低壓配電系統(tǒng)斷零事故分析與防范措施研究

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(hù)線）全部合并成一根PEN 線（保護(hù)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(fù)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(fù)載相電壓對(duì)稱，減少中性點(diǎn)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(jì)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(jìn)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)斷零事故的危害進(jìn)行了總結(jié)；然后通過理論推導(dǎo)、仿真驗(yàn)證等對(duì)斷零事故的機(jī)理進(jìn)行了分析；最后對(duì)斷零事故的防范措施進(jìn)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(fù)載不平衡發(fā)生斷零事故時(shí)，斷零事故點(diǎn)后面的三相線路中每相負(fù)載的電壓不再對(duì)稱，中性點(diǎn)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(fù)載十分不平衡時(shí)，斷零事故會(huì)造成某相負(fù)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(huì)燒毀單相設(shè)備；同時(shí)也造成某相負(fù)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(diǎn)將發(fā)生零點(diǎn)漂移，與PEN 線或PE 線連接的設(shè)備金屬外殼對(duì)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(huì)發(fā)生觸電（在干燥場(chǎng)所人體接觸到超過50 V 電壓時(shí)將造成電擊事故發(fā)生）。

（3）引發(fā)電氣火災(zāi)。對(duì)于額定電壓220 V 的電氣設(shè)備，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體之間所加電壓超過250 V時(shí)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(hù)電器不能正常工作，從而失去保護(hù)功能。我國目前一般采用電子式剩余電流保護(hù)器（residual current protective device，RCD）進(jìn)行人身電擊防護(hù)，由于電子式RCD 采用回路電壓的能量動(dòng)作，當(dāng)回路電壓過低或失壓時(shí)電子式RCD 將會(huì)拒動(dòng)，從而失去保護(hù)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(duì)其損害，往往需要在相線、中性線與PE 線之間安裝浪涌保護(hù)器（surge protective device，SPD）。系統(tǒng)正常工作時(shí)，SPD 對(duì)地呈高阻抗，當(dāng)線路出現(xiàn)過電壓時(shí)，SPD 呈低阻抗，相當(dāng)于對(duì)地短路，將過電壓對(duì)地釋放，從而起到保護(hù)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(shí)間較長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致SPD燒毀報(bào)廢。

2 斷零事故的機(jī)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(diǎn)未連接好導(dǎo)致松動(dòng)斷開，比如濫用4級(jí)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(jìn)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(shí)，會(huì)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(diǎn)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(fù)載、B相負(fù)載和C 相負(fù)載的阻抗，ZLN表示中性線導(dǎo)體阻抗。根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法［4］，由公式（1）可以計(jì)算出電源中性點(diǎn)N和負(fù)載中性點(diǎn)N′之間存在的偏移電壓UNN′。

下面針對(duì)中性線及三相負(fù)載的不同情況進(jìn)行討論。

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

（2）中性線未斷開，若負(fù)載為三相不平衡負(fù)載，如果此時(shí)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(shí)際中性線導(dǎo)體會(huì)存在一定的阻值，此時(shí)每相負(fù)載都是相電壓進(jìn)行供電，各相負(fù)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(jì)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(shí)，三相不平衡負(fù)載上電壓仍基本保持對(duì)稱，不會(huì)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(fù)載為三相平衡負(fù)載，有UNN′=0、IN=0，不會(huì)存在中性點(diǎn)偏移現(xiàn)象。說明三相負(fù)載為三相平衡負(fù)載時(shí)，有無中性線都不會(huì)引發(fā)中性點(diǎn)偏移，但是在實(shí)際中很難做到將單相負(fù)載平均分配到三相成為三相平衡負(fù)載。

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

2.2 中性點(diǎn)偏移電壓與三相負(fù)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(fù)載的阻抗，ZLN表示中性線的阻抗。

假設(shè)圖2 中每相負(fù)載的功率因數(shù)都相同，但是三相負(fù)載的阻抗值不同。如果A相負(fù)載阻抗值最大，令A(yù) 相負(fù)載阻抗值為額度阻抗ZN，三相負(fù)載的視在功率分別為SA、SB、SC。定義B 相、C 相負(fù)載的不平衡度分別為KB=（SA-SB）/SA、KC=（SA-SC）/SA，由于三相負(fù)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(diǎn)斷開，三相負(fù)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(fù)載電壓分別用UZA、UZB、UZC表示，此時(shí)ZLN=∞，則

