鄭俊觀，林連宗，劉克桓，李國靜

（承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 智能制造系，河北承德 067060）

我國220/380 V低壓配電系統(tǒng)廣泛采用TN系統(tǒng)接地形式，這種接地形式的系統(tǒng)又分為TN-C系統(tǒng)、TN-C-S 系統(tǒng)和TN-S 系統(tǒng)。其中，TN-C 系統(tǒng)中N 線（中性線）和PE 線（保護線）全部合并成一根PEN 線（保護中性線）；TN-S 系統(tǒng)中N 線和PE 線全程分開；TN-C-S 系統(tǒng)中前面一部分N 線和PE 線合并成一根PEN 線，后面N 線和PE 線分開。中性線俗稱零線，作用有三：一是給220 V 額定電壓的單相設(shè)備供電；二是傳遞三相不平衡負載的不平衡電流和單相設(shè)備電流；三是保證三相不平衡負載相電壓對稱，減少中性點電位偏移。

在三相四線制供電系統(tǒng)中N 線或PEN 線因故斷開的現(xiàn)象俗稱斷零［1］。一旦發(fā)生斷零事故，就可能燒毀單相設(shè)備，造成用戶經(jīng)濟損失。為此，許多研究人員圍繞斷零事故引發(fā)單相設(shè)備燒毀現(xiàn)象進行了大量的研究，并提出了防范斷零事故的措施［1-3］。本文在相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對斷零事故的危害進行了總結(jié)；然后通過理論推導(dǎo)、仿真驗證等對斷零事故的機理進行了分析；最后對斷零事故的防范措施進行了總結(jié)與歸納。

1 斷零事故的危害

在三相四線制的低壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)三相負載不平衡發(fā)生斷零事故時，斷零事故點后面的三相線路中每相負載的電壓不再對稱，中性點發(fā)生偏移，從而引發(fā)一系列電氣危害：

（1）單相設(shè)備燒毀或不能正常工作。采用三相四線制供電且三相負載十分不平衡時，斷零事故會造成某相負載上的電壓過高，降低電氣設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重情況下可能會燒毀單相設(shè)備；同時也造成某相負載上的電壓過低，導(dǎo)致電氣設(shè)備無法正常工作［2-3］。

（2）引發(fā)人體電擊事故。斷零事故發(fā)生后，中性點將發(fā)生零點漂移，與PEN 線或PE 線連接的設(shè)備金屬外殼對地電壓升高，如果沒有室內(nèi)等電位聯(lián)結(jié)，則人體一旦接觸到帶電的設(shè)備外殼就會發(fā)生觸電（在干燥場所人體接觸到超過50 V 電壓時將造成電擊事故發(fā)生）。

（3）引發(fā)電氣火災(zāi)。對于額定電壓220 V 的電氣設(shè)備，當(dāng)兩個導(dǎo)體之間所加電壓超過250 V時可能發(fā)生爬電起火，造成電氣火災(zāi)。當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)發(fā)生斷零事故后，單相設(shè)備所承受電壓往往大于250 V，就不可能排除爬電起火引發(fā)電氣火災(zāi)的可能。

（4）造成一些保護電器不能正常工作，從而失去保護功能。我國目前一般采用電子式剩余電流保護器（residual current protective device，RCD）進行人身電擊防護，由于電子式RCD 采用回路電壓的能量動作，當(dāng)回路電壓過低或失壓時電子式RCD 將會拒動，從而失去保護功能。另外，信息技術(shù)設(shè)備的配電線路為了防止過電壓，如雷電過電壓、操作過電壓等對其損害，往往需要在相線、中性線與PE 線之間安裝浪涌保護器（surge protective device，SPD）。系統(tǒng)正常工作時，SPD 對地呈高阻抗，當(dāng)線路出現(xiàn)過電壓時，SPD 呈低阻抗，相當(dāng)于對地短路，將過電壓對地釋放，從而起到保護信息設(shè)備的作用。在防雷規(guī)范中SPD持續(xù)工作電壓Uc一般選擇相電壓的1.15倍，當(dāng)斷零事故使SPD 承受的電壓大于持續(xù)電壓，且持續(xù)時間較長，將會導(dǎo)致SPD燒毀報廢。

2 斷零事故的機理分析

低壓配電系統(tǒng)斷零事故發(fā)生的原因主要有3類：第一類為外力作用導(dǎo)致中性線或PEN 線斷開，比如風(fēng)力作用刮斷的樹枝正好壓在中性線或PEN 線上導(dǎo)致其斷開；第二類為中性線上某一連接點未連接好導(dǎo)致松動斷開，比如濫用4級開關(guān)，中性線觸頭由于磨損導(dǎo)致壓力不足，造成中性線斷開，或者中性線或PEN 線導(dǎo)線接頭處連接不牢固，未按照規(guī)范進行處理；第三類為中性線或PEN線截面太小，當(dāng)通過的電流大于其載流量時，會產(chǎn)生熔斷開路。前兩類原因比較容易理解，本文主要討論第三類原因。

