三次諧波易發(fā)設(shè)備火災(zāi)隱患成因及防范對策

（青島市公安消防支隊，山東 青島 266071）

三次諧波易發(fā)設(shè)備火災(zāi)隱患成因及防范對策

紀永紅

（青島市公安消防支隊，山東 青島 266071）

本文介紹了三次諧波的形成原理，實踐中的主要產(chǎn)生源，并進一步分析了三次諧波的危害性；同時，以三次諧波的典型故障為切入點，深入分析了因三次諧波導(dǎo)致的零線過熱、變壓器過熱、零線電流過大、中性線過熱等典型火災(zāi)隱患的產(chǎn)生原因；結(jié)合實際，從管理和技術(shù)的角度提出了嚴格執(zhí)行電力諧波的國家標準，加裝諧波濾波器、隔離變壓器，按諧波量標定的斷路器和配電屏，將敏感設(shè)備與其他設(shè)備分開等防范對策建議。

三次諧波；電氣火災(zāi)；關(guān)系；防范措施

在低壓配電系統(tǒng)中電子節(jié)能燈、UPS電源等電子設(shè)備，易產(chǎn)生三次諧波成分，導(dǎo)致設(shè)備功率損耗加大、縮短使用時限，甚至產(chǎn)生接地保護功能異常、中性線過熱、電纜誘發(fā)火災(zāi)等危害，本文以三次諧波的典型故障為切入點，分析其火災(zāi)隱患成因，并提出防范對策。

1 三次諧波危害性

在日常生活中很多電器設(shè)備偶讀會產(chǎn)生三次諧波，例如節(jié)能燈、微波爐、UPS電源以及變頻空調(diào)和鎮(zhèn)流器等，甚至熒光燈也會產(chǎn)生三次諧波。諧波會降低電能的傳輸效率以及利用率，同時會令定期設(shè)備產(chǎn)熱加大，出現(xiàn)噪聲以及振動。除此之外會影響電氣設(shè)備的絕緣組織，縮短電氣設(shè)備的使用壽命，最終引發(fā)老化、產(chǎn)生事故或者燒毀。諧波可能引發(fā)電力系統(tǒng)故障致使電氣設(shè)備燒毀。另外繼電保護裝置也會因為諧波而發(fā)生誤動，導(dǎo)致計量設(shè)備計量失誤。對諧波的危害進行總結(jié)主要包含以下幾方面：首先會導(dǎo)致輸電設(shè)備、供電設(shè)備以及用電設(shè)備的損耗增加，因而使得設(shè)備過熱，導(dǎo)致設(shè)備利用率降低，從而無法達到預(yù)期的經(jīng)濟效益；其次，諧波電流會導(dǎo)致電能在輸送過程中被損耗。一旦諧波頻率到達諧振區(qū)域，那么就會導(dǎo)致電力電纜以及輸電線路發(fā)生絕對擊穿。另外變壓器磁滯損耗以及渦流損耗會隨著諧波電壓的增強而增加，絕緣電場強度也會受到諧波電壓的影響而增強，諧波電流使得銅損增大。若變壓器帶有非對稱性負荷，那么諧波會受到不對稱負荷的影響而增加。若電容器兩端加載了含有諧波的電壓，那么電容器中電流就會受到諧波電流的影響而增大，電容器溫度升高，必然會引起使用壽命的減少，從而引發(fā)電容器超負荷運行，甚至?xí)痣娙萜鞅āＡ硗庵C波的存在還會引發(fā)電網(wǎng)故障加劇以及外部干擾的增強。

2 三次諧波與電氣火災(zāi)隱患

2.1 三次諧波引起零線過熱

圖1中所示為開關(guān)柜中零線電流過大導(dǎo)致過熱的情形。第一組為可見光照片，反映零線過熱情形。左面零線絕緣層嚴重老化，右面零線接線銅排已嚴重氧化。第一組的這兩幅圖表明該零線曾處在高溫狀態(tài)。第二組圖為紅外線圖象。右側(cè)圖像表明在可見光下，零線無異常，但在左側(cè)紅外線圖像下，就表明該零線的溫度已明顯超過了相線。如果長時間正在這樣的高溫下，將會加速電氣線路絕緣層的老化。這處零線在沒有過流保護裝置下，易誘發(fā)火災(zāi)事故。

2.2 零線電流過大現(xiàn)象

通過分析前面零線過熱現(xiàn)象，我們可知零線電流是導(dǎo)致零線過熱的原因。通過實際測量來看，零線電流過大的現(xiàn)象并非罕見。圖2中的數(shù)據(jù)是在不同的建筑物中測量的結(jié)果。其中，建筑物1、4、6中，零線電流已超過相線電流。零線電流過大的后果是導(dǎo)致零線溫度過高。這實際是三次諧波所導(dǎo)致的。在現(xiàn)代建筑物中，由于大量使用非線性負荷，會產(chǎn)生很大的三次諧波電流。一般而言，電流流過導(dǎo)體時產(chǎn)生熱量，熱量與電流的平方成正比，當電流達到相線電流的1.5倍時，零線發(fā)熱量會達到相線2.25倍。在一般配電系統(tǒng)中，零線上往往沒有過流保護裝置，因此，大電流必然會導(dǎo)致零線過熱，釀成火災(zāi)。

