淺談“斷零”燒壞單相設(shè)備事故的防范措施

(華榮科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

三相四線配電系統(tǒng)回路有時(shí)會出現(xiàn)某相回路內(nèi)單相用電設(shè)備大量燒壞的情況。有的技術(shù)人員分析是因?yàn)槿喙╇娤到y(tǒng)連接負(fù)載不均衡導(dǎo)致三相電壓不平衡引起的，負(fù)載重的一相電阻小其電壓最低，負(fù)載輕的一相電阻大其電壓最高，導(dǎo)致負(fù)載輕的這一相電壓的用電設(shè)備造成大量燒壞。其實(shí)不然，真正造成單相用電設(shè)備大量燒壞的更主要原因是三相四線配電系統(tǒng)回路的中性線(包括TT系統(tǒng)的中性線和TN系統(tǒng)的PEN線或中性線)斷線引起，大家通常稱之為“斷零”。即在三相四線配電系統(tǒng)回路在不平衡負(fù)載中，當(dāng)中性線從回路中斷開時(shí)，三相負(fù)載構(gòu)成相互串聯(lián)的電路，電阻小的一相負(fù)載兩端電壓較低，電阻大的一相負(fù)載兩端電壓較高，為此，電阻大的一相負(fù)載將會發(fā)生過電壓導(dǎo)致燒壞單相設(shè)備。

筆者在國內(nèi)外石化企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行防爆燈具及防爆配電箱的安裝、調(diào)試指導(dǎo)工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了多起“斷零”造成大面積燈具燒壞的情況，而且“斷零”具有隱蔽性，通常認(rèn)為是電壓過高造成的燒壞，很難第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，等發(fā)現(xiàn)時(shí)已造成大量燈具燒壞了。

1 “斷零”的危害

“斷零”的危害可用圖1的示例進(jìn)行原理分析。圖1中L1相線帶一盞20W白熾燈泡，L2相線帶一盞200W白熾燈泡，L3相線未帶負(fù)載，三相負(fù)載很不平衡。用萬用表監(jiān)測三相電壓的電壓值，若中性線未斷開時(shí)，會發(fā)現(xiàn)L1、L2、L3三相的電壓基本上沒有差異。這是三相電源都是相同的220V繞組電壓供電，它們的電壓差異只在于三相不同負(fù)載電流產(chǎn)生不同的線路電壓降。而按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，相線和中性線上的總電壓降最多不超過5%，所以僅是三相不平衡一般情況是不會燒壞某相內(nèi)的用電設(shè)備的，用電設(shè)備的燒壞另有原因。

現(xiàn)假設(shè)白熾燈泡前的中性線因故中斷，如圖1所示，則20W和200W燈泡成為串聯(lián)后接在一380V單相回路中，我們知道白熾燈泡基本上是個電阻性負(fù)載，其阻值R與功率P成反比，也即R∝1/P。

圖1 三相四線回路“斷零”后三相負(fù)載不平衡，三相電壓也不平衡

因此如果200W燈泡的電阻為R，則20W燈泡的電阻為10R，這樣380V電壓就按1與10的比例分配在兩個燈泡上。200W燈泡上的電壓僅為35V，而20W燈泡上的電壓則高達(dá)345V，它很快就被燒壞。為進(jìn)一步分析清楚，可作圖1的電壓向量圖，如圖2所示。從圖2可知三相回路相間電壓仍為380V不變，負(fù)載側(cè)的中性點(diǎn)由O點(diǎn)漂移到O′點(diǎn)，中性線對地電壓190V(在無等電位聯(lián)結(jié)作用的TN系統(tǒng)中，此電壓可引起電擊事故)，而空載的L1相電壓則高達(dá)364V，三相電壓極不平衡。

圖2 圖1中“斷零”事故的電壓向量分析

對于照明燈具等負(fù)載，其壽命與電壓的高次方成反比。線性負(fù)載的白熾燈泡的使用壽命與施加電壓U成反比，即施加在燈泡上電壓越高，則燈泡的使用壽命越短。而現(xiàn)在照明燈具大部分是非線性負(fù)載的，由電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動的熒光燈、節(jié)能燈、LED燈等光源，這些光源的燈具在“斷零”情況，其三相電壓遠(yuǎn)比白熾燈“斷零”時(shí)不平衡，而且出現(xiàn)瞬間阻抗變化三相之間相互爭搶最高電壓情況，更容易加劇燈具的大面積燒壞現(xiàn)象的發(fā)生。

“斷零”燒單相設(shè)備的危害在于隱蔽性，因?yàn)榘l(fā)生“斷零”后雖然單相設(shè)備使用壽命會縮短，但在這段時(shí)間內(nèi)燈泡依然亮，電動機(jī)依然轉(zhuǎn)，人們難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行排除，等到大量單相設(shè)備燒毀后才發(fā)覺是中性線斷開引起的，這時(shí)已經(jīng)為時(shí)晚也。

