胡 峻

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

现代建筑越来越强调节能设计，由于节能技术及节能产品的大量使用，近年来，建筑物中谐波源呈逐年上升趋势，导致大楼供配电系统中性线电流过流现象日益突出。近些年来，虽然业内对于谐波问题及由此引起的中性线过流问题已经有过很多探讨，但部分电气设计人员尚未充分认识到中性线过流问题引起的危害，在电气节能设计中仅仅强调对节能技术及节能产品的应用，并未对由此带来的中性线过流问题采取针对性的防控措施，导致供电系统存在着严重的用电安全及消防隐患。因此，笔者对建筑物中电气节能设计带来的中性线过流问题进行分析探讨，以期引起业内同行的重视。

1 中性线过流问题的产生

理论上，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，但实际上，电网运行中的三相电力系统负载从不会完全平衡，即使在设计中尽量做到三相平衡，在实际用户用电过程中，单相负载的变化和随机性以及同时率问题也很难保证不平衡度在可控范围内。但是，三相不平衡导致的中性线存在电流现象并不会导致过流，只有在中性线叠加了谐波电流以后才会产生过流现象，因此中性线过流问题的根源还是在于谐波。

用傅里叶级数分析高次谐波电流可以知道，无论是正序谐波还是负序谐波，它们在中性线中的矢量和为零，不会形成电流，而零序谐波产生的零序电流在中性线中会产生叠加，如图1所示。

图1 谐波电流在中性线的叠加

所以，谐波电流对中性线电流的影响主要是由零序谐波(特别是3次谐波)造成，虽然其他高次谐波也会产生各类危害，但是并不会对中性线电流增加产生较大的影响。

2 供配电系统设计与中性线过流问题

中性线过流问题越来越令人担忧，一个重要的原因在于，基于对四级开关可能出现的“断零”故障的担忧，我国电气行业规范及标准均对四极开关的使用做了限制，国内项目中四级断路器的使用占比尚不足20%，在我国现行的规范中，仅有对相线过载保护的要求，尚无对中性线过流设置保护的相关要求。

因此在供配电系统设计中，除某些设置了剩余电流保护的回路采用四极开关外，其他各级配电从上到下均采用三极开关，即使流过中性线的电流值超过电缆允许的载流量，也不能及时报警和切除负载回路，这就导致供配电系统中出现了一个中性线过流保护的盲区，在零序谐波含量较高的回路，如果不加以特别的控制措施，出线中性线过流现象，容易导致中性线的发热损毁，引起严重的系统故障并危害消防安全。

3 电气节能设计与中性线过流问题

建筑物中常见的传统性非线性负载的谐波电流含量如表1所示。

传统非线性负载的谐波电流含量 表1

由表1可知，传统的非线性负载中，节能灯、计算机等负载3次谐波含量远远高于其他非线性负载。而随着国家节能政策的推行及电气节能技术的应用，一些新的非线性负载随之产生，这些谐波源无疑会给供电系统带来各种危害。

下面对这些谐波源和谐波分量进行具体的分析，以期梳理出零序谐波含量较高的谐波源，并对其可能引起的中性线过流问题采取有针对性的措施。

3.1 LED节能光源

其实LED光源本身并不会产生谐波，但LED照明在工作时需要相应的驱动电源与之配套，而工作于交流市电的驱动电源主要是以高频开关电源为工作模式的AC-DC变换器，其自身的输入特性决定了输入电流和电压将产生畸变，特别是大功率低功率因数的LED照明，这种畸变将更为严重，因此在大量使用时极易造成照明配电线路中有严重的高次谐波电流成分。随着开关电源类电子产品的应用及普及，国际电工委员会制定了IEC 61000-3-2，我国也制定了强制性认证标准GB 17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》等规范(以下简称认证标准)，对用电设备的电压电流波形失真做出了具体限制和规定，如对于输入有功功率>25W的LED照明灯具，规范要求谐波电流不应超过表2限值。

C类设备谐波含量限值 表2

按上述标准，如电路功率因数取0.9，则开关电源的3次谐波含量≤27%。对于功率≤25W的LED灯具，认证标准没有谐波的相关测试要求，但是实际应用中，由于市场中LED开关电源质量的良莠不齐及缺乏有效的监管机制，在实际测试中，有的开关电源3次谐波含量甚至达到60%～80%，极易引起中性线过流问题。工程实践表明，采用LED光源的景观照明、建筑物泛光照明回路，中性线过流问题尤其突出。

3.2 LED调光设备

传统的舞台灯光调光设备采用可控硅技术，对于输入的正弦波波形破坏严重，导致中性线电流升高问题非常突出。而现代建筑中，高端酒店、商业甚至高端写字楼对于照明调光技术的采用也越来越普遍，针对LED新型光源的全面应用，LED调光模块的应用也越来越多。

