三次谐波易发设备火灾隐患成因及防范对策

（青岛市公安消防支队，山东 青岛 266071）

三次谐波易发设备火灾隐患成因及防范对策

纪永红

（青岛市公安消防支队，山东 青岛 266071）

本文介绍了三次谐波的形成原理，实践中的主要产生源，并进一步分析了三次谐波的危害性；同时，以三次谐波的典型故障为切入点，深入分析了因三次谐波导致的零线过热、变压器过热、零线电流过大、中性线过热等典型火灾隐患的产生原因；结合实际，从管理和技术的角度提出了严格执行电力谐波的国家标准，加装谐波滤波器、隔离变压器，按谐波量标定的断路器和配电屏，将敏感设备与其他设备分开等防范对策建议。

三次谐波；电气火灾；关系；防范措施

在低压配电系统中电子节能灯、UPS电源等电子设备，易产生三次谐波成分，导致设备功率损耗加大、缩短使用时限，甚至产生接地保护功能异常、中性线过热、电缆诱发火灾等危害，本文以三次谐波的典型故障为切入点，分析其火灾隐患成因，并提出防范对策。

1 三次谐波危害性

在日常生活中很多电器设备偶读会产生三次谐波，例如节能灯、微波炉、UPS电源以及变频空调和镇流器等，甚至荧光灯也会产生三次谐波。谐波会降低电能的传输效率以及利用率，同时会令定期设备产热加大，出现噪声以及振动。除此之外会影响电气设备的绝缘组织，缩短电气设备的使用寿命，最终引发老化、产生事故或者烧毁。谐波可能引发电力系统故障致使电气设备烧毁。另外继电保护装置也会因为谐波而发生误动，导致计量设备计量失误。对谐波的危害进行总结主要包含以下几方面：首先会导致输电设备、供电设备以及用电设备的损耗增加，因而使得设备过热，导致设备利用率降低，从而无法达到预期的经济效益；其次，谐波电流会导致电能在输送过程中被损耗。一旦谐波频率到达谐振区域，那么就会导致电力电缆以及输电线路发生绝对击穿。另外变压器磁滞损耗以及涡流损耗会随着谐波电压的增强而增加，绝缘电场强度也会受到谐波电压的影响而增强，谐波电流使得铜损增大。若变压器带有非对称性负荷，那么谐波会受到不对称负荷的影响而增加。若电容器两端加载了含有谐波的电压，那么电容器中电流就会受到谐波电流的影响而增大，电容器温度升高，必然会引起使用寿命的减少，从而引发电容器超负荷运行，甚至会引起电容器爆炸。另外谐波的存在还会引发电网故障加剧以及外部干扰的增强。

2 三次谐波与电气火灾隐患

2.1 三次谐波引起零线过热

图1中所示为开关柜中零线电流过大导致过热的情形。第一组为可见光照片，反映零线过热情形。左面零线绝缘层严重老化，右面零线接线铜排已严重氧化。第一组的这两幅图表明该零线曾处在高温状态。第二组图为红外线图象。右侧图像表明在可见光下，零线无异常，但在左侧红外线图像下，就表明该零线的温度已明显超过了相线。如果长时间正在这样的高温下，将会加速电气线路绝缘层的老化。这处零线在没有过流保护装置下，易诱发火灾事故。

2.2 零线电流过大现象

通过分析前面零线过热现象，我们可知零线电流是导致零线过热的原因。通过实际测量来看，零线电流过大的现象并非罕见。图2中的数据是在不同的建筑物中测量的结果。其中，建筑物1、4、6中，零线电流已超过相线电流。零线电流过大的后果是导致零线温度过高。这实际是三次谐波所导致的。在现代建筑物中，由于大量使用非线性负荷，会产生很大的三次谐波电流。一般而言，电流流过导体时产生热量，热量与电流的平方成正比，当电流达到相线电流的1.5倍时，零线发热量会达到相线2.25倍。在一般配电系统中，零线上往往没有过流保护装置，因此，大电流必然会导致零线过热，酿成火灾。