以下是就我們模擬使用現(xiàn)場220V/50Hz電壓的LED燈具“斷零”后，電壓急劇變化造成LED燈具燒壞的測試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)說明。

(1)L1、L2、L3三相分別接入三路相同功率的10盞70W的LED燈具，三相電壓同步接通電源，三相電壓正常基本保持平衡，L1為228V、L2為231V、L3為230V，萬用表測量出的電壓值見圖3。

(2)隨后，模擬“斷零”將零線切斷，此時(shí)三路LED燈具的電壓出現(xiàn)急劇且異常變化不平衡，L1為135V、L2為282V、L3為302V，萬用表測試出的電壓值見圖4。

(3)最后，針對最高電壓的L3相的LED燈具，模擬電壓超高造成LED燈具電源控制器損毀情況，逐漸減少L3相的LED燈具的點(diǎn)燈數(shù)量，直至L3相保留1盞LED燈具，并將L1相的LED燈具全部切斷，此時(shí)三路LED燈具的電壓出現(xiàn)更加急劇且異常變化不平衡，L1為382V、L2為19V、L3為389V，萬用表測試出的電壓值見圖5。

圖3 三相電壓同步接通時(shí)電壓值

圖4 模擬“零斷”時(shí)電壓值

圖5 模擬電源控制器損毀時(shí)電壓值

2 “斷零”燒壞單相設(shè)備事故的防范措施

不少電氣設(shè)計(jì)或管理工作人員認(rèn)為將PEN線或中性線(包括TT系統(tǒng)的中性線)作重復(fù)接地后，用大地通路代替中斷的中性線作返回電源的通路，可避免燒壞設(shè)備事故。經(jīng)相量分析和計(jì)算可知是不可能的。因中性線阻抗以若干毫歐姆計(jì)，而大地通路阻抗則以若干歐姆計(jì)，相差懸殊，“斷零”后三相電壓依然嚴(yán)重不平衡，只是程度稍輕一些，燒壞設(shè)備的時(shí)間長一些而已。而TT系統(tǒng)中性線的重復(fù)接地，部分中性線上的負(fù)載電流將經(jīng)大地返回電源而成為雜散電流，這些雜散電流的產(chǎn)生而導(dǎo)致一些電氣隱患。對線路首端的RCD而言，這部分雜散電流將使它誤動，如圖6中所示的I"。所以在TT系統(tǒng)中性線重復(fù)接地的供電線路上是不能裝設(shè)RCD的，這樣就無法在發(fā)生接地故障時(shí)切斷電源或報(bào)警以實(shí)現(xiàn)防護(hù)。

圖6 TT系統(tǒng)中性線重復(fù)接地引起RCD誤動

如果中性線未斷開，但中性線連接不良，接觸電阻太大，同樣也將發(fā)生類似以大地通路代替中斷的中性線導(dǎo)致燒壞設(shè)備的故障。

歐美發(fā)達(dá)國家現(xiàn)時(shí)能借裝用能檢測三相電壓不平衡的儀器或智能型斷路器在三相電壓不平衡超過15%時(shí)報(bào)警或切斷電源的方法來防范“斷零”，但這種斷路器售價(jià)昂貴，加之實(shí)際操作起來麻煩，難以廣泛推行應(yīng)用。這些歐美發(fā)達(dá)國家也是在電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝中采取各種既保證安全又節(jié)省成本的措施，避免“斷零”的發(fā)生來防止“斷零”燒壞單相設(shè)備。例如，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TN系統(tǒng)中的PEN線只能用在固定安裝的電氣裝置內(nèi)，不論相線截面積多小，PEN線的截面積不得少于10mm2銅線，以保證其機(jī)械強(qiáng)度，防止“斷零”現(xiàn)象的發(fā)生。例如一個TN-C-S系統(tǒng)的TN-C部分的三相四線回路的導(dǎo)線應(yīng)用3×4mm2+1×10mm2銅線，而不應(yīng)用3×4mm2+1×2.5mm2或3×4mm2+1×4mm2銅線。PEN線截面積不是相線截面積的1/3或1/2，而是2.5倍。這是因?yàn)樵赥N系統(tǒng)中如果PEN線折斷，不但電氣設(shè)備失去接地，導(dǎo)致更多的電氣事故，還可能因?yàn)椤皵嗔恪鼻闆r而導(dǎo)致大量單相設(shè)備燒壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。

