三相四線制供電系統(tǒng)中的中性線

郭芙琴

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 延安 716000）

在高職電工技術(shù)課程的“三相電路”的教學(xué)中，特別是非機(jī)電類的工科專業(yè)教材對(duì)中性線的解釋不夠全面．筆者認(rèn)為，在學(xué)習(xí)三相交流電路時(shí)，不僅要熟悉三相電路中相、線電壓（或電流）的關(guān)系，還要了解中性線（零線）和地線之間的區(qū)別與聯(lián)系，關(guān)鍵是要理解中性線是如何保證負(fù)載相電壓不變的作用及保護(hù)措施．以提高學(xué)生對(duì)三相電路的認(rèn)識(shí)，樹立正確、安全的用電意識(shí)．

1 中性線 零線和地線的區(qū)別

當(dāng)發(fā)電機(jī)三相繞組的末端連在一起，這個(gè)連接點(diǎn)稱為中性點(diǎn)N，也稱作零點(diǎn)．從中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為中性線，也稱作零線．從三相繞組的始端引出的三根導(dǎo)線L1，L2和L3稱為相線，也稱做端線，俗稱火線．如果負(fù)載中性點(diǎn)與大地相連，引出的導(dǎo)線又可稱為地線．這樣，從三相繞組的始端和中性點(diǎn)共引出四根導(dǎo)線，這種電源供電方式稱為三相四線制電路．在這種線路中，把相線與相線之間的電壓稱為線電壓，相線與中性線之間的電壓稱為相電壓．它們的關(guān)系是：uL＝槡3 uP．那么，中性線、零線、地線之間有什么區(qū)別與聯(lián)系呢？

1． 1 區(qū)別

中性線（零線）和地線是不同的概念．

（1）從結(jié)構(gòu)上看，它們的接地點(diǎn)不同，零線（N）是從最近的發(fā)電機(jī)或變壓器中心點(diǎn)接地，對(duì)地電位不一定為零，和本地的接地可能有一定的電位差；而地線（PE）使用的是電器的最近點(diǎn)接地，對(duì)地電位為零，且要根據(jù)具體要求重復(fù)接地．

（2）從原理上講，零線主要應(yīng)用于工作回路．由于它所產(chǎn)生的電壓等于線阻乘以工作回路的電流，對(duì)于遠(yuǎn)距離的輸電，如線電阻大于4Ω的話，零線產(chǎn)生的電壓就不可忽視，安全措施也不可靠了．而地線不用于工作回路，只作為保護(hù)線，利用大地的絕對(duì)零電壓，當(dāng)設(shè)備外殼發(fā)生漏電，電流會(huì)迅速流入大地，即使PE線有開路的情況，也會(huì)從附近接地體流入大地．

通常220 V單相回路中的一根稱火線（或相線），而另一根稱零線（或地線），火線與地線的這種稱法只是實(shí)用中的一種俗稱，嚴(yán)格地說應(yīng)該是，如果該回路的中性點(diǎn)接地，則稱“零線”；若不接地，則應(yīng)稱“中性線”，以免與接地中的“地線”相混淆．簡單地說，中性線和零線都是從電源的中性點(diǎn)引出來的導(dǎo)線．中性點(diǎn)直接接地而取得大地的參考零電位后引出來的導(dǎo)線叫零線；中性點(diǎn)沒有接地引出來的導(dǎo)線則叫中性線；和大地接通的導(dǎo)線叫地線，即用電線連接一塊埋入地下1 m以上的金屬板．中線即此線電勢處于其他線的中間或中心，而零線即此線上電壓為零．

