安科瑞中线安防保护器：从根源解决N线电流过大，实现终端电气综合治理

安科瑞 刘芳 18860995107

1 引言

随着现代建筑与工业领域中 LED 照明、变频设备、计算机及办公通信等非线性负载大量应用，三相四线制供配电系统面临日益突出的电能质量问题。由 3N 次零序谐波汇聚、三相不平衡等因素引发的 N 线电流过大现象，极易导致零线发热、绝缘老化，甚至引发电气火灾，对供配电系统安全稳定运行构成严重威胁。

针对零序谐波在中性线叠加导致过流的核心问题，当前研究多采用磁通补偿、零序滤波、曲折接线电抗器等技术路线，在抑制谐波、消除零线过流等方面取得一定成效。本文在此基础上，提出一种基于 N 线电流过大的终端电气综合治理方案，旨在从源头抑制零序谐波、平衡三相电流，为低压配电系统提供安全、高效、可靠的治理技术支撑。

2 N线电流产生机理

2.1 N线电流产生的原因

在实际项目现场中，一般由于3n次谐波和三相不平衡引起的N线带电情况尤为常见。尤其商业广场或体育中心广场存在着大量LED荧光灯/泛光灯和LED屏等设备，将导致N线带电的问题。其负载类型为开关电源型，并存在以下特点：

1）负载谐波含量丰富。当内部的开关器件工作在高频开关状态时，会使得输入输出电流和电压波形发生畸变，谐波电流主要以3次谐波电流为主，电流畸变率THDi一般在70%-120%之间，同时还包含高次谐波。

2）开关电源常采用功率因数校正（PFC）技术，因此无功特性一般表现为容性无功居多，功率因数在0.9以上。存在电容器的现场若主动投入电容器，反而会使系统无功功率增加，出现功率因数快速降低的问题。

表1为3次谐波源负载及谐波分析。

表1 3次谐波源负载及谐波分析

2.2 N线电流产生的原因

针对0.4kV的低压配电系统中经常出现N线带电的异常情况，一般有下列几种因素：1）A/B/C三相负载电流不平衡；2）非线性负载设备产生3n次谐波电流；3）N线断路，阻抗无穷大，电流无法通过N线形成闭合回路，负载设备侧的中性点电位不再为零，发生偏移；4）N线和接地保护PE线混接；5）A/B/C相线与N线之间绝缘层损坏，致使相线和N线之间产生漏电；6）接地故障，在TN-S系统中中性点接地电阻过大或接地不良，在系统发生单相接地故障时，中性点电位会升高，使N线带电。

3 终端电气综合治理解决方案

终端电气综合治理系统解决方案由终端电气电能质量综合治理设备、物理网关、服务器及服务终端四部分组成，其中终端电气电能质量综合治理设备作为底层硬件基础实现对末端供配电数据采集与末端电能质量补偿等具体服务动作；物理网关实现终端治理设备与服务器间的数据传输以及对设备进行策略功能分配；设备运行数据经由服务器以服务终端为媒介为用户提供可视化展示。终端系统拓扑图见图3。

图3 终端系统拓扑图

终端电气综合治理系统解决方案集“互联-监测-分析-治理”四位一体，通过对配电系统从设备级监测到电能质量预判、异常数据分析，从而达到治理谐波、无功及三相不平衡问题的方案要求，同时还可对N线进行温度异常检测、N线电流治理及过流反馈保护等。相对于APF有源滤波器和无源的零线电流阻断器，其优势在于：

1）集“互联-监测-分析-治理”四位一体，涉及硬件治理设备、物理网关、服务器和软件系统服务平台；

2）增加了N线电流监测及治理功能，涉及N线温度监测预警、N线电流治理及过流反馈保护等；

3）增加了稳定末端电压和三相不平衡治理的功能。

4 ANSNP中线安防保护器

ANSNP系列中线安防保护器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐 波电流进行快速实时的跟踪和补偿。中线安防保护器的基本原理为:通过电流检测环节采集系 统中性线上过电流信息，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令， 通过功率执行器件产生与过电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入中性线，从而消除中 性线中过大的电流。

