谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波,而基波是指其频率与工频(50Hz)相同的分量。谐波产生的原因主要有:由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。谐波的频率等于基波的频率的整数倍,基波频率3倍的波称之为三次谐波,基波频率5倍的波称之为五次谐波,以此类推。其中,三次谐波及其倍数次谐波呈零序特征,中性线上的三次谐波电流是三相中三次谐波电流的代数和,会引起中性导体过载风险。
《布线系统载流量》IEC 60364-5-52-2009附录E给出了三相负荷平衡系统的谐波电流效应,供大家参考使用。
四芯和五芯电缆有四芯通电流,当中性导体承载电流但相导体的负荷并没有减少时,确定回路载流量时应考虑中性导体中电流的影响。三相平衡系统中中性导体有电流的情况,这些中性导体电流是由于相导体中存在不能在中性导体中抵消的谐波分量。在中性导体中不能抵消的最显著谐波通常是三次谐波。在这种情况下,由三次谐波引起的中性导体电流值可能超过工频相导体电流值。中性导体电流会对回路中电缆的载流量有显著影响。
如果三相中仅两相带负荷,这种情况是更麻烦的。在这种情况下,中性导体除了承载不平衡电流外还承载谐波电流。这种状态会导致中性导体过负荷。例如荧光灯组和计算机中的直流电源是可能引起显著谐波电流的设备。
表E52.1给出的降低系数只适用于四芯或五芯电缆中中性导体和相导体具有相同材料和截面的电缆。这些降低系数是根据三次谐波计算出来的。如果预计有更显著(即大于15%)的高次谐波,如九次、十五次等,可用一个较小的降低系数。如果相间不平衡达到50%,可能使用更低的降低系数。
表E52.1 四芯或五芯电缆存在谐波电流时的降低系数
线电流的三次谐波分量% | 降低系数 | |
基于线电流选择截面 | 基于中性线电流选择截面 | |
0 ~15 | 1.0 | – |
15 ~ 33 | 0.86 | – |
33 ~ 45 | – | 0.86 |
>45 | – | 1.0 |
注:线电流的三次谐波分量是三次谐波与基波(一次谐波)的比值,用%表示。
表E.52.1中所列降低系数用于有三根导体带负荷的电缆载流量时,将得出4根导体带负荷的电缆载流量。第四根导体中的电流是由谐波引起的。降低系数同时也考虑了相导体中谐波电流引起的热效应。当中性导体电流大于相电流时,电缆截面应按中性导体电流选择。
当电缆截面选择是按中性导体电流,但中性导体电流稍大于或小于相电流时,有必要降低表中三根带负荷导体的载流量。如果中性导体电流大于相电流的133%,且电缆截面选择基于中性导体电流,那么三根相导体不是满负荷的。相导体发热量的减少抵消了中性导体产生的热量,在这个方面来说,没有必要对三根带负荷导体的载流量再使用降低系数。
谐波电流降低系数应用举例:
假定某一三相回路,计算电流39A,使用四芯PVC绝缘电缆固定在墙上,敷设方式C。
1、从表B.52.4查得,6mm2 截面积铜芯电缆载流量为41A。如果回路中不存在谐波电流,选择该电缆是合适的。
2、假如有20%的三次谐波,需要采用0.86的降低系数,计算电流变成:39/0.86=45A。
对这一负荷,有必要采用10mm2截面积电缆。
3、假如有40%的三次谐波,电缆截面选择基于中性导体电流,中性导体电流为:39X0.4X3=46.8A。
采用0.86的降低系数,计算电流为:46.8/0.86=54.4A。
对这一负荷, 采用10mm2而截面积电缆是合适的。
4、假如有50%的三次谐波存在,电缆截面选择基于中性导体电流,中性导体电流为:39X0.5X3=58.5A。
在这种情况下,采用降低系数1,需要采用16mm2截面积电缆。
以上电缆载流量选型基于三相四线回路中存在三次谐波“单一情况下”电缆的热效应防护,即未考虑电压降和其他设计方面问题。