目前市场上对于LED灯具采用的主流调光技术主要有：LED可控硅调光技术、0-10V电磁调压技术、数字调光技术等，但无论是采用何技术，均会对正弦波波形造成破坏，导致谐波的产生。实验表明，当可控硅移相调压至半压并满载输出时，中性线电流可以达到相线电流的1.86倍左右，因此调光设备应用较多的回路，中性线过流问题亦应引起足够的重视。

3.3 充电桩设备

根据住建部电动汽车充电设施配建标准，公共建筑配套停车场和社会公共停车场均应配建不少于10%的充电桩车位，很多地方地标准均要求不低于20%，发达城市充电桩的配建比例甚至更高。可以预见，随着电动汽车的逐步普及，充电桩负载在整个变配电系统所占比重会越来越高。

由于充电桩的工作模式中存在交直流整流过程，因此会产生谐波，针对交直流充电桩的谐波研究表明，在不同的充电阶段，充电桩谐波的畸变率不同。表3是对市场上某110kW直流充电桩及7kW交流充电桩充电稳定工作状态下的谐波电流含量测试数据。

由表3数据可以看出，直流充电桩的谐波含量相对较小，而交流充电桩的谐波分量特别是3次谐波含量较高，目前民用建筑中，居住建筑交直流充电桩的比例一般都大于10∶1，公共建筑一般都大于4∶1，交流充电桩的比例占了绝大多数，因此，由其引起的谐波影响不应忽视。

某直流及交流充电桩的谐波含量 表3

3.4 变频调速设备

现代节能建筑中，变频调速设备在空调水泵、电梯、生活水泵的节能运行策略中越来越多的被采用。变频器在其整流及逆变过程中，由于主电路的“交流—直流—交流”转换会产生高次谐波，引起中性线电流上升。但是对变频器的谐波含量分析表明，其3次谐波含量较少，主要以5次谐波及7次谐波为主，不是引起建筑物中性线过流问题的主要源头。

综上所述，建筑物中零序谐波含量较高的谐波源主要是节能灯、LED灯具开关电源、照明调光模块、计算机负载、交流充电桩回路等，因此在设计中应重点关注这些负载类回路，对中性线过流问题采取针对性的措施。

4 针对中性线过流问题的防控策略

4.1 对于谐波源

对于谐波源的专项治理是解决谐波问题及中性线过流问题的根本途径，治理谐波其最有效的方法无疑是采用无源滤波装置(LC)及有源滤波器(APF)等。其中有源滤波器能够选择性的滤除各次谐波，自动识别负荷谐波含量变化，准确迅速的跟踪补偿，应优先考虑。

但由于谐波电流计算涉及到诸多因数，精确的仿真建模算法既复杂又不实用，在设计阶段，电气设计人员往往难于收集到足够的电气设备谐波数据，可以按公式：IH=0.15×K1×K2×ST进行估算，作为选取有源滤波器的依据，式中IH为谐波电流，A；K1为变压器的负荷率，K2为补偿系数；ST为变压器容量，kVA。

对于K2值的选取，一般来说，无干扰的项目(如写字楼、商住楼等)取0.3～0.6，中等干扰项目(如电脑、空调、节能灯相对集中的办公楼、体育场馆、剧场、电视台演播室、银行数据中心、一般工厂)取0.6～1.3，强干扰项目(如通信基站、电弧炉、大量UPS、EPS变频器、焊接、电镀、电解、整流等工厂)取1.3～1.8。

然而，在实际的电气设计中，很多设计人员只简单的认为在变电所设置了有源滤波器等专项治理谐波的设备，就能够解决电网中的所有谐波问题。但是这样并不能有效解决供电回路中的中性线过流问题。笔者认为，在设计中，应该针对末端设备采取一些有针对性的谐波治理手段，如在一些谐波较严重的负载侧，针对谐波源的谐波分量的不同，安装有针对性的谐波治理产品(如谐波保护器等)，将谐波消除在发生源，矫正谐波影响而产生畸变的电源波形，从而降低谐波电流的影响。

4.2 对于零序谐波含量较高的回路

对一些谐波含量大的负载干线回路，应选用中性线与相线同截面的电缆，必要时采用加大电缆截面或加大中性线截面的措施。

GB 50054-2011《低压配电设计规范》第3.2.9条及GB/T 16895.6-2014《低压电气装置 第5-52部分：电气设备的选择和安装 布线系统》附录E“三相平衡系统中的谐波电流效应”(简称GB/T 16895.6-2014附录E)的规定中，给出了关于3次谐波电流在四芯和五芯电缆中的换算降低系数(表4)，要求根据换算后的相线电流或中性线电流两者中的大值，作为选择四芯(等截面)电缆的依据。