4.1 功能用途

（1）对末端回路电流进行检测、分析，治理谐波及三相不平衡，可治理由3N次谐波和三相不平衡造成的N线电流过大问题，消除其造成的电气火灾安全隐患；

（2）智能稳压功能；

（3）实现系统N线电流治理，同时具备谐波电流、无功功率、杂散电流、系统电流突变；

（4）系统节能功能；降低系统线缆损耗,降低系统由于集肤效应引起的损耗问题，实现综合节能。同时可以提高系统的元件使用寿命，降低维修成本。

（5）无线数据传输功能及手机APP交互功能。

4.2 技术参数

4.3 产品外观

1）本设备为强迫风冷壁挂式设备，室内壁挂安装。设备底面板为散热进风口，同时正面装配了7.0英寸液晶屏用于设备的近端人机交互；设备顶板为散热出风口，同时含有一次及二次线缆的接线端口；2）设备顶板包含一次接线端子（三相四线制为A/B/C/N/N、三相三线制为A/B/C）以及电流互感器、配件供电、紧急停机、通讯）等二次接线端子；3）模块需要接地，设备出线端子后方有接地端子。

注：三相四线制设备的A/B/C相线与N线严禁接反，接反后会引起相间短路，造成设备严重损坏。

4.4 线缆选择

4.5互感器选择与接线

电流互感器：开口/闭口式，精度0.5级，适配范围支持100:5~10000:5，互感器的规格容量可参考所治理的末端配电箱的断路器容量，比如400/5或500/5等。

电流互感器线缆要求为：低烟、无卤、阻燃，2.5mm2。

下图（1）为单台模块接线方式，图2为模块并机接线方式。

图1 单台模块接线方式

图2 两台模块并机接线方式

4.6 设备安装要求

壁挂模块安装时，模块从下方进风，向上排风。热量从下往上散发，模块上下出口至少要预留150mm的进出风空间且安装位置与地面的距离要在1.5米以上，禁遮挡出风口。

壁挂式模块通常安装在墙壁上或者尺寸较小的柜体内，标准配置一对挂耳，如图所示。可在墙壁打Φ10的孔，用M8的膨胀螺丝进行固定。壁挂式模块会配备7.0寸彩色触摸屏。

4.7 断路器配电箱

5 N线电流治理工程实例

5.1 项目情况

深圳某商业中心主要涉及负载有电梯、LED灯组（数量较多）， LED屏，空调，照明等，导致开关出现温度异常，N线电流过大的问题，影响了负载的用电安全。现场22个末端治理点位，以某个末端楼层配电间为例进行N线治理测试。

N线产生电流的原因主要有两方面：

1）A/B/C三相不平衡导致N线上有零序电流的存在；

2）相线3N次谐波电流会在N线上叠加（例：A相上有10A的3次谐波电流，B相上有20A的3次谐波电流，C相上有5A的3次谐波电流，N线上会有10+20+5=35A的谐波电流；同理9次谐波电流、15次谐波电流等都具有相同的特性）。

5.2 治理效果

设备配置：1台ANSNP100壁挂模块；

治理效果：

（1）电流畸变率显著减小，电流波形趋于正弦波

（2）N线电流减小。3次谐波电流由治理之前的125A降低到5A左右，ANSNP对于N线电流中3次谐波的治理能力补偿率在96%及以上，符合前期预期的治理要求；

（3）减少线缆发热。

6 结论

本文基于N线电流过大问题提出的终端电气综合治理解决方案，该解决方案集“互联-监测-分析-治理”四位一体，涉及硬件治理设备、物理网关、服务器及软件系统平台。相对于传统的无源的零线电流阻断器和APF有源滤波器，又增加了对N线进行温度异常检测、N线电流治理及过流反馈保护、稳定末端电压和三相不平衡治理的功能，最后又通过项目工程案例验证了终端电能质量综合治理解决方案的有效性和可靠性，保障了末端供配电系统的用电安全。