1． 2 聯(lián)系

中性線和零線在三相四線制中實(shí)際上是同一根線，但對(duì)于三相線路中其中的一根相線即單相電路來說，它是提供這根相線電流的“回路”線，如果中性點(diǎn)在不接地系統(tǒng)中，它對(duì)地的電壓是不為零的．中性線是指在“星形接法”的三相交流電路中，連接三根相線的一條“公共回線”，在嚴(yán)格地絕對(duì)對(duì)稱（也稱平衡）的三相交流負(fù)載中，這根中性線為零電位，也就是電壓為零．但實(shí)際上多個(gè)單相負(fù)載接到三相電路中構(gòu)成的三相負(fù)載不可能完全對(duì)稱．為了防止負(fù)載不平衡而使中性線帶電，則要將中性線接地．而接地線不是指電流回路中的線，它是一根保護(hù)線，零線接地，中性線接地，設(shè)備外殼保護(hù)接地等都是指這根線，它不參與設(shè)備的運(yùn)行，正常時(shí)不提供電流的回路．零線有時(shí)會(huì)電人，當(dāng)火線上有電，但設(shè)備不工作時(shí)，可能遠(yuǎn)處零線斷開；從斷點(diǎn)靠近設(shè)備一端的零線電壓是220 V，即零線變?yōu)榛鹁€．

2 中性線在三相四線制供電系統(tǒng)中的作用

實(shí)踐證明，在負(fù)載不對(duì)稱的情況下又沒有中性線，就形成不對(duì)稱負(fù)載的三相三線制供電．但由于負(fù)載阻抗的不對(duì)稱，相電流也不對(duì)稱，負(fù)載相電壓也自然不對(duì)稱．當(dāng)各相負(fù)載阻抗變化時(shí)，相電流和相電壓都隨之而變化，燈光會(huì)有暗有亮，其他用電器也不能正常工作．下面通過兩個(gè)實(shí)例來分析和討論中性線斷開帶來的危害［1］．

【例題1】求在圖1中，下述兩種故障情況下，各相負(fù)載上的電壓．（1）L1相短路；（2）L1相短路，中性線又?jǐn)嚅_．

解：（1）當(dāng)L1相短路時(shí)，短路電流很大，將L1相的熔斷器熔斷，因有中性線，L2相和L3相未受影響，其電壓仍為電源相電壓220 V．

圖1 L 1相短路情形

（2）由于L1相的電燈組R1被短路，其上所加電壓為零，如中性線也斷開的話，此時(shí)負(fù)載的中性點(diǎn)N′即為L1，因此L2相電燈組R2兩端的電壓u2′是L1與L2間線電壓，L3相電燈組R3兩端的電壓u3′是L3與L1間線電壓，均為380 V，超出了電燈的額定電壓220 V，因此L2與L3容易燒損，這是不容許的．

【例題2】求在圖2中，下述兩種故障情況下，各相負(fù)載上的電壓．（1）L1相斷路；（2）L1相斷路，中性線又?jǐn)嚅_．

解：（1）當(dāng)L1相斷路時(shí)，因有中性線，L2相和L3相未受影響，其電壓仍為電源相電壓220 V．

圖2 L 1相斷路情形

（2）當(dāng)L1相斷路而中性線又?jǐn)嚅_時(shí)，L1相的電燈組R1兩端的電壓u1′＝0 V．此時(shí)電路成為單相電路，L2相的電燈組R2與L3相電燈組R3串聯(lián)，兩端的電壓是L2與L3間線電壓380 V，兩相電流相同．至于兩相電壓如何分配，決定于兩相的電燈組負(fù)載電阻的大小．如R2＝10Ω，R3＝20Ω，則L2相電燈組R2兩端的電壓u2′為127 V，低于額定電壓；L3相電燈組R3兩端的電壓u3′為253 V，又高于額定電壓．這都是不容許的．即若L2與L3相對(duì)稱，各相端電壓為190 V，均低于額定值220 V也不能正常工作；若L2與L3相不對(duì)稱，則負(fù)載多（電阻?。┑囊幌喾謮荷伲陀陬~定電壓而不能正常發(fā)光，負(fù)載少（電阻大）的一相分壓多，又高于額定電壓也不能正常工作．

從以上兩個(gè)例子可以看出，負(fù)載不對(duì)稱而又沒有中性線時(shí)，負(fù)載上可能得到大小不等的電壓；有的超過用電設(shè)備的額定電壓，有的達(dá)不到額定電壓，都不能正常工作．比如，照明電路中各相負(fù)載不能保證完全對(duì)稱，所以三相四線制星形連接電路中，一般情況下中性線是不允許斷開的．即中性線的作用就在于，使星形連接的不對(duì)稱負(fù)載得到相等的相電壓．為了確保中性線在運(yùn)行中不斷開，其上不允許接保險(xiǎn)絲，也不允許接刀閘．

3 中性線的檢測及依據(jù)