2.1 中性點偏移電壓理論分析

三相四線制供電示意圖如圖1所示。

圖1中ZA、ZB、ZC分別表示A相負載、B相負載和C 相負載的阻抗，ZLN表示中性線導(dǎo)體阻抗。根據(jù)節(jié)點電壓法［4］，由公式（1）可以計算出電源中性點N和負載中性點N′之間存在的偏移電壓UNN′。

下面針對中性線及三相負載的不同情況進行討論。

（1）中性線未斷開，若負載為三相平衡負載，即ZA=ZB=ZC，此時無論ZLN為何值，UNN′=0、IN=0，不會存在中性點偏移現(xiàn)象。

（2）中性線未斷開，若負載為三相不平衡負載，如果此時中性線的阻抗ZLN為0，即中性線為理想導(dǎo)體，1/ZLN=∞，根據(jù)式（1），可知UNN′=0。實際中性線導(dǎo)體會存在一定的阻值，此時每相負載都是相電壓進行供電，各相負載上的電壓差別不大，其差別主要是由線路上壓降造成的?！兜蛪号潆娫O(shè)計規(guī)范（GB50054—2011）》［5］規(guī)定線路壓降一般不超過5%，所以有中性線存在時，三相不平衡負載上電壓仍基本保持對稱，不會發(fā)生燒毀單相設(shè)備、電氣火災(zāi)及人體電擊等事故。

（3）中性線斷開，若負載為三相平衡負載，有UNN′=0、IN=0，不會存在中性點偏移現(xiàn)象。說明三相負載為三相平衡負載時，有無中性線都不會引發(fā)中性點偏移，但是在實際中很難做到將單相負載平均分配到三相成為三相平衡負載。

（4）中性線斷開，若負載為三相不平衡負載，此時UNN′≠0，中性點發(fā)生偏移，中性點偏移電壓取決于負載的不平衡程度。負載的不平衡程度越大，中性點偏移電壓UNN′越大。

2.2 中性點偏移電壓與三相負載的關(guān)系

圖2 為TN-S 系統(tǒng)斷零供電示意圖，UA、UB、UC分別表示三相電源的電壓，ZA、ZB、ZC分別表示每相負載的阻抗，ZLN表示中性線的阻抗。

假設(shè)圖2 中每相負載的功率因數(shù)都相同，但是三相負載的阻抗值不同。如果A相負載阻抗值最大，令A(yù) 相負載阻抗值為額度阻抗ZN，三相負載的視在功率分別為SA、SB、SC。定義B 相、C 相負載的不平衡度分別為KB=（SA-SB）/SA、KC=（SA-SC）/SA，由于三相負載的功率因數(shù)相等，則

將式（2）代入式（1），可得

假設(shè)中性線從c 點斷開，三相負載均發(fā)生了斷零事故，等效電路如圖3所示。

如A 相、B 相、C 相負載電壓分別用UZA、UZB、UZC表示，此時ZLN=∞，則

當(dāng)KB=0.4、KC=0.8 時，各相負載電壓及中性點偏移電壓相量如式（8）所示，相量圖如圖4所示。

從式（8）與圖4 可知，當(dāng)中性線斷開且三相負載越不平衡，中性點偏移電壓越嚴(yán)重，表現(xiàn)為中性點向功率大的相偏移，導(dǎo)致功率小的單相負載承受電壓大，該相設(shè)備可能因電壓偏高而燒毀；功率大的單相負載承受電壓小，該相設(shè)備可能因電壓低而不能正常工作。即在三相不平衡負載中，某些相過電壓必然同時引起其他相發(fā)生欠電壓，即過電壓和欠電壓同時產(chǎn)生。

假設(shè)中性線從圖2 中的b 點斷開，其等效電路如圖5 所示。由于斷線點之前的A 相負載無影響，A 相設(shè)備可以正常工作，但b 點之后的B 相和C相的單相負載受到了影響，發(fā)生了斷零事故。

設(shè)三相負載功率因數(shù)相同，C 相負載ZC為額定阻抗ZN，定義B 相負載的不平衡度為KB=1-ZC/ZB，則B 相負載、C 相負載上的電壓UZB、UZC計算公式如下：

中性點偏移電壓UNN′為

當(dāng)KB=0.6 時，各相負載上電壓及中性點偏移電壓相量如式（12）所示，相量圖如圖6所示。

當(dāng)B 相負載不平衡系數(shù)KB從0 增加到1 時，負載不平衡系數(shù)KB與中性點偏移電壓UNN′的關(guān)系曲線如圖7所示。

由式（12）可知，發(fā)生斷零事故后只有兩相單相負載時，中性點偏移電壓至少為相電壓的一半以上。由圖7 可知，隨著三相負載不平衡程度增大，中性點的偏移電壓增大。當(dāng)中性點偏移電壓遠大于人體安全電壓時，極易引發(fā)電氣火災(zāi)和人身電擊等事故發(fā)生。比較式（8）、式（12）可知，b點斷開時的中性點偏移電壓遠大于c點，所以b點發(fā)生斷零事故后所引發(fā)的危險遠大于c 點發(fā)生斷零事故所引發(fā)的危險。

