三相四線供電系統中零線引發的問題分析

梁振剛

（廣東電網公司佛山供電局,佛山 三水,528100）

0 引言

我國的供電系統中，低壓供電主要以三相四線為主，為用電負荷提供220V和380V的穩壓，負載按額定電壓分為單相和三相。這種方式的零線在用電安全上的作用很關鍵,如果零線斷路,將引起嚴重的用電安全問題。

1 零線斷路引起的電路變化分析

1.1 零線正常運行

圖1是低壓三相四線制電力裝置，如果電源是三相對稱，三相電源以及三相負載全部是星型接線，也就是Y-Y體系。普通工作時，UNN=0，A、B、C每相的電壓相等，額定電壓是220伏特，如果三相負載對稱，中線內的沒有電流通過，如果三相負載不對稱，中性線內的電流不為零。

1.2 單相零線斷開

電源零線斷開如圖1所示，如果在位置（1）斷開，那么導致C相負載單相零線斷開，此刻對A、B兩相負載不會產生作用，當C相負載斷開時，令Uc=Uc′,Ucc=0,也就是說C相負載中不存在電壓，然而Rc對地電壓一般是相電壓220伏特，可以用儀表進行檢測，如果Rc是白熾燈，那么電燈沒有電流通過，所以，如果電燈無法開啟并且接端口還存在電流，那么一定是零線斷開了。

1.3 兩相零線斷開

如圖1所示，如果在位置（2）斷開，那么會導致B、C兩相零線斷開，這時，A相一般可以工作，B、C兩相負載相串聯在線電壓Ubc=380伏特。此刻如果Rb與Rc相等，也就是兩相負載相同那么各項承受190V=380V/2電壓,比額定電壓220V低30V,勢必會影響正常用電。然而，實際上各相負載在某一時間內是不相同的，如果Rb等于Rc的一半，且為純電阻負載，那么兩相負載電壓有效值分別為：

圖2 二相零線斷路向量圖

上面結果表明, B、C兩相電壓均產生了偏差，與額定的220V不符。同時兩相負載偏差的大小直接影響相電壓偏差的大小，導致B、C兩相使用者產生嚴重的后果。

假設1:當兩相照明支線回路上負載特性等同但容量不同時

在L1相支路中運行150W白熾燈，在L2相支線中運行25W白熾燈，同時使用一條零線，通常會正常工作，可是當零線斷開時，在斷開之后相關白熾燈的電壓為多少呢？

第一,求150W白熾燈電阻:R150=U2/P150=2202/150=322Ω;

25W白熾燈電阻:R25=U2/P25=2202/25=1936Ω;

由于零線斷路后兩燈為串聯,其串聯電阻:R=R150+R25=322+1936=2258Ω;

已知串聯燈兩端電壓:U=380V;那么串聯回路的電流:I=U/R=380/2258=0.168A;

150W白熾燈所承受的電壓:U150=I·R150=0.168×322=54 V;

25W白熾燈所承受的電壓:U25=I·R25=0.168×1936=325 V;

然后通過能量分析進行對比，在150W與25W內的功率也存在很大的差異，150W白熾燈的功率是：

P150=U150·I=54×0.168=9.07 W;

25W燈上功率為:P25=U25·I=325×0.168=54 W。

由上面的運算顯示，當零線斷開時，150W白熾燈內的電壓還沒有額定電壓的1/4，但25W白熾燈內的電壓卻是額定電壓的1.5倍，明顯此刻150W白熾燈不會發光，并且25W的白熾燈由于承載的電壓過高、電流過強、功率過高，自然會直接燒壞。

假設2：如果兩相燈泡支路電路中容積相同，而負載特性不一樣時

在L1相支路中連入40W的白熾燈，在L2相支路中連入40W熒光燈，同時使用一條零線，如我們所知，熒光燈線路是有感線路，它的功率因數過小，當熒光燈線路的功率系數是0.5時，那么回路的電流以及阻抗是：

