摘要分析了中性线电流产生的原因,
指出由于系统谐波导致中性线电流超载所带来的危害。介绍了零序谐波滤波器专用于治理零序谐波的基本原理。并通过应用实例,
展示了采用零序谐波滤波器治理零序谐波电流的效果, 说明采用零序谐波滤波器是解决系统零序谐波导致中性线电流超载问题的有效方案。
关键词
谐波
零序谐波
零序电流
中性线电流
零序谐波滤波器
1
前言
从上世纪90 年xx始, 各国的谐波治理专家、学者不断深化对谐波的研究, 致力于提出治理谐波的有效方案。在这股潮流的推动下,
谐波滤波器的产品种类也得到迅猛发展, 从起初的LC 串联调谐滤波器, 到双带通滤波器, 再到阻尼滤波器,
又从无源滤波器发展到有源滤波器。随着谐波滤波器的广泛应用, 近年来, 业界又出现了一种新型谐波滤波器———零序谐波滤波器,
它专用于治理零序谐波, 对零序电流问题提供了有效的解决方案。
2 中性线电流的产生
2 . 1 不平衡负载产生中性线电流
当三相电力系统负载平衡时,
系统中性线N 是不会流过电流的, 而事实上三相电力系统负载从来就不会xx平衡( 见图1) , 这意味着各相阻抗不会xx一样,
即ZL1≠ZL2≠ZL3, 同时由于电流、电压都是矢量, 因此各线电流相应地也不相同, 即IL1≠IL 2≠IL 3。如果中性点接通,
那么中性线中出现电流IN =IL1 + IL2 + IL3 ≠ 0。
2
. 2 非线性负载可产生谐波电流, 并在中性线上叠加实际电网中通常含有非线性负载, 这些非线性负载在工频正弦电压作用下,
会产生高频谐波电流, 通常为3、5、7、9 ⋯⋯次谐波等等。其中3、9........、6 k - 3 次谐波产生零序电流( k
为正整数) , 5、11 ......、6 k - 1 次谐波产生负序电流, 7、13 ......、6 k + 1
次谐波产生正序电流。
在分析谐波电流时, 需要特别注意的是3、9、15.......等次零序谐波( 特别是3 次谐波) ,
这些谐波大量存在于低压电气系统中, 主要是由荧光灯电子整流器、UPS ( 不间断电源)
、相控设备、高频设备、变频设备以及计算机设备等脉宽调制( PWM) 模式电源设备产生的, 这些谐波的存在将产生零序电流,
从而在中性线中叠加产生大量的中性线电流。
图2 表示含有3 次谐波的三相电流在中性线中的叠加现象。
2 . 3 交流电网受零序谐波电压干扰而产生零序电流, 并在中性线上叠加
交流电网的电源通常被认为是无限大的, 实际上, 可以用一个高阻抗Zs 表示,
它一般都均衡并取决于上游变压器的容量。这个阻抗源将引起固有电压的轻微下降,
但负载产生的谐波电流仍能通过。这将会导致电源的电压不再是平滑的正弦波, 而是在基波电压上叠加了一个干扰电压ΔU,
这部分称作谐波电压。交流电网的电源如果受谐波电压干扰, 必定会产生零序谐波电流。
简单的例子是: 当交流电网电源的电压除了基波电压外, 同时还存在3 次谐波电压这时不论负载是线性还是非线性, 均会产生3
次谐波电流和零序电流, 从而在中性线中叠加产生中性线电流( 如图3 所示) :
上述例子说明在电网中的一个子系统即使不存在非线性负载等谐波源, 但是由于其他子系统产生的谐波电压对电网的影响, 同样会有谐波电流存在,
从而产生中性线电流。
3 零序谐波滤波器治理零序谐波的基本原理
电网中谐波的存在, 会对电气系统的正常工作造成多种负面影响和危害, 而零序谐波的存在, 将导致中性线产生电流甚至超载。中性线的过热,
