存在諧波電流時如何選擇導體的截面積

近年來，隨著系統中非線性負荷的增多，像直流電源、計算機、變頻器和氣體發電燈等設備，使三相平衡系統中出現了諧波，尤其是三次諧波最為嚴重。此時，如果只根據其功率計算電流來選擇導體截面，在運行過程中可能會使線路處于過載運行狀態，導致斷路器頻繁跳閘。這是因為非線性負荷的存在，相線中不僅有50Hz基波負載電流，還有其它高頻率的諧波電流，此時相線中電流為基波電流與各次諧波電流的平方之和的平方根，可以按照下面公式表示：

式中，IL為相線電流，I1為基波電流，Ih為第h次諧波電流。

通過上面公式可知，由于存在諧波電流，使得相線中的電流增大。對于三相四線制系統中的中性線，三相線性負荷平衡的情況下，中性線中通過的電流為零。對于非線性負荷來說，即使三相負荷平衡，也會使中性線中通過三個相線得三次及其奇數倍諧波電流，從而使中性線中的電流增大，但偶次諧波不會使中性線中電流增大。由于三相的三次及其奇數倍諧波電流在中性線上進行了疊加，使得中性線中存在3倍的三次及其奇數倍諧波電流。

系統中存在非線性負荷使得線路中存在諧波電流，從而造成相線和中性線中通過的電流增大。諧波嚴重的情況下，中性線中通過電流要大于相線中通過的電流。對于非線性負荷，如果只根據設備功率計算出負荷電流來選擇導體的截面，可能會使導體處于過載運行狀態，長期運行使其絕緣發生劣化，嚴重情況下可能會發生電氣火災。

那么存在諧波電流時如何選擇導體截面呢？下面對這個問題進行分析。對于低壓配電線路的按照其形式分為兩類：

（1）第一類為導線采用絕緣子明敷方式，導線為單芯導線，不同導線之間拉開了布線距離。這種方法下，發熱導體有足夠的空間將熱量擴散到周圍空氣中，導體之間的發熱互不影響。其載流量仍然可以按照單個導體的發熱來進行標定。

例如，某三相平衡系統，采用三相四線制供電方式，相線電流為39A，采用4根PVC絕緣銅芯電線在墻面上以瓷瓶明敷，求在負載電流含有不同諧波的情況下的電線截面。

注：電線載流參照《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）表9.3-18，在40℃時環境溫度下電線的載流量，4(6)表示4根6mm2的電線。

從上面的計算結果可得，隨著諧波含量的增大，相線和中性線的電流變大；諧波含量大時，中性線通過的電流要大于相線通過的電流；當諧波含量大時，要考慮到相線和中性線導體截面的增加。

（2）第二類為多芯電纜和穿管電線，這時多芯電纜和穿管電線相互貼緊，它們之間發熱相互影響，此時多芯電纜或穿管電線可以視為一個綜合發熱體。諧波電流作為基波電流的一種附加的電流，它使回路增加的附加發熱，造成導體載流量減小。為了確定存在諧波電流后導體的截面時相線應該除以降低系數，從而提高導體的截面。下面來自《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）表9.2-2為含有諧波電流時計算電流較正系數。

   　例如，某三相平衡系統，采用三相四線制供電方式，相線電流為39A，采用PVC絕緣四芯銅電纜明敷，求在負載電流含有不同諧波的情況下的電線截面。

注：電線載流參照《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）表9.3-27，在40℃時環境溫度下電線的載流量，4×10表示4芯10mm2的電纜。