當(dāng)KB=0.4、KC=0.8 時(shí)，各相負(fù)載電壓及中性點(diǎn)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(fù)載越不平衡，中性點(diǎn)偏移電壓越嚴(yán)重，表現(xiàn)為中性點(diǎn)向功率大的相偏移，導(dǎo)致功率小的單相負(fù)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(fù)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(fù)載中，某些相過電壓必然同時(shí)引起其他相發(fā)生欠電壓，即過電壓和欠電壓同時(shí)產(chǎn)生。

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

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

中性點(diǎn)偏移電壓UNN′為

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

當(dāng)B 相負(fù)載不平衡系數(shù)KB從0 增加到1 時(shí)，負(fù)載不平衡系數(shù)KB與中性點(diǎn)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(fù)載時(shí)，中性點(diǎn)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(fù)載不平衡程度增大，中性點(diǎn)的偏移電壓增大。當(dāng)中性點(diǎn)偏移電壓遠(yuǎn)大于人體安全電壓時(shí)，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(diǎn)斷開時(shí)的中性點(diǎn)偏移電壓遠(yuǎn)大于c點(diǎn)，所以b點(diǎn)發(fā)生斷零事故后所引發(fā)的危險(xiǎn)遠(yuǎn)大于c 點(diǎn)發(fā)生斷零事故所引發(fā)的危險(xiǎn)。

當(dāng)中性線從圖2 的a 點(diǎn)斷開，斷線點(diǎn)a 之前的單相負(fù)載可以正常工作，a之后的C相負(fù)載未與電源形成閉合回路，負(fù)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(huì)造成單相設(shè)備無法工作，不會(huì)存在單相設(shè)備燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。

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(fù)載不平衡情況下斷零事故發(fā)生前后負(fù)載波形的變化情況，設(shè)置A 相、B 相、C相的負(fù)載功率分別為1 000 W、1 500 W、2 000 W，仿真時(shí)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(fù)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(shí)，三相負(fù)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(fù)載波形的幅值不再相等，且功率越小的負(fù)載其電壓波形幅值就越大，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

（2）為研究三相負(fù)載不平衡程度與中性點(diǎn)偏移電壓的關(guān)系，搭建圖10所示的仿真模型。仿真時(shí)間為0.3 s，分3種情況設(shè)置A相、B相、C相三相負(fù)載的功率：第一種情況，A 相、B 相、C 相三相負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載電壓和中性點(diǎn)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(fù)載不平衡程度越大，中性點(diǎn)偏移電壓就越大。三相負(fù)載不平衡程度嚴(yán)重時(shí)，某些相負(fù)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(diǎn)偏移電壓遠(yuǎn)大于人體安全電壓時(shí)，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(huì)燒毀單相設(shè)備，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成一些保護(hù)電器不能正常工作，嚴(yán)重情況下會(huì)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(fù)載為三相平衡負(fù)載時(shí)，無論是否存在中性線，負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)都不會(huì)存在中性點(diǎn)偏移的現(xiàn)象；當(dāng)負(fù)載為三相不平衡負(fù)載時(shí)，由于中性線的存在，三相不平衡負(fù)載上電壓仍基本保持對(duì)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(fù)載的平衡，特別是在三相四線制低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fù)載不平衡且中性線斷開時(shí)，中性點(diǎn)向功率大的相偏移，導(dǎo)致某些相發(fā)生過電壓同時(shí)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(jì)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(shí)候要保證接頭的質(zhì)量，確保中性線接頭處具有良好的機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性；鋁線與銅線連接時(shí)要采用銅鋁過渡線夾，避免電腐蝕，導(dǎo)致接觸不良），同時(shí)中性線上要慎用4 級(jí)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(diǎn)檢查中性線上接頭及觸點(diǎn)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(chǎng)合，可按照《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范（JGJ242—2011）》［6］對(duì)每套住宅設(shè)置自恢復(fù)式過、欠壓保護(hù)器；同時(shí)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。