使绝缘加速老化, 造成系统短路故障, 严重的甚至诱发火灾。因此, 如何治理零序谐波,
寻找有效的治理方案是业界人士关注的焦点。
零序谐波滤波器的出现, 为我们提供了一种全新的谐波治理方案, 它专门用于治理零序谐波, 有效抑制了零序电流,
从而抑制了中性线电流。笔者针对拥有相关专利权的比利时SKT 公司生产的KSH0系列
零序谐波滤波器进行了深入的研究,
分析了零序谐波滤波器的基本原理, 如图4 所示。
KSH0零序谐波滤波器采用了纯电感式滤波器件, 它主要由两个元件组成:
a . 线路电感L0。串联连接在电源线中, 它的特性是: 对于零序电流而言是一个高阻抗( ZL0 , 0) ,
但对于正序、负序电流而言是一个低阻抗( ZL0 , V) 。
b . 电抗器Z0 。具有特殊的磁电路结构的电抗器, 与负荷并联, 可有效吸收3
次谐波并使零序电流锐减。它的工作原理是通过具有特殊的电磁结构和材料制成的电抗器实现内部磁路能量转换, 对于零序电流而言是一个低阻抗(
ZZ0 , 0) , 能使零序电流短路,滤除3 次谐波电流; 另方面, 它对于正、反向电流而言则是一个无穷大的阻抗( ZZ0 , V)
。特殊的电路及磁路结构, 可使负载中性线与电网中性线进行隔离,且不会造成负载端中性线电压的偏移。
在电气回路中接入零序谐波滤波器后, 通过L0阻止了零序电流流过电源, 同时通过Z0将零序电流短路, 使得电源端不会加载零序谐波电压,
从而避免对电源产生干扰。
如果对电路进行改进, 设置一个分流器JL, 如图5 所示, 这里为把问题简化, 忽略负载阻抗的影响( 因为它比其它阻抗高得多)
。
另一方面, 电抗器Z0的阻抗ZZ0 , 0对于零序电流而言接近于0, 零序电流被零序阻抗ZZ0 , 0短路,不会流向电源系统,
从而使系统中性线电流趋近于0。零序谐波电压被线路电感L0挡住( ZL0 , 0趋于无穷大) ,
来自交流电网中的干扰对滤波器下游的用电装置无影响; 而由负载产生的零序电流被电抗器Z0短路( ZZ0 , 0趋于0 ) ,
零序谐波分量不会上传到配电系统中。
4 应用实例
某大型数据机楼的一层配电室, 其负载的主要设备是: 大量的荧光灯和节能灯、UPS
电源以及计算机、打印机、复印机等办公设备。从负载的特性上来看, 它们可能产生大量的零序谐波, 通过使用电能质量分析仪进行测试,
证实了这一点。在配电箱进线端安装一台零序谐波滤波器, 型号为KSH0 - B -140, 额定容量为140 kV·A,
对比测试的结果如下表所示。
安装零序谐波滤波器前, 测试点的相线电流频谱图如图6 所示。安装零序谐波滤波器后, 测试点的相线电流频谱图如图7 所示。
对比测试结果表明, 在安装零序谐波滤波器之后, 测试点中性线电流锐减, 主要是由于零序谐波电流( IH3、IH9......)
的锐减引起, 同时, 负序谐波电流( IH5、IH11......) 和正序谐波电流(
IH7、IH13......)几乎没有改变。
测试点电压总谐波畸变率显著减低,
在国标《电能质量公用电网谐波》(GB / T 14549 - 93) 规定的限值5 . 0% 之内,
功率因数同样得到改善。
5 总结
零序谐波滤波器采用了纯电感式的特色技术,是一种专门针对零序谐波的滤波器, 无需滤波电容器, 可靠性高, 维护简单方便,
为解决由于零序谐波导致中性线电流超载问题提供了有效的实施方案。
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