基于3次谐波影响的三相四线制线路等体截面的选择

百色学院信息工程学院 陆冬妹



基于3次谐波影响的三相四线制线路等体截面的选择

百色学院信息工程学院 陆冬妹

1 引言

近年来，随着三相四线制系统在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中的广泛应用，系统产生的谐波及其造成的危害日益严重，世界各国对谐波问题都给予了十分的关注和重视。电力系统的谐波是电力系统电压波形产生畸变的表征，谐波的产生来源于电力电子设备、非线性阻抗设备和其他方面的干扰[1]。其中，由于电力电子装置日益增多的应用以及电子装置容量的不断加大，这部分所产生的谐波比重也越来越大，特别是3次谐波，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。3次谐波对电力系统和其电子设备可以带来非常严重的影响，主要危害有：产生附加谐波损耗、降低各种用电设备的使用效率和寿命、增加电网线损、干扰通信系统工作等[2]。在三相四线制系统中，中性线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流造成其过热，甚至引发火灾（中性线电流引起的事故在我国也有报道）；谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护、熔断器等，并且会产生电磁干扰。因此，在三相四线制线路设计中，应该注重3次谐波电流对电网的影响，应根据谐波电流的大小来合理选择供电线路的导体截面。

2 中性线3次谐波分析

在三相四线制电力系统中，3次谐波电流能引起中性线过载。过去在电气设计中我们忽略了非线性负载的影响，电气工程师往往不重视谐波过载的危害，他们都认为三相四线回路中的中性线只通过三相不平衡电流，而且其值很小，中性线截面积只取为相线截面积的1/2或1/3即可。但是在现时的商业、工业和居民建筑用电回路中，这一做法将造成中性线的严重过载。图1为三相四线制回路中各带电导体的基波和3次谐波的电流波形。我们假设A、B、C三相电流相等，因基波相位差1200，它在中性线上的相量和为0。但由图1可知，三次谐波电流在中性线内的相位差并不等于1200，而是处于同一相位上，它在中性线上的电流不是互相抵消而是呈现了3倍叠加。因此中性线电流可按(1)式计算：

IN=3ICI3% (1)

由于谐波电流的存在，相线中也增加谐波电流．这时的相线电流为基波电流和各次谐波电流的二次放和的平方根，如式(2)所示：

其中：

IN：3次谐波在中性线叠加的电流（三相平衡时）。

IC：线路相导体不计入谐波时的计算电流，即基波电流。

I3%：3次谐波电流占基波电流的百分比。

In：各次谐波电流。

图1 三次谐波电流叠加

GB50054—2011《低压配电设计规范》第3.2.9 条: 在三相四线制线路中存在谐波电流时，计算中性线导体的电流应计入谐波电流的效应。当中性线导体电流大于相线导体电流时，电缆相线导体截面应按中性线导体电流选择。当三相平衡系统中存在谐波电流，4 芯或5芯电缆内的中性线导体与相线导体材料相同或截面相同时，电缆载流量的降低系数如表1 所示[3]。

表1 电缆载流量的降低系数

根据上面GB50054—2011《低压配电设计规范》第3.2.9条，我们可知当中性导休电流大于相导休电流时，电缆相导休截面应按中性导体电流选择，由表1也可知，当I3%>33%时，IN应按式(1)选择相导休和中性线导体截面，而且在33%

3 案例分析

例1.某三相四线制回路用PVC铜芯电缆埋入地下电缆管道内，相线电流都为150A，线路截面面积为3×70mm2+1×35mm2。现因设备更换，增加了50% 的3次谐波电流（基波电流不变），计算增加3次谐波电流后的相线和中性线电流，并确定其截面积。

解：因为3次谐波电流为基波电流的50%，这时相线电流由式（2）可得：

中性线电流为3根相线3次谐波电流的叠加，由式（1）可得：

IN=3ICI3%＝3×150×0.5＝225A (4)

由式(3)、式(4)的计算结果可知，由于50%谐波电流的存在，使相线电流由原来的150A增加到了167.7A，中性线电流更是增加到了225A，依据GB16895.15载流量标准[4]，原来的3×70mm2+1 ×35mm2线路已不合适，应放大为3×95mm2+1× 150mm2。即相线截面积由原来的70mm2放大到95mm2，中性线面积则由原来的35mm2增加到150mm2。

例2.某三相四线制回路用4×16 mm2PVC铜线多芯电缆敷设在砖石墙中的导管内，三相电流均为68 A，现因更新设备，增加了30%的三次谐波电流，试确定这时相线和中性线的电流和截面积。

解：因回路中含有30%的谐波电流，此时的相线电流由式(2)得：

中性线电流则由式(1)得：

IN=3ICI3%＝3×68×0.3＝61.2A

查表1可知，相线电流应按0.86的降低系数来放大截面积，因些回路的电流：

查GB16895.15载流量标准，原来的4×16 mm2截面积已不适用，需要加大中性线和相线的截面积，改用相同材质的4×25 mm2截面积的电缆。

例2中，如果更新设备，增加了40%的三次谐波电流，由式(1)、式(2)计算结果以及查表1，可知中性线电流应按0.86的降低系数来放大截面积，例2应改用4×35 mm2截面积的电缆。

4 结束语

由以上的案例可知，在进行三相四线制线路电气设计中，我们应注重3次谐波的影响，把3次谐波当成重要指示来考虑，然后再根据相应的规范、标准来选择合适的相线和中性线截面积。

参考文献

[1]郑文金.低压电网中3 次谐波的分析和解决方案[J].低压电器,2014,3．

[2]孙桂萍,徐良荣.供电系统中谐波危害与治理[J].电工电气,2009,2．

[3]GB 50054—2011低压配电设计规范[S]．

[4]GB16895.15－2002布线系统载流量[S]．

陆冬妹（1974—），女，广西武鸣人，高级实验师，研究方向：应用电子技术。

作者简介：