對于只作載流而不作保護(hù)接地線的無諧波電流成分的三相回路中的中性線，國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定輸配電系統(tǒng)及配電箱(柜)內(nèi)當(dāng)相線截面積小于或等于16mm2銅線時(shí)，中性線截面積應(yīng)和相線截面積相等而不應(yīng)小于相線截面積。當(dāng)相線截面積大于16mm2銅線時(shí)，中性線截面積至少應(yīng)為16mm2銅線。這些規(guī)定都是為了提高中性線的機(jī)械強(qiáng)度，減少配電系統(tǒng)“斷零”帶來的危險(xiǎn)。如果三相回路內(nèi)存在大量三次及其奇數(shù)倍諧波電流，中性線截面積有時(shí)還應(yīng)大于相線截面積，但這是出于防回路絕緣的過熱而非出于提高機(jī)械強(qiáng)度的考慮了。諧波電流能引起中性線過載，但最常見和危險(xiǎn)的導(dǎo)體過載是三相四線回路中的中性線過載。過去非線性負(fù)載不多，人們不重視諧波過載的危害，認(rèn)為三相四線回路中的中性線只通過三相不平衡電流，其值甚小，中性線截面積只取相線截面積的1/2甚至1/3。但在現(xiàn)時(shí)諧波電流特別是三次諧波電流大增的電氣回路中，例如，在主要用氣體放電等作照明光源的石化裝置區(qū)域、電廠區(qū)域等場所的照明回路中，這一做法將造成中性線的嚴(yán)重過載。

過去，我國有的設(shè)計(jì)規(guī)范中曾有裝設(shè)中性線斷線故障保護(hù)的規(guī)定。它規(guī)定用檢測TN系統(tǒng)中PEN線斷線后電位升高的故障電壓使斷路器跳閘來防“斷零”危險(xiǎn)。因它需單獨(dú)另設(shè)一不受其他接地極電位影響的零電位接地極來檢測PEN線的電位，這在建筑物林立的城市里是難以做到的。而這種中性線斷線故障保護(hù)還要求斷開PEN線，這又是違反國家標(biāo)準(zhǔn)的基本安全要求的，所以這種“斷零”的危害的設(shè)計(jì)規(guī)范在理論上是難以立足的，在更新的設(shè)計(jì)規(guī)范中已刪除此規(guī)定。

現(xiàn)時(shí)，我國有的石化設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定要求對石化現(xiàn)場使用的電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動熒光燈和LED光源的照明燈具，以及對電壓波動比較敏感的用電設(shè)備，需要需裝設(shè)過電壓、欠電壓功能的保護(hù)電氣裝置。設(shè)置當(dāng)因“斷零”過電壓超過270V就自動切斷電源。但電壓達(dá)270V時(shí)超過額定電壓220V的23%了，大大超過GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的±5%的電壓偏差限值。接近270V的過電壓仍然很快燒壞單相電氣設(shè)備，設(shè)置過電壓、欠電壓功能的保護(hù)電氣裝置并不能避免“斷零”的單相電氣設(shè)備燒壞的發(fā)生，也使得電氣裝置的設(shè)計(jì)、安裝和管理更加復(fù)雜化，造成投入的浪費(fèi)實(shí)效甚微。真正避免“斷零”燒電氣設(shè)備的根本解決辦法仍是提高建筑電氣的設(shè)計(jì)、安裝和管理的整體水平。

在我國廣泛采用低壓三相四線供電系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)條件下，為防止“斷零”燒單相設(shè)備事故的發(fā)生。在電氣線路的設(shè)計(jì)、安裝中應(yīng)注意如下方面的問題。

(1)在三相四線回路中應(yīng)按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定正確選擇中性線和PEN線的截面積，以保證其機(jī)械強(qiáng)度，以保證其能承受各種工作狀態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。

(2)采取有效措施防止線路接頭承受過大的應(yīng)力，避免應(yīng)力過大。

(3)注意線路接頭的連接質(zhì)量，以保證中性線接頭牢固可靠來確保的導(dǎo)電良好。

(4)安裝在戶外場所的分線箱，要規(guī)范正確安裝，并定期檢查，避免進(jìn)水短路或進(jìn)水造成生銹，避免導(dǎo)致中性線斷開不連通。

(5)在中性線和PEN上盡量減少線路端子連接和接頭，并盡量少串入開關(guān)和觸頭，如沒有特別的需要應(yīng)盡量少裝用四極開關(guān)，以防因其中性線觸頭和接線端子接觸不良而增加“斷零”危險(xiǎn)。

(6)嚴(yán)禁在三相四線供電系統(tǒng)回路的中性線上串接熔斷器，以防熔斷器中的熔體因種種原因熔斷而造成“斷零”。

3 結(jié)語

筆者以親臨國內(nèi)外石化企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行服務(wù)的經(jīng)歷，就用電環(huán)節(jié)發(fā)生“斷零”的危害及如何防范對單相設(shè)備燒壞的防范，以拋磚引玉的方式，說明了“斷零”是大量單相用電設(shè)備燒壞的主要原因。希望能引起同行工作者對電氣裝置在設(shè)計(jì)、安裝、使用各環(huán)節(jié)的共同關(guān)注，在設(shè)計(jì)、安裝過程中要避免發(fā)生“斷零”事故的風(fēng)險(xiǎn)性，在使用中及時(shí)發(fā)現(xiàn)“斷零”事故的隱蔽點(diǎn)并及時(shí)排除，提高我國用電安全水平有賴于我們廣大電氣工程技術(shù)人員的共同努力。