1、概述

大量非線性負載使用會導致中性線3N次諧波電流過大，同時，三相不平衡等問題往往也會造成中性線電流過大。而中性線電流過大非常容易導致中性線絕緣層老化起火引發火災，存在較大的安全隱患。針對這樣的情況，我司采用先進的電力電子技術、控制理論等研制出了新型的中線安防保護器，可有效消除中性線電流過大的情況而造成的電氣火災安全隱患。

在這樣的用電場合，往往也會存在諧波污染嚴重，三相不平衡，功率因數低等問題。我司新型的終端綜合治理裝置，在消除中性線電流過大的火災安全隱患的同時，也能解決這些復雜的電能質量問題。

中線安防保護器的基本原理為:通過電流檢測環節采集系統中性線上各次諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

終端綜合治理裝置通過電流檢測環節，采集系統中性線、各相線上諧波電流和功率因數等數據，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令。通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等、方向相反的補償電流，并注入系統。該裝置不僅可以治理系統中諧波電流，補償系統無功需量，還可以消除過大的中性線電流。

2、產品設計的必要性

2.1 應用背景

根據最近幾年的火災數據統計，電氣火災占據所有火災的比例非常高。2018年全年全國共統計火災38.9萬起，死亡2113人，受傷1637人。電氣火災比例最高，違反電氣安裝使用規定等引發的火災共11.6萬起，死亡745人，受傷538人，分別占總數的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（公安部消防局，2010)。其中由于中性線導致的起火數量占有不小比例，所以治理中性線電流過大問題是非常有必要的。

針對三相不平衡，諧波污染，需要無功補償、中性線電流過大等電能質量問題和電氣火災隱患同時存在的場合，為了預防末端配電故障和電氣火災的發生，同時出于成本考慮，需要一種可以同時綜合治理的設備。

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。也可不引出，形成三相三線制。現在的低壓配電線路，采用最多的是三相四線制，其中的三條線路分別用A、B、C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運行過程中，中性線引發火災事故主要通過三種途徑：

a.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火災；

b.中性線故障使中性線開路，導致三相電嚴重不平衡，燒毀電氣設備引發火災。

C.中性線老化使線路局部過熱，中性線絕緣層老化，最后使得絕緣層燃燒引發火災。 

2.3 典型案例

2018年6月1日17時52分許，某商業中心發生一起火災事故，過火面積約5.1萬平方米。火災造成1人死亡、直接經濟損失9210余萬元。經調查，火災直接原因是市場負1樓冷庫3號庫內，租戶自行拉接的照明電源線短路引燃下方的外包裝紙箱。由于部分消防通道、疏散通道堵塞，未設置防火分隔裝置等原因，火勢蔓延。同時，3號庫發生爆燃后，高溫煙氣引燃整個冷庫裸露在外的保溫材料，產生了大量可燃的高溫煙氣，致1人吸入高溫有毒煙氣后窒息，搶救無效死亡.

3、設計依據

3.1 設計標準

GB50054-2011《低壓配電設計規范》

GB17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》

GB/T17625.8-2015《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的設備產生的諧波電流限值》

3.2 具體條例

在400V三相四線制低壓配電系統中，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《低壓配電設計規范》

3.2.6 當電纜沿敷設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16mm2或鋁相導體截面小于等于25mm2的三相四線線路。

3.2.8 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16mm2或鋁相導體截面大于25mm2；

2 銅中性導體截面大于等于16mm2或鋁中性導體截面大于等于25mm2；

3 在正常工作時，包括諧波電流在內的中性導體預期最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 配電圖

3.3.1 中線安防保護器配電圖

4、上圖示例

4.1 產品型號

4.2 模塊接口示意

4.3 產品尺寸

5、技術參數

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

現場情況：

該現場為某體育中心泛光照明供配電系統，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N線電流有效值非常大。總結當前系統存在以下幾點問題：

（1）N線電流比相線電流大1-1.7倍左右；

（2）N線電流的主要諧波頻次為3次諧波，同時還存在其他3N次諧波和不平衡電流；

（3）3次諧波有效值的3倍實際小于N線電流，多出的這部分電流成分暫時無法定性；

（4）總電流畸變率都相對比較高，而且從3次諧波的占比看各個配電箱都沒有規律可循；

（5）開關電源型負荷基波功率因數cosφ為容性，其值未知，但從PF=P/S=COSφ/(sqrt(1+THDi*THDi))公式不難發現，只要THDi減小，就可以使全波功率因數PF相應減小。

原因分析：

該系統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，畸變率一般在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，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的占比會相應減小，也就是總諧波電流畸變率大小與并聯的開關電源數量呈負相關，在70%-120%的范圍內變化；

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、提高功率因數的目的。但是開關電源的無功本身屬于容性無功，這時候如果主動投入電容器的話，反而會使系統無功功率增加，會出現功率因數急速降低的現象。

另外，理論上講N相電流產生電流的原因主要有兩方面原因：

一、A/B/C三相不平衡導致N線上有零序電流的存在；

二、相線3N次諧波電流會在N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，那么N相上會有10+20+5=35A的諧波電流；同理9次諧波電流、15次諧波電流等具有相同的特性）。所以實際測量數據的N線電流遠大于相線電流，這種現象在開關電源型負荷中十分常見。如果此系統中全是3次諧波的話，實測值中諧波電流總畸變率和3次諧波占有率應該是非常接近乃至相同的數值，但是從實測數據發現兩個值存在較大差異，所以此系統的N相中不僅僅有3次諧波電流，還會有9次、15次、21次諧波以及三相不平衡等因素的存在。

方案選型(以AL8為例)：

凈化效果：

如下圖所示，根據治理方案可得知，此次我們需要測量的數據主要為N相電流及總畸變率。下圖左上為監測點電流，右上為對應電流畸變率。Irms1為相線網側電流，2為相線負載電流，3為N相網側電流，4為N相SNP發出電流。看圖可得，體育中心AL8號箱子負載經過SNP設備治理后，相線電流從175A左右降到128A左右。SNP的零線電流治理了274A的諧波后，N相網側電流為37A。滿足對治理效果的預期要求。