當(dāng)中性線從圖2 的a 點斷開，斷線點a 之前的單相負載可以正常工作，a之后的C相負載未與電源形成閉合回路，負載中沒有電流無法正常工作。由此可知，給單相設(shè)備供電的單相二線制線路發(fā)生斷零事故后只會造成單相設(shè)備無法工作，不會存在單相設(shè)備燒毀的風(fēng)險。

3 斷零事故的仿真分析

根據(jù)圖1 的三相四線制供電示意圖，在MATLAB/simulink中搭建其斷零仿真模型如下：

（1）為研究三相負載不平衡情況下斷零事故發(fā)生前后負載波形的變化情況，設(shè)置A 相、B 相、C相的負載功率分別為1 000 W、1 500 W、2 000 W，仿真時間0.3 s，開關(guān)從0.15 s 由閉合狀態(tài)變成打開狀態(tài)模擬斷零事故的發(fā)生。仿真模型如圖8所示，三相負載上仿真波形如圖9所示。

由圖9 可知，在仿真開始的0~0.15 s 中性線未斷開時，三相負載上的電壓波形滿足幅值相等、頻率相同和相位互差120°的條件；在0.15~0.30 s 中性線斷開后，明顯可以看出三相負載波形的幅值不再相等，且功率越小的負載其電壓波形幅值就越大，與理論計算結(jié)果一致。

（2）為研究三相負載不平衡程度與中性點偏移電壓的關(guān)系，搭建圖10所示的仿真模型。仿真時間為0.3 s，分3種情況設(shè)置A相、B相、C相三相負載的功率：第一種情況，A 相、B 相、C 相三相負載的功率分別為1 000 W、1 500 W、2 000 W，仿真結(jié)果如圖11 所示；第二種情況，A 相、B 相、C 相三相負載的功率分別為500 W、1 000 W、2 000 W，仿真結(jié)果如圖12 所示；第三種情況，A 相、B 相、C相三相負載的功率分別為100 W、500 W、2 000W，仿真結(jié)果如圖13 所示。每相負載電壓和中性點偏移電壓的3次仿真結(jié)果如表1所示。

從圖11~圖13 和表1 可知，三相負載不平衡程度越大，中性點偏移電壓就越大。三相負載不平衡程度嚴(yán)重時，某些相負載承受較大過電壓，易燒毀單相設(shè)備；其他相承受欠電壓，可能導(dǎo)致不能正常工作。當(dāng)中性點偏移電壓遠大于人體安全電壓時，極易引發(fā)電氣火災(zāi)和人身電擊等事故。

4 總結(jié)

在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中斷零事故的發(fā)生具有隱蔽性。斷零事故發(fā)生后，不僅會燒毀單相設(shè)備，給用戶帶來經(jīng)濟損失，同時也造成一些保護電器不能正常工作，嚴(yán)重情況下會引發(fā)電氣火災(zāi)、人身電擊等事故。因此，在日常工作中一定要盡量避免斷零事故的發(fā)生。在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)負載為三相平衡負載時，無論是否存在中性線，負載側(cè)中性點都不會存在中性點偏移的現(xiàn)象；當(dāng)負載為三相不平衡負載時，由于中性線的存在，三相不平衡負載上電壓仍基本保持對稱。因此，在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中一定要盡量保持三相負載的平衡，特別是在三相四線制低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計階段一定要盡力將單相設(shè)備平均分配到三相電源上。

由于三相負載不平衡且中性線斷開時，中性點向功率大的相偏移，導(dǎo)致某些相發(fā)生過電壓同時其他相必然發(fā)生欠電壓，且功率越小的相承受電壓越大。因此，為了防范斷零事故發(fā)生，需要采用源頭控制措施，按照《低壓配電設(shè)計規(guī)范（GB50054—2011）》［5］要求選擇恰當(dāng)?shù)闹行跃€導(dǎo)體和PEN 導(dǎo)體截面；在設(shè)備安裝階段，在嚴(yán)格保證施工質(zhì)量，保證中性線不能承受過大的應(yīng)力并盡量減少接頭數(shù)量（在必須接頭的時候要保證接頭的質(zhì)量，確保中性線接頭處具有良好的機械強度與導(dǎo)電性；鋁線與銅線連接時要采用銅鋁過渡線夾，避免電腐蝕，導(dǎo)致接觸不良），同時中性線上要慎用4 級開關(guān)，PEN 線上嚴(yán)禁接入開關(guān)、熔斷器等器件；另外還要定期檢查線路及配電設(shè)備，重點檢查中性線上接頭及觸點情況，保證觸頭接觸良好、導(dǎo)線接頭連接可靠。在城市棚戶區(qū)、農(nóng)村等存在大量架空線的場合，可按照《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范（JGJ242—2011）》［6］對每套住宅設(shè)置自恢復(fù)式過、欠壓保護器；同時可將建筑物內(nèi)做成等電位聯(lián)結(jié)，有效減少電氣火災(zāi)、人身電擊等事故發(fā)生，提高系統(tǒng)的安全性。