為了保證中性線不會(huì)斷開，在配電線路之前必須區(qū)別火線與零線，以避免將保險(xiǎn)絲或閘刀錯(cuò)接到零線上．那么，如何辨別三相四線制供電線路上的火線和零線呢？除按標(biāo)準(zhǔn)接線的色彩，即火線（L）顏色需用紅、黃、綠色，零線（N）顏色需用黑、藍(lán)色，地線顏色（PE）需用黃、綠雙色線辨別以外，還可用下面兩種方法來檢測［2］．

3． 1 常用的方法是用驗(yàn)電筆來測量

在正常情況下，用驗(yàn)電筆的筆頭與被測導(dǎo)線接觸時(shí)，使氖管發(fā)光的是火線（端線或相線），不發(fā)光的是零線．因?yàn)橐话闱闆r下，零線上的電壓為零，相序電流也為零．如普通家用照明電路中，火線與大地之間存在220 V的電壓，零線與大地之間電壓為零．因此火線跟零線之間也存在220 V的電壓．如家中墻上插座中的兩個(gè)插孔，一個(gè)插孔接的是火線，另一個(gè)插孔接的是零線，可用驗(yàn)電筆辨別哪個(gè)插孔接的是火線；面對(duì)三孔插座，雖然一般是左零、右火、中間地，但也要用驗(yàn)電筆辨別左右兩根電線哪根是火線．但是進(jìn)入開關(guān)的兩個(gè)線頭實(shí)際上是在一根火線上斷開的（如進(jìn)入臺(tái)燈開關(guān)的兩個(gè)線頭），分別接在了開關(guān)的兩個(gè)接線柱上，開關(guān)閉合后（即臺(tái)燈發(fā)光時(shí)），用驗(yàn)電筆接觸開關(guān)的兩個(gè)接線柱時(shí)，氖管都發(fā)光．所以，千萬不能把一根火線和一根零線分別接在開關(guān)的兩個(gè)接線柱上，以免發(fā)生短路甚至火災(zāi)．但如果遠(yuǎn)處某一相線發(fā)生短路時(shí)，零線上可能會(huì)有大的電流，驗(yàn)電筆會(huì)由不亮到發(fā)光．

3． 2 利用火線與零線之間的數(shù)量關(guān)系

火線與零線之間的數(shù)量關(guān)系即uL＝槡3 uP，也可用400 V以上的交流電壓表測出三相四線制供電線路上的火線和零線．在日常生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，配電電壓等級(jí)一般有：uL＝380 V，uP＝220 V和uL＝220 V，uP＝127 V兩種．多數(shù)用戶的電壓等級(jí)為uL＝380 V，uP＝220 V，具體的判斷方法是在四根導(dǎo)線A，B，C和D中，如測得uAB＝380 V，uBC＝380 V，uAC＝380 V，uAD＝220 V，uBD＝220 V，uCD＝220 V，說明A，B和C三根導(dǎo)線都是火線，而D是零線．但是，在不明電壓等級(jí)的情況下，如果測得uAD＝220 V，uBD＝220 V，不能就此斷定A，B和C三根導(dǎo)線都是火線，D是零線．因?yàn)橐灿锌赡躸DC＝127 V．這樣的話，說明A，B和D三根導(dǎo)線都是火線，而C卻是零線．所以，在用交流電壓表測火線與零線時(shí)，必須先要了解此電路的電壓等級(jí)．

4 中性線的保護(hù)措施

在三相四線制線路中，由于實(shí)際存在的三相負(fù)載不平衡，以及非線性負(fù)載比例的不斷增大，形成的不平衡電流及零序電流，可能引起中性線的過載、發(fā)熱、甚至燒毀斷線，使三相負(fù)載的工作狀態(tài)遭到破壞，嚴(yán)重威脅各種用電設(shè)備的安全．因此，采取加強(qiáng)管理，合理用材，盡量平衡三相負(fù)載，以及采用必要的保護(hù)電路等防范措施，如接零與接地保護(hù)等，能有效地解決中性線意外斷線和由此引發(fā)的不安全用電及火災(zāi)等問題．

