三相四线制配电系统零序谐波调研及治理研究

王军亮，宋祺鹏，唐国政

(1.国家电网公司，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 100192；3.北京科锐配电自动化股份有限公司，北京 100085)

三相四线制配电系统零序谐波调研及治理研究

王军亮1，宋祺鹏2，唐国政3

(1.国家电网公司，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 100192；3.北京科锐配电自动化股份有限公司，北京 100085)

针对三相四线制配电系统非线性和不平衡负载在中性线上引起的零序谐波电流，实地测量并列举不同类设备及典型用电区域的中性线谐波情况，分析了中性线谐波电流产生的机理和危害，并对多种谐波治理的方法进行了对比，为各单位选择不同的中性线谐波治理方法和滤波器的优化设计和改进提供了参考。

三相四线制；零序谐波；滤波器

1 中性线零序谐波电流的产生原理

当交流电加在一个非线性负载上时，如果该负载在不同电压下有不同的阻抗，那么流过该负载的电流就是一个非正弦或畸变的电流波形。波形畸变程度可用频域的傅立叶分析来直观衡量，畸变波形由基波和一系列高次谐波构成，如图1所示。

图1 三次谐波在中线叠加示意

图1表明在三相四线制系统中，正弦电压加在非线性负载上时，三次谐波电流是如何回到中性线上的。对于线性负荷，相差120°正弦负荷电流的对称分量在中性线上相互抵消，使得中性线电流很小，所以中性线可以和相线有同样或一半大小的横截面。但对于非线性负荷，流过它的电流不会在中性线上互相抵消。当其中一相流过脉冲电流时，其他两相流过很小的电流。因此，这种抵消效应不会发生在中性线上，每相的脉冲电流都流到中性线上，中性线上的电流值会是任何一相的3倍。在三次脉冲作用下，中性线上电流主要由三次谐波电流构成。当每相中流过2个电流波时，中性线上流过了6个电流波(3倍于基波）。

2 低压用户典型谐波源特性调研

在电网中产生大量的零序谐波电流会导致危害性后果，对负荷产生不利的影响。如影响供电电压波形、产生电磁干扰、增加变压器铁芯和绕组损耗、破坏绝缘层、使线圈过热、降低功率因数、降低变压器等电气设备的使用寿命。严重时还可能因平顶电压波形或者峰值减小而导致电子设备不能正常工作，甚至发生火灾。因此，对造成中性线过流的零序谐波源分析调研及治理是非常必要的。为掌握三相四线制系统中零序谐波的情况，对不同类型典型用电电器和用户的综合办公楼(6层)的谐波电流情况进行了现场实测，并对测试数据进行了分析。

2.1 家用电器的典型电流波形

目前，主要家用电器有电视机、微波炉、电灯、打印机、蓄电池充电器等。通过测试录波，从典型家用电器的电流波形图可以看出，常用家用电器属于非线性负荷，其电流波形畸变非常严重，零序谐波含量也很大。

2.2 典型用电区域测试电流波形

通常不同的用电负荷性质及用电区域，其零序谐波含量特性也不相同。下面就某典型6层商业大楼进行测试调研，并进行总结分析。其配电变压器接线如图2所示。

图2 某大楼配电变压器接线

测试结果显示：在1楼，当存在三次谐波时，视在功率为48 kVA,功率因数为0.73；不存在三次谐波时，视在功率为40 kVA,功率因数为0.73。在2楼，当存在三次谐波时，视在功率为47.7 kVA,功率因数为0.93；不存在三次谐波时，视在功率为46.4 kVA，功率因数为0.97。

由1，2楼三次谐波含量最大时的相线电流及中线电流波形及谐波分析图可知，对1楼而言，在相线上三次谐波含量可达到基本值的80 %，如果三相负荷均衡且谐波含量一致，则此时中性线电流值至少为相电流的2.4倍。

在三相四线制的配电系统中，中性线的线径通常小于相线线径。从对各楼层测试的数据(见表1)可以看出：零序谐波比较大的楼层，其谐波电流在中线上相互叠加，使得中线电流大大超过其设计值，造成中线对地电势升高。长期严重过流将导致中性线烧断，引起三相电压严重不对称，甚至造成大面积用电设备损坏。因此，对使用大功率整流设备的企业、使用大量计算机的写字楼、使用节能灯的商场酒店以及三次谐波问题较大的住宅楼，均需进行零序谐波调查和测量，寻求有效、经济、可靠的零序谐波治理办法来消除系统零序谐波含量过高、中性线容易过载的问题。

表1 各楼层中线与相线电流测试表

3 中性线谐波治理方法的比较

3.1 减小中性线电流的无源方法

无源滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要设备，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，不仅有滤波功能，还兼顾无功补偿功能。