2.3 三次谐波引起变压器过热

图1

图2

谐波电流在流过变压器时，会造成变压器的损耗增加，导致变压器的温度过高。其中，三次谐波电流造成变压器过热的情况最为严重。当变压器的负载端有三次谐波电流时，三次谐波电流会耦合到变压器的初级侧。这种结构的变压器不会将三次谐波电流发射到上游电网，但是，三次谐波电流也并不抵消，而是在变压器的初级Δ绕组中形成环流，这种环流的幅度会很大，从而产生很大的热量。三次谐波增大在变压器的绕组和铁芯上的损耗，铁芯中的环流不做有用功，但会引起额外的损耗并增加绕组的温度，更高频率的谐波会使磁损及涡流损耗加大。

2.4 中性线故障引发火灾

低压三相系统中每相线之间相位差为120°，依照矢量相加的方式进行计算，若每相之间电流相同，那么在零线的电流值为零；但是，若三项负荷不平衡，那么中线中的电流为去掉均衡值后的电流，该电流值小于相线电流。依照这一特点，相较于相线截面，中性线截面相对较小，以此可以节约材料。中线不一定可以抵消各相线上的谐波电流，若相线中的奇次谐波均相同，那么在中线中

不但无法抵消谐波电流，反而会相互累加，在中性线处形成三倍谐波电流，超过中性线的最大电流通过值。若用电场所中存在大量的谐波设备，例如在计算机中心以及一些较为集中的照明航所，经过测量可以得出，该类场所的中性线上电流值最高会达到相线电流的二倍。因此，由于过大的电流极易造成中性线发生过热而导致周围起火或者线路熔断现象，从而导致电路电压的不稳定，烧毁输电网中的用电设备从而引发火灾。

3 解决三次谐波火灾隐患的对策

3.1 严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准。《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）》（GB17625.1），要求购置的用电设备，经过试验证实，符合该标准限值才允许接入到配电系统中。1993年颁发GB/T14549《电能质量公用电网谐波》，规定的注入公共连接点的谐波电流允许值的用户，必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波。

3.2 加装谐波滤波器。对已建建筑物来说，加装谐波滤波器是较经济的办法。谐波滤波器可安装在每一个用电设备支路中，既可阻止支路产生的谐波注入电网，亦可过滤去电网中包含的谐波成分。

3.3 加装隔离变压器以及按谐波量标定的断路器和配电屏。隔离变压器是一种作用于电源或负载减少谐波的滤波设备。对于存在电源质量问题的地方，加装这种设备也是一种技术改造的方法；同时，谐波产生的过热现象是危险的，选用提高参数的器件可对整个线路中的设备起到保护作用。

3.4 中性线的选择。在大量使用非线性电子设备的电气回路中，中性线的截面应该是每相导线截面的两倍，实际运用时可采用五芯电缆，每相用一个芯线而中性线则用两个芯线。也可每相用各自不同的中性线。

3.5 将敏感设备与其他设备分开。敏感设备如计算机等，至少在末端配电箱上设单独回路。在某些场合，更好的做法是给敏感设备从低压配电室单独配电柜上引出的单独回路来供电。中性线和接地线也应分开。专用回路内包括单独的相线、单独的中性线和单独的接地线，每一回路应套单独的金属管。限制每个回路的插座数量。对每回20A回路，推荐只装用3至6个插座，而不是规范中的10个插座，以减少分支配电回路中敏感设备的数量，有助于减少电压降。

[1]邱光元．电路分析[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[2]戴文．电路理论[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[3]马龙．配电线路谐波电流火灾隐患研究[J]．武警学院报,2009,25（08）．

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纪永红（1975— ），女，山东胶州人，青岛市公安消防支队工程师，主要从事消防工程、社会火灾防控、消防监督审核工作。