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1.   概述

  社會經(jīng)濟和科技的發(fā)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(chǎn)和生活中現(xiàn)代電力電子設備、變頻空調(diào)、LED屏、計算機、數(shù)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(fā)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(shù)低等電能質(zhì)量問題。

  中線安防保護器的基本原理為:通過電流檢測環(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償電流，補償電流注入中性線，實現(xiàn)消除中性線電流的目的。

2.  產(chǎn)品設計的必要性

2.1  應用背景

  根據(jù)最近幾年的火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電氣火災占據(jù)所有火災的比例非常高。2018年全年全國共統(tǒng)計火災38.9萬起，死亡2113人，受傷1637人。電氣火災比例高，違反電氣安裝使用規(guī)定等引發(fā)的火災共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（公部消防局，2010)。其中由于中性線導致的起火數(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。  

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�，F(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)運行過程中中性線引發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)火災。

2.3  相關事件

  2019年北京某商場配電室起火，事發(fā)時，數(shù)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(wǎng)投入過多變頻空調(diào)、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(huán)境下，最終造成線纜絕緣層老化發(fā)熱起火，釀成火災。

  2016年某電影院大樓發(fā)生大火，過火面積達到500多平方米，直接經(jīng)濟損失達千萬元，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載為音響、放映設備和節(jié)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。

3. 設計依據(jù)

3.1設計標準

  GB50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》
  GB176251-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)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(tǒng)的設備產(chǎn)生的諧波電流限值》

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(guī)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(nèi)的中性導體預期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

4. 產(chǎn)品型號及尺寸

4.1 產(chǎn)品型號

4.2 模塊接口示意

4.3 產(chǎn)品尺寸

........

..............................................

5.   技術參數(shù)

5.1   中線安防保護器

5.2  終端綜合治理裝置

6.應用案例

6.1體育中心

  現(xiàn)場情況:

  該現(xiàn)場為某體育中心泛光照明供配電系統(tǒng)，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�？偨Y當前系統(tǒng)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(guī)律可循;

  (5)開關電源型負荷基波功率因數(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會相應增大。

※原因分析:
  該系統(tǒng)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(lián)，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(nèi)的占比會相應減小，也就是總諧波電流畸變率大小與并聯(lián)的開關電源數(shù)量呈負相關，在70%-120%的范圍內(nèi)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(chǎn)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(tǒng)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(shù)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(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(shù)據(jù)的中性線電流遠大于相線電流這種現(xiàn)象在開關電源型負荷中十分常見。如果此系統(tǒng)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(shù)值，但是從實測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)兩個值存在較大差異，所以此系統(tǒng)的中性線上不僅僅有3次諧波電流，還會有9次、15次、21次諧波電流以及三相不平衡等因素的存在。

  ※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)測點電流，右上為對應電流畸變率。Irms1為相線網(wǎng)側電流，2為相線負載電流，3為中性線網(wǎng)側申流，4為ANSNP發(fā)出電流。體育中心AL8號箱子負載經(jīng)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(jīng)過補償后在37A左右，滿足對治理效果的預期要求。

6.2家居廣場

  現(xiàn)場情況
  該現(xiàn)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(fā)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(fā)出異響現(xiàn)場母排和柜子之間的震動聲響比較頻繁。

  數(shù)據(jù)分析：
  根據(jù)LED屏亮度50%時變壓器測量數(shù)據(jù)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(shù)為3次，達到了242A，超過國標《GB/T14549-1993》中對應規(guī)定的限值(62A);電壓畸變率A相為5.03%，超出國標限值5%。
  根據(jù)LED亮度50%測量數(shù)據(jù)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(shù)為3次，超過國標《GB/T14549-1993》中對應規(guī)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(tǒng)，會對系統(tǒng)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。

  ※凈化效果:
  如下表所示，經(jīng)過SNP設備治理后，在LED屏亮度50%時，變壓器進線側中性線電流從622A降到43A左右;LED屏配電箱中性線電流從438A降到32A左右，滿足對治理效果的預期要求。

6.3  應用領域

  機場/體育館/影劇院:照明燈光系統(tǒng)，音響系統(tǒng);

  學校/研究院:精密實驗室，機房，數(shù)據(jù)中心;
  醫(yī)院:醫(yī)用大型設備使用室如手術室樓層，醫(yī)學成像檢驗科，放療科等

  商業(yè)綜合體:大型LED屏幕舞臺調(diào)光系統(tǒng)，地下停車場充電樁區(qū)域。

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