2.3 三次諧波引起變壓器過熱

圖1

圖2

諧波電流在流過變壓器時，會造成變壓器的損耗增加，導(dǎo)致變壓器的溫度過高。其中，三次諧波電流造成變壓器過熱的情況最為嚴重。當變壓器的負載端有三次諧波電流時，三次諧波電流會耦合到變壓器的初級側(cè)。這種結(jié)構(gòu)的變壓器不會將三次諧波電流發(fā)射到上游電網(wǎng)，但是，三次諧波電流也并不抵消，而是在變壓器的初級Δ繞組中形成環(huán)流，這種環(huán)流的幅度會很大，從而產(chǎn)生很大的熱量。三次諧波增大在變壓器的繞組和鐵芯上的損耗，鐵芯中的環(huán)流不做有用功，但會引起額外的損耗并增加繞組的溫度，更高頻率的諧波會使磁損及渦流損耗加大。

2.4 中性線故障引發(fā)火災(zāi)

低壓三相系統(tǒng)中每相線之間相位差為120°，依照矢量相加的方式進行計算，若每相之間電流相同，那么在零線的電流值為零；但是，若三項負荷不平衡，那么中線中的電流為去掉均衡值后的電流，該電流值小于相線電流。依照這一特點，相較于相線截面，中性線截面相對較小，以此可以節(jié)約材料。中線不一定可以抵消各相線上的諧波電流，若相線中的奇次諧波均相同，那么在中線中

不但無法抵消諧波電流，反而會相互累加，在中性線處形成三倍諧波電流，超過中性線的最大電流通過值。若用電場所中存在大量的諧波設(shè)備，例如在計算機中心以及一些較為集中的照明航所，經(jīng)過測量可以得出，該類場所的中性線上電流值最高會達到相線電流的二倍。因此，由于過大的電流極易造成中性線發(fā)生過熱而導(dǎo)致周圍起火或者線路熔斷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電路電壓的不穩(wěn)定，燒毀輸電網(wǎng)中的用電設(shè)備從而引發(fā)火災(zāi)。

3 解決三次諧波火災(zāi)隱患的對策

3.1 嚴格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國家標準。《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流16A）》（GB17625.1），要求購置的用電設(shè)備，經(jīng)過試驗證實，符合該標準限值才允許接入到配電系統(tǒng)中。1993年頒發(fā)GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定的注入公共連接點的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。

3.2 加裝諧波濾波器。對已建建筑物來說，加裝諧波濾波器是較經(jīng)濟的辦法。諧波濾波器可安裝在每一個用電設(shè)備支路中，既可阻止支路產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，亦可過濾去電網(wǎng)中包含的諧波成分。

3.3 加裝隔離變壓器以及按諧波量標定的斷路器和配電屏。隔離變壓器是一種作用于電源或負載減少諧波的濾波設(shè)備。對于存在電源質(zhì)量問題的地方，加裝這種設(shè)備也是一種技術(shù)改造的方法；同時，諧波產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象是危險的，選用提高參數(shù)的器件可對整個線路中的設(shè)備起到保護作用。

3.4 中性線的選擇。在大量使用非線性電子設(shè)備的電氣回路中，中性線的截面應(yīng)該是每相導(dǎo)線截面的兩倍，實際運用時可采用五芯電纜，每相用一個芯線而中性線則用兩個芯線。也可每相用各自不同的中性線。

3.5 將敏感設(shè)備與其他設(shè)備分開。敏感設(shè)備如計算機等，至少在末端配電箱上設(shè)單獨回路。在某些場合，更好的做法是給敏感設(shè)備從低壓配電室單獨配電柜上引出的單獨回路來供電。中性線和接地線也應(yīng)分開。專用回路內(nèi)包括單獨的相線、單獨的中性線和單獨的接地線，每一回路應(yīng)套單獨的金屬管。限制每個回路的插座數(shù)量。對每回20A回路，推薦只裝用3至6個插座，而不是規(guī)范中的10個插座，以減少分支配電回路中敏感設(shè)備的數(shù)量，有助于減少電壓降。

[1]邱光元．電路分析[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[2]戴文．電路理論[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．

[3]馬龍．配電線路諧波電流火災(zāi)隱患研究[J]．武警學(xué)院報,2009,25（08）．

TM7

：A

紀永紅（1975— ），女，山東膠州人，青島市公安消防支隊工程師，主要從事消防工程、社會火災(zāi)防控、消防監(jiān)督審核工作。