最小相的负荷电流的差值不宜超过30%，考虑到中性线中有不平衡的电流，因此中性线载面一般选为相线载面相等，这实际上留有一定的余量。在三相四线制或二相三线制配线线路中，中性线的载面应作合理的选择，否则，载面过小同样会出现中性线的过载问题，这或许并未引起人们的足够重视。然而，这正是目前中性线热故障和发生火灾的重要原因。

2.5三相四线回路中性线断线引起设备烧坏

三相四线配电回路内有时会发生某一相或两相设备大量烧坏的情况，有时同行认为这是三相负载不平衡引起，负载轻的一相电压最高，使这一相的设备大量烧坏。平常使用电压表测量三相电压，如果中性线未断线，会发现三个相电压并没有多大的差异，这是因为这三相都是相同的220V绕组电压供电，他们的电压差异只是在于三根相线上不同负载电流产生不同的电压降。而按照规范规定，相线和中性线上的总电压降最多不超过5%，所以仅是三相负载不平衡是不会烧坏相内的设备的。如果中性线断线后，会使得家用电器电压过高时将因铁损增大而发热，电压过低时则因铜损增大而发热，这都使得绝缘老化加速而缩短寿命，所以发生中性线断线时绝缘寿命不论电压高低总难免缩短。

3.设计施工时的防范措施：

3.1变压器中性线接地宜与自然接地体及人工接地合为一体，人工接地体为40*4扁铁间距为5米，接地极为50*50*5角钢，长度为2.5米，不少于三根，各焊接长度应按规范要求进行焊接，其接地电阻应小于4欧姆以下。

3.2每幢住宅进户处应做好总等电位接地，实施等电位联结就可以避免土壤电阻率的影响，对接地电阻甚至可不提要求，并且应用范围更广，等电位联结我们常做的接地不过是以地电位为参考单位的等电位联结。

3.3变压器中心线接地通常采用40*4镀锌扁钢应直接与变压器低压侧的零线桩可靠联结，各型钢截面焊接应按设计要求进行，这样就能较好的消除由于谐波电流引起中性线烧断所产生危害，能确保居民安全用电。

3.4在单元进户三相四线回路中应适当放大中性线截面以及谐波电流影响.建筑物电源进户线的一段引入线，应采用电缆引入，按规范要求铜线不小于102。

3.5在中性线上尽量减少线路端子连接和接头及串入开关和触头，以防因其接触不良而增加“断零”的危险，严禁在三相四线回路的中性线上串接熔断器，以防熔断器因种种原因熔断而形成“断零”现象。

4.结束语：

随着人民生活水平的提高，用电设备的大量增加，非线性负载比例的增大，谐波电流带来的危害日趋严重应引起我们的足够重视。中性线的热故障和火灾问题，应从建筑设计、施工、维持等个方面采用措施加以杜绝。在中性线截面选择时应考虑谐波的影响，中性线的保护以及巡检中的电流测量问题，都应当进行合理而有效的解决。

参考文献

[1] 全国民用建筑工程设计技术措施.电气-2009

[2] 防雷与接地安装.D501-1～4.中国建筑标准设计研究所