4． 1 保護(hù)接零

即把電氣設(shè)備在正常情況下不帶電的金屬部分與電網(wǎng)的零線緊密地連接起來．當(dāng)某一相絕緣損壞使相線碰殼，外殼帶電時(shí)，由于外殼采用了保護(hù)接零措施，因此該相線和零線構(gòu)成回路，單相短路電流很大，足以使線路上的保護(hù)裝置（如熔斷器）迅速斷開，從而將漏電設(shè)備與電源斷開，避免人身觸電．由此可見，零線上不容許裝設(shè)熔斷器和開關(guān)．在三相四線制的電力系統(tǒng)中，由于電力線路中零線可能有比較大的電流，就可能存在零線接頭發(fā)熱和接觸不良的危險(xiǎn)．所以，通常是把電氣設(shè)備的金屬外殼同時(shí)接地、接零，這就是所謂的重復(fù)接地保護(hù)措施［3］．

4． 2 中性點(diǎn)制度

即中性點(diǎn)是否接地．中性點(diǎn)制度大致可以分為兩類，即中性點(diǎn)接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)．而按照國際電工委員會(huì)（IEC）的規(guī)定，將低壓配電系統(tǒng)分為IT，TT，TN三種，其中TN系統(tǒng)又分為TN－C，TN－S，TN－C－S三類．由以上比較可得出中性點(diǎn)不同運(yùn)行方式下的安全措施，即中性點(diǎn)的絕緣運(yùn)行方式和直接接地運(yùn)行方式．

（1）中性點(diǎn)的絕緣運(yùn)行方式下應(yīng)做到：

1）所有用電設(shè)備都必須采用保護(hù)接地，而不允許采用保護(hù)接零；

2）中性線的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)與相線相同，中性線不允許斷開；

3）中性線電流不應(yīng)超過變壓器二次線圈額定電源的25%，三相負(fù)荷電流不應(yīng)相差太大，以免影響三相電壓的平衡；

4）杜絕中性線直接接地，低壓配電盤必須設(shè)置三相絕緣監(jiān)察設(shè)置，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除低壓電網(wǎng)中的接地故障；

5）配電變壓器二次側(cè)應(yīng)加裝4只避雷器，以防止雷電過電壓．

（2）中性點(diǎn)的直接接地運(yùn)行方式下應(yīng)做到：1）所有用電設(shè)備在正常情況下不帶電的金屬部分，都必須采用保護(hù)接零與保護(hù)接地；

2）在三相四線制的同一低壓配電系統(tǒng)中，保護(hù)接零和保護(hù)接地不能混用，即一部分采用保護(hù)接零，而另一部分則采用保護(hù)接地，但若在同一設(shè)備上同時(shí)采用保護(hù)接零和保護(hù)接地則是允許的，因?yàn)槠浒踩Ч茫?/p>

3）要求中性線必須重復(fù)接地，因?yàn)樵谥行跃€斷開的情況下，接零設(shè)備外殼上都帶有220 V的對(duì)地電壓，這也是決不允許的．

5 結(jié)論

中性線是三相電源與負(fù)載連接方式的橋梁和依據(jù)．在三相四線制供電的線路中，不論各相負(fù)載是否平衡，各相負(fù)載均可承受對(duì)稱的相電壓，如一相發(fā)生故障，其他兩相還能正常工作．即中性線起到保證負(fù)載相電壓不變的作用．對(duì)于不對(duì)稱的三相負(fù)載，中性線不能去掉；而且不能在中性線上安裝保險(xiǎn)絲或開關(guān)，并要加以保護(hù)．因?yàn)橹挥挟?dāng)三相電源對(duì)稱、星形連接的三相負(fù)載也對(duì)稱的情況下，三相負(fù)載電流也是對(duì)稱的，此時(shí)中性線無電流通過，中性線才可以去掉，即三相四線制電路就變成三相三線制這種特定的電路．但它只能向負(fù)載提供一種電壓，即uL＝uP，負(fù)載只能使用線電壓．如船舶交流同步發(fā)電機(jī)通常采用的是三相三線制的供電方式．

1 趙曉玲．電工與電子技術(shù)．大連：大連海事大學(xué)出版社，2007．77

2 秦曾煌．電工學(xué)簡明教程．北京：高等教育出版社，1999．132

3 侯潤亞．淺談電源零線與地線．物理教學(xué)，2009（7）：35