3.1.1 LC调谐无源滤波器

LC调谐无源滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等。实际应用中常用几组单调谐滤波器和1组高通滤波器组成滤波装置。

LC调谐无源滤波器的滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，存在以下缺点：

(1) 滤波效果受系统参数影响较大；

(2) 只能消除特定次的谐波，而且有可能放大某些次谐波；

(3) 滤波、无功补偿及调压作用难以协调；

(4) 谐波电流增大时，容易造成滤波器过负荷；(5) 设备易老化失谐，降低滤波效果。

3.1.2 曲折移相变压器滤波

曲折移相滤波器是一种三相绕组经过特殊方式连接而成的电抗器，如图3所示。

图3 曲折移相滤波器的原理拓扑

如果流经滤波器的三相电流相等，一个线圈产生的磁通将与绕制在同一个芯柱上的另外一个线圈产生的磁通相抵消，这样每个串联绕组都呈现低阻抗，使电流顺利流过；满足此条件的电流正是零序谐波电流。曲折电抗器对零序性谐波是阻抗值很低的通路，在电源和负载之间实现零序低阻通道，将负载产生的基波不平衡电流、3倍频高次谐波电流等零序性质的电流导入，可避免零序电流主要成分通过系统形成回路，从而达到滤波目的。

曲折移相滤波器不仅具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等特点，还具有滤波特性不受电网参数影响、不对其他谐波产生放大作用、没有失谐问题等特点。和有源滤波器相比，其成本低廉、工作可靠、过载能力强，但也存在如下问题：

(1) 滤波器转移零序谐波电流的效率取决于系统零序阻抗和滤波器的零序阻抗比；

(2) 由于滤波器的零序阻抗很低，很小的零序电压就可能引起很大的零序电流，可能增大中性线电流，烧毁滤波器；

(3) 较低的零序阻抗也增加了单相故障电流的等级。

曲折移相滤波器的体积较大，也较重，可以运用高磁导率的材料进行设计，以减小曲折移相滤波器的体积和重量。另外，可以在线路中串接阻零器，以增加线路的零序阻抗，减小不平衡电压引起的零序电流。

3.2 减小中性线电流的有源方法

鉴于无源滤波器的缺点，随着电力电子技术的不断发展，有源滤波器的研究应用受到重视。利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。有源滤波器方案原理如图4所示。

图4 有源滤波器方案原理

有源滤波方案的优点为：

(1) 适应能力强；

(2) 可同时实现滤波和无功补偿；

(3) 可以防止和电网阻抗发生谐振。

尽管有源滤波器的补偿性能优于无源滤波器，但其电路拓扑、控制复杂，成本高，不适合大面积安装，且过载能力差、可靠性较低，需要经常维护。这些不利因素限制了其推广应用。

3.3 其他减小中性线电流滤波方法

还有一些其他的滤波方法，如利用星三角变压器对零序电流形成内部环路，使得零序电流不出现在一次侧。该方法由于全部负载容量由变压器提供，有效材料消耗高，体积较大，只能适用于特定条件，不是具有普遍应用意义的滤波方法。

4 结束语

随着用户对电能质量要求的提高，零序谐波治理越来越受到低压供用电系统的重视。调研测试了低压用户典型用电设备和用电系统的谐波情况，分析了零序谐波造成中性线过流的现况，总结了多种中线谐波治理方案，为用户根据自身谐波状况和滤波要求选用合适的中性线截面积和滤波方案提供了参考，具有工程实践意义。

1 肖湘宁．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2004.

2 王兆安，杨 君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，1998.

3 谢小荣，姜齐荣．柔性交流输电系统的原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2006．

4 De Mello， F.P. .Measurement of Synchronous Machine Rotor Angle from Analysis of Zero Sequence Harmonic Components of Machine Terminal Voltage[J]. Power Delivery，IEEE Transactions, 1994(9).

5 吴 坚．消除电网三次谐波[J]．低压电器，2003(2).

6 李国栋，冯力鸿，顾 强，等．曲折接线变压器抑制零序三次谐波电流方法研究[J]．现代电力，2006(6).

7 宋祺鹏，尹忠东，单任仲，等．移相型零序滤波器的仿真与实验[J]．电力系统自动化，2008(17).

8 卓 放，王 跃，王兆安．三相四线制电路中的瞬时无功功率及有源电力滤波器[J]．电工技术杂志，2001(4).

9 罗 安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]．北京：中国电力出版社，2006．

2014-09-03。

王军亮(1982-)，男，工程师，主要从事电力安全技术和电能质量方面的研究工作，email：junliang-wang@sgcc.com.cn。

宋祺鹏(1980-)，男，工程师，主要从事柔性供电与电能质量方面的研究工作。

唐国政(1978-)，男，高级工程师，主要从事电力变配电设备生产与研发工作。