电气回路谐波过载和起火危险的防范

这些年我们在生活中常有这样的体验--断路器的跳闸增多了，可是用钳表测一下回路电流却发现电流并未超过断路器的整定值。原来这就是谐波电流引起的回路过载使断路器跳闸。随着我国用电水平的不断提高，各种新型电器大量进入工商业建筑物和住宅。其中不少电器是非线性负载，它们能产生各次的高次谐波，能使变压器、电动机等发热，降低其出率，也能使回路过载发热，断路器频繁跳闸，甚至引起火灾。谐波可在电气装置内部产生，也可来自被其他用户污染的公用电网。它既可危害电气装置自身，也可通过电网的传导危害其他用户。本文只拟对谐波引起的回路过载问题和起火危险作一探讨。

　关键词：电气回路 谐波 过载 起火危险 防范
　　这些年我们在生活中常有这样的体验--断路器的跳闸增多了，可是用钳表测一下回路电流却发现电流并未超过断路器的整定值。原来这就是谐波电流引起的回路过载使断路器跳闸。随着我国用电水平的不断提高，各种新型电器大量进入工商业建筑物和住宅。其中不少电器是非线性负载，它们能产生各次的高次谐波，能使变压器、电动机等发热，降低其出率，也能使回路过载发热，断路器频繁跳闸，甚至引起火灾。谐波可在电气装置内部产生，也可来自被其他用户污染的公用电网。它既可危害电气装置自身，也可通过电网的传导危害其他用户。本文只拟对谐波引起的回路过载问题和起火危险作一探讨。

　　一、线性负载和非线性负载

　　就谐波的产生而言，电气负载有线性负载和非线性负载之分。如对一负载施加一正弦波波形的电压，其负载电流的波形仍为一正弦波波形而未畸变，其负载线为一直线，如图1所示，则此负载被称作线性负载，例如白炽灯、电阻炉、未磁饱和的电动机之类的负载都是。

　　如对一电气负载施加一正波波形的电压，其负载电流的波形因带多次谐波电流成分而发生畸变，它不再为正弦波波形，其负载线不是一条直线而是一条曲线，如图2所示，则此负载称之为非线性负载，例如气体放电灯、微波炉、计算机，变频调速设备等负载都是。

　　电网电压几乎是设有纯粹正弦波波形的，为了便于说明问题，假设它为正弦波形，并以图3所示的一个典型的电气装置示意图为例来说明谐波电流与谐波电压的关系。图中的装置内有线性负载和非线性负载，电源线路的阻抗则以图示的两个阻抗来代表，它包括电气装置内的阻抗（这是主要的阻抗）和公用电网的阻抗。当电流的正弦波电压施加到非线性负载上时其电流波形发生畸变如图示。当此波形畸变的电流流经电流线路阻抗时，阻抗上将产生含有谐波成分的波形畸变的电压降，使负载端的电压波形也发生畸变，此波形畸变的电压施加到线性负载上时，此负载的电流波形也和电压波形一样畸变。这样，电气装置内的电流波形和电压波形互为因果，都发生畸变而带各次谐波，谐波含量过大时就会产生种种危害。

　　从图3可知，电源线路阻抗越大，谐波电压降越大，电气装置内的谐波电压和谐波电流的含量也越大，减少电流线路阻抗就可减少电气装置内的谐波含量。现时电气装置内的线路主要采用电缆、穿管导线或封闭母线槽，阻抗中的电抗难以再减小，只能减少电阻。我们在设计中常适当放大导线载面以减少线路发热，延长绝缘寿命和提高电压质量。从以上分析可知这样对减少电流线路阻抗从而减少谐波危害也是有好处的。

　　当电阻为R的导体通过电流I时，产生I2R发热，这个I是有效电流或方均根电流。如果电气回路中除基波（50Hz）电流外还存在多次的谐波电流，导体就额外增加这些谐波的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。用一般电磁式电流表是测不出这个过载电流的，这是因为电磁式电流表是按电流的平均值偏转的，而断路器的检测元件则是按电流的有效值动作的。当电流波波形为正弦时，电流的平均值和有效值间有一固定的比值，电流表能正确反应电流的有效值，当电流波形畸变时，此比值已非原来正弦波波形的值，它随波形变化而变化，一般电磁式电流表的偏转角偏小而不能发现回路的过载，为此现时采用一种能按热效应来测定电流有效值的电流表，它被称作真实有效值电流表。

　　断路器因谐波电流而动作，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和电度表电流太小，只换大断路器和电度表而不加大导线载面，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甚至火灾的发生。