熒光燈自身等同于純電阻，鎮流器等同于純電感，其線路內流動的電流時0.4A，那么燈管中承載的電壓Ur為100伏特。

按照功率三角形，鎮流器內承載的電壓值為：

由此可得鎮流器的感抗為：XL40=UL/I=1960/4=490Ω

因此熒光燈線路內電阻值是：

40W白熾燈電阻為:R40’=U2/P40=2202/40=1210Ω

如果零線斷開，那么連接L1、L2兩相的電阻值為：

串聯回路電流:I=U/Z=380/1641=0.232A

此時40W白熾燈所承受的電壓:U40’=I·R=0.232×1210=281V

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40W熒光燈所承受的電壓:U40=I·Z40=0.232×606=141V

上述可知，40W白熾燈中承載的電壓太高，會造成電燈的損壞，而40W的熒光燈則不能工作。

可以得出，兩個單相電路共用零線只可在負載特性、容積基本相同的狀況下才會正常工作。如果純電阻負載比例小于1.73，零線斷開之后，小負載斷面承載的電壓低于250V會導致電器縮短使用時間，如果純電感負載與純電阻負荷之比在0.4～0.7時，電感特性負載不能正常工作，阻性負載并且使用周期縮小，從而造成電器的損壞。

如果功率系數不相等，功率比例也不相等，那么它的結果同樣會不同，三相電燈支路電路共用零線以及兩相照明支路電路共用零線的分析類似。綜上所述，兩相照明支線回路上共用零線的做法不可取。

1.4 三相零線斷開

如圖1所示，如果位置（3）也就是NN′斷開，那么三相零線全部斷開，此刻假如三相負載對稱，也就是說Ra、Rb、Rc相等，那么負載中間值N′接地不存在電壓，對使用者來說沒有影響。假如三相負載非對稱，那么中間值N′接地存在電壓，按照節點電壓法可知：

很明顯,中性點N′對地電壓高達63V。負載各相電壓是非對稱的，造成一部分相電壓比正常的電壓值要高，一部分相電壓比正常的電壓值要低，并且和正常的電壓差異很大，這一定會對負載帶來負面的影響，是不可取的。

圖3 三相零線斷路向量圖

圖4 三相零線斷路向量圖(2)

圖4 三相零線斷路向量圖(2) 假如零線的斷面N′和相線連接，若N′端和A相相線短路，此刻Uaa為零，Ubb為380V，B、C兩相會承載線電壓這樣容易造成故障。所以如果察覺到三相電壓非對稱，那么就應該立刻檢驗零線的運行狀況，從而快速的找出錯誤的位置。

2 零線斷路引發的典型事故案例

3 零線斷路的原因分析及相應的預防

3.1 零線斷路的主要原因

3.1.1 零線機械強度不夠造成斷路

通常由于零線電流小，導線的截面積相對較小，機械強度自然就小。

3.1.2 零線連接松動導致接觸電阻過大產生過熱現象

遇氧反應：位于接點處的導線接觸面是無法完全封閉的，因此該處導線表面時時刻刻都在進行氧化反應。

電化學腐蝕：當周圍濕度達到一定值時，接口處的連接處會極化，導致接點位置電阻過大。

金屬蠕變性：因連接處受晃動、拉扯或者熱脹冷縮等外部因素作用下，會發生金屬蠕變,使得導線之間的作用力減少,造成接觸電阻過大。

人為因素：這部分因素多表現為接線點纏繞不緊密、接口部位松動等使用不當。因接觸不良導致接點不牢固從而引發的火災大多數要歸結為人為因素。

3.2 斷零火災的預防措施

3.2.1 加強對供電線路上零線接線頭的檢查。

3.2.2 安裝維修時選擇有資質的施工單位和合格的產品。

3.2.3 零線截面與相線要一致。

3.2.4 不使用的電器及時斷開電源,需要長期通電的電器采用穩壓電源。

3.2.5 相線和零線要有不同顏色區分，方便日后的維護和故障查找。

4 總結

從上述分析可知，在低壓系統中零線的安全運行尤為重要，首先它是對稱及不對稱三相負載的相電壓對稱的保障；其次，如遇異常，它能減小相對地的電壓。為保證人身和設備的安全，在電氣回路中禁止零線開路，不允許采用熔斷保護方式，要采用機械強度較高的導線作為零線,其接地電阻要符合要求,并一定要采取重復接地方式。

[1]周林.易強.秦梅.周小軍等，不對稱三相四線制系統有害電流的檢測方法，重慶大學學報.2002.

[2]王相君，田優文，劉景貴等，三相四線制供電系統的線損分算與求和法，電力需求側管理, 2004