四芯和五芯电缆存在谐波时的降低系数 表4

然而在设计过程中，该规范条文常常被设计人员忽视，即使是3次谐波分量严重的供电回路，仍然按照相线的电流来选择电缆截面，导致电缆截面偏小，在设计使用中留下安全隐患。

按表4的规定，举例如下：如回路中的计算电流IC=100A，当3次谐波为10%、30%、40%、60%、80%时，在不考虑其他敷设条件降低系数的情况下，选择导线截面计算表如表5所示。

三相四线制线路不同3次谐波含量时导线截面选择表5

由此可见，谐波分量的不同会导致电缆的截面选型出现很大的差异，结合本文对各类谐波源谐波含量的分析，笔者建议，设计人员应尤为重视以下供电回路，在设计中采取加大中性线截面的措施。

(1)采用集中型开关电源驱动的LED照明灯具回路，如室外景观照明回路及建筑物泛光照明回路，宜至少考虑50%的3次谐波分量，按中性线电流选取电缆。

在实际工程中，这些回路的中性线过流问题在多个工程项目案例中均有发生。如笔者在参与某超高层建筑竣工验收过程中，景观亮化施工单位反应在调试过程中某景观照明回路主电缆发热厉害，而主开关并未跳闸，经核查，景观设计图纸按照相线电流计算选取的电缆截面是合理的，故问题出在中性线上。现场测试后，该回路电流参数如表6所示。

某项目景观照明回路中性线过流问题实测数据 表6

经对电流参数分析，中性线电流已经达到了相线平均电流的167%，很明显是由于LED开关电源引发的照明线路上零序谐波叠加导致的中性线过流现象。后增加了一条1×95mm2的中性线电缆，电缆发热问题才得到解决。

(2)采用小功率LED灯具为主的室内照明回路，宜至少考虑30%的谐波分量，按相线电流选取电缆并考虑0.86的降低系数。

(3)LED调光回路，尤其是采用可控硅调光技术的调光回路，宜至少考虑50%的谐波分量，按中性线电流选取电缆。

(4)计算机负载回路，宜考虑20%左右的谐波分量，按相线电流选取电缆并考虑0.86的降低系数。

(5)对于交流充电桩供电主回路，宜考虑25%的谐波分量，按相线电流选取电缆并考虑0.86的降低系数。

(6)采用变频技术的空调回路及电梯供电回路，应采取中性线与相线等截面的4+1型电缆。

4.3 对电气火灾监控系统

笔者发现，电气设计人员在进行电气火灾监控系统的设计时，往往片面地将剩余电流式电气火灾探测器等同于电气火灾监控探测器，忽视测温式电气火灾监控探测器的作用。实际上，按相线温升条件合理选取的开关及电缆，对相线过载及发热问题已经有了很完善的保护，在中性线没有保护的情况下，对测温式电气火灾探测器的合理应用，能够很好地监控中性线是否存在过流问题。因此，为了防控3次谐波引起的中性线过流问题，应在3次谐波分量含量较高的回路装设测温式电气火灾监控探测器。

另外需要注意的是，GB 50116-2013 《火灾自动报警设计规范》第9.2.1条规定：“剩余电流式电气火灾监控探测器应以设置在低压配电系统首端为基本原则”，此条文针对的是剩余电流式电气火灾探测器。然而，很多设计人员根据此条规范将测温式电气火灾监控探测器设置在变配电所的出线端，对于放射式回路，此做法没有问题，但是对于多级配电的回路及树干式供电的分支回路，将测温式电气火灾探测器设置在首端是极不合理的，并没有起到必要的监控作用，应将测温式电气火灾探测器尽量安装在分支回路处，才能起到很好的监控作用，如图2所示。

图2 分支回路装设测温式电气火灾探测器示意

4.4 中性线过流专项治理

目前市场上已经有一些比较成熟的三相不平衡电流以及中性线过流问题专项保护产品。这类产品中，数字信号处理器采集中性线电流信号，通过能量单元进行电流调节或通过逆变单元发出反相谐波电流，从而减小中性线电流，还可以通过继电保护单元在中性线过流或过热限值时，输出跳闸信号，断开回路开关的相线。但考虑到经济性因素，尚不能在建筑中大量采用，设计人员可以根据项目情况适当选用。

5 结束语

中性线过流问题的治理关键还是在源头，GB 17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》已经对各类产品的谐波电流限制做了相关规定，一方面应加强对各类接入电网的设备的产品标准检验，另一方面，应在设计中加强对中性线过流问题的预判，对谐波问题进行专项治理，包括对于零序谐波分量较高的回路合理选择电缆截面，设置必要的电气火灾监控措施等，多管齐下，才能解决中性线过流问题，提高供电系统的安全保障。