　　谐波能使线路电流增大而过载，但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。图4为一三相四线回路中相线和中性线的基波（50Hz）和三次谐波（150Hz）的电流波形，假设三相电流相等，因基波相位角差120度，它在中性线上的矢量和为零。但各相三次谐波电流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如图所示（其奇数倍谐波电流也是如此，图中未表示）。这样中性线电流不再为零，当三次及其奇数倍谐波电流含量大时中性线电流可等于甚至大大超过相线电流。我国一些电气回路沿袭过去的老概念，中性线截面取为相线截面的二分之一以至三分之一，在现时非线性负载日益增多，特别是能产生大量三次谐波的气体放电灯等非线性负载大量使用的情况下，中性线的严重过载将不可避免。在我国电气消防安全检查中，中性线电流大于相线电流，其统一组织劣化以至亦色的隐患现象屡见不鲜，由此引起的电气火灾时有所闻，对这一电气危险不能掉以轻心。

　　我国等同采用国际电工标准（IEC标准）的载流量国家标准已通过审查，但尚未颁布。现时手册、资料中提供的载流量较IEC标准的载流量为大，不够安全。对防谐波过载，我国规范的规定也不够具体。下文拟按IEC载流量标准的规定作些介绍。

　　在IEC载流量标准中，三相四线回路采用多芯电缆或穿管导线时，不论导体数为四根或五银（其中一根为PE），其发热和载流量都按三根带载相线来考虑，当三相电流平衡时情况固然如此，当三相电流不平衡时情况也是如此，这是因为三相电流个等时电流较小一相的欠发热可以抵消中性线上的发热，即它将一个回路视作一个发热整体来对待。这样就可一概按三根带载相线的发热来标定回路的载流量。

　　在三相电流平衡但有三次谐波电流回路中，固定相线因谐波电流而增加热量，中性线上则往往因谐波电流的叠加而发热更多。这时相线上并无可用以抵消中性线发热的欠发热，中性线上的发热纯系额外增加的发热，为此需考虑一降低系数不增大回路的载面和载流量，其值如表1：

　　当三相四线回路的导线在空气中互相间隔地明敷时，热量可以自由逸散，不存在上述互相抵消发热的问题。其载流量不是按整个回路而是按单根导体的发热来标定，不需对有谐波电流的回路考虑降低系数。

　　下面试举二例来说明穿管导线和明敷导线在回路有三次谐波电流时的截面选择。导线都为铜芯PVC绝缘，工作温度为70摄氏度，环境温度为30摄氏度，穿管导线为在一般非热绝缘墙内暗效，明敷导线则用绝缘子在墙面上水平敷设，按IEC载流量标准，这两种敷设方式的载流空如表2所示：

　　需要再次说明，表2中穿管三相回路的载流量如前述只按回路内三根带同样负载电流的相线的发热来标定的，不计入中性线电流的发热。

　　例1：建筑物自户外引入三相四线回路穿管在一般非绝缘墙内暗敷至总配箱，三相电流基本平衡，电流为60A，无谐波电流时导线截面取为3×16＋1×10mm2，试确定三次谐波电流为20％、40％、60％时的导线截面（谐波电流百分数由电设备制造提供）。

　　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增大为：

　　 IN =60×0.2×3=36A

　　按表1，当谐波电流含量为20％时，应按原相线电流取0.86的降低系数，得回路的综合设计负载电流为：

　　 I=60÷0.86=70A

　　据此按表2选用4×25 mm2的导线。

　　2、当谐波电流为40％时，按表应按中性线电流确定回路截面，现中性线电流为：

　　 IN=60×0.4×3=72A

　　仍按表1，取0.86的降低系数，得回路的综合设负载电流为：

　　 I=72÷0.86=83.7A

　　据此接表2选用4×25 mm2的导线

　　3、当谐波电流60%时，也应按中性线电流取1的降低系数，现中性线电流为：

　　 IN=60×0.6×3＝108A

　　综合设计负载电流即为108A据此选用4×35mm2的导线。

　　例2：同上例，但负载电流为275A，敷设方式为将导线在墙面上用绝缘于敷设无谐波电流时导线载面取为3×95＋1×50 mm2。

　　按IEC载流量标准，当线路与邻近物体空隙大于多芯电缆外往的0.3倍或单芯电缆（导线）外径的一倍时就可将该电缆（导线）的载流量取为在导体发热量可不受阻碍地逸散的自由空气中敷设时的载流量，此载流量即表2中墙面上明敷的载流量，这样就可分别按导体通过的电流选取载面，而不必视回路为一统一的发热整体，也不必在电流计算中计入降低系数来选取载面。

　　1、当谐波电流为20％时，相线电流为

　　中性线电流为IN=275×0.2×3=165A，按表2确定截面仍为3×95＋1×50 mm2

　　2、当谐波电流为40％时，相线电流为

　　中性线电流为IN=275×0.4×3=330A，确定截面为3×95＋1×120mm2；

　　3、当谐波电流为60％时，相线电流为

　　中性线电流为IN=275×0.6×3=495A，

　　确定截面为3×120＋1×240mm2，即相线和中性线截面都有不同程度的增加

　　需要说明，在上述二例中如果还存在三次谐波奇数倍电流，其含以超过10%；或存在三相不平衡电流，其不平衡度大于50%时，则还需视情况酌量增大导体截面。