中性線保護(hù)的必要性探析

林佳鋒

(中智(福建)科技有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平日益提高，社會用電需求不斷增大，電力系統(tǒng)可靠性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，電氣火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害人民人身安全和社會經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)代建筑供配電系統(tǒng)趨于規(guī)范，線路保護(hù)措施趨于完善，為什么電氣火災(zāi)仍然頻繁發(fā)生呢？ 通過進(jìn)一步分析與研究，得到了一個(gè)初步結(jié)論：中性線斷損是致災(zāi)因素，中性線電流過大是最典型現(xiàn)象。簡單來說，就是中性線通過的電流過大，導(dǎo)致中性線過流長時(shí)間發(fā)熱，久而久之，加速絕緣老化，引起電氣損壞事故，甚至發(fā)生火災(zāi)。

1 中性線電流分析及其危害

在低壓供電系統(tǒng)中，Y-Y帶有中性線的三相四線制供電系統(tǒng)是最常采用，如圖1所示[1]。其中線路阻抗用ZL表示，中性線阻抗用ZN表示，ZA、ZB、ZC分別為A、B、C三相負(fù)載阻抗。

圖1 常見低壓三相四線制供電系統(tǒng)

當(dāng)A、B、C三相負(fù)載相同時(shí)，稱為對稱三相四線有中性線Y-Y系統(tǒng)。現(xiàn)取N為參考節(jié)點(diǎn)，則N的節(jié)點(diǎn)電壓方程為：

由于三相負(fù)載相同，則取ZA=ZB=ZC=Z，那么：

因?yàn)閁A+UB+UC=0，即UNN′=0，于是：

然而，實(shí)際上各相負(fù)載不可能完全對稱，造成了各相負(fù)載電流不對稱，中性線上存在隨負(fù)載不對稱程度增大而增大的電流。例如，在某種情況下，A相負(fù)載和B相負(fù)載上的電壓已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定值，隨時(shí)可能被燒毀或者擊穿，然而C相負(fù)載上的電壓卻只有額定值的一半，無法使負(fù)載正常工作。所以，對于三相Y-Y接有中性線的不對稱系統(tǒng)而言，中性線的重要性不言而喻。它保證了各個(gè)負(fù)載均能獲得電源的相電壓，而與其它負(fù)載無關(guān)[1]。當(dāng)中性線完好時(shí)，即使出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象，對電壓也沒有太大影響。但是當(dāng)中性線斷開時(shí)，三相負(fù)載端電壓就會產(chǎn)生變化，造成中性點(diǎn)零點(diǎn)電位漂移。對于負(fù)荷越小的一相，電壓正偏移越大，越可能造成電氣擊穿而短路[2]。

此外在某些場合，中性線發(fā)熱是由負(fù)載的諧波電流引起的。現(xiàn)代電氣設(shè)備很多都包含將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼鳛V波電路，然后再從直流電實(shí)現(xiàn)最終的做功。典型的整流電路以及流入整流電路的波形如圖2所示，盡管整流電路上施加的電壓是正弦波，但是流入整流電路的電流卻是窄脈沖狀的波形，而非正弦波。

圖2 典型的整流器電路及波形

電工理論常認(rèn)為當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，中性線上的電流很小，幾乎為零。但是，得到這個(gè)結(jié)論的前提是三條相線上的電流是在相位上相差 120°正弦波。圖3是ABC三相線上整流電路的脈沖狀的電流波形。研究該波形，當(dāng)電流不是正弦波而是脈沖狀的波形時(shí)，A，B，C 相上的電流波形在中性線上是不會重疊的，因此也就不會產(chǎn)生抵消的效果[3]。同時(shí)，波形的畸變率越大，波形偏離正弦波的程度就越大。由此可見，當(dāng)中性線上電流的波形變化時(shí)，會嚴(yán)重危害到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定和安全。

圖3 整流電路負(fù)荷時(shí)各相導(dǎo)體上的電流波形

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51348-2019)第7.4.5條規(guī)定，單相兩線制電路及三相四線電路中，相導(dǎo)體截面積不大于16 mm2(銅)或25 mm2(鋁/鋁合金),電路中性線導(dǎo)體至少應(yīng)和相導(dǎo)體具有相同截面積[4]。如果中性線的截面積與相線相同，則中性線導(dǎo)體的電阻與相線導(dǎo)體的電阻相同，若由于諧波影響，中性線電流達(dá)到相線電流的1.73倍，那么根據(jù)電阻發(fā)熱的原理，中性線導(dǎo)體的發(fā)熱量會達(dá)到相線導(dǎo)體的3倍(1.73的平方倍)。此時(shí)，若沒有過流保護(hù)等措施，只能任憑中性線導(dǎo)體發(fā)熱，最終或者導(dǎo)致中性線斷開，或誘發(fā)火災(zāi)。

2 案例分析

案例一：某醫(yī)院配電室T1變壓器溫升較高，經(jīng)檢測，低壓配電柜柜內(nèi)溫度較高，不得不通過空調(diào)進(jìn)行強(qiáng)制散熱。設(shè)備長期處在較高溫升環(huán)境中，電纜絕緣老化加劇，嚴(yán)重影響醫(yī)院配電系統(tǒng)安全運(yùn)行。 經(jīng)過對該變壓器總進(jìn)線及回路負(fù)荷進(jìn)行測試 ，其中性線電流較大，導(dǎo)致中性線溫升較高。

案例二：某配電室T2變壓器噪音較大，現(xiàn)場低壓配電柜柜內(nèi)溫度較高，經(jīng)現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)中性線電流較大。

案例三：某賓館低壓總進(jìn)線開關(guān)多次無故障跳閘，嚴(yán)重影響酒店正常運(yùn)營。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，其總進(jìn)線回路的中性線電流較大，中性線溫升較高。

在案例一中，T1變壓器的負(fù)荷主要為一些非線性設(shè)備，如醫(yī)療設(shè)備、變頻器、照明等。同時(shí)因?yàn)獒t(yī)院的運(yùn)行機(jī)制，導(dǎo)致系統(tǒng)存在較為嚴(yán)重的用電不均衡現(xiàn)象，導(dǎo)致中性線電流極大；案例二的T2變壓器的負(fù)荷主要為變頻器、LED屏和節(jié)能燈等非線性設(shè)備，在使用高峰期時(shí)，負(fù)荷基本全部開啟，由于其單相負(fù)荷較多和不對稱運(yùn)行，導(dǎo)致中性線電流極大；案例三中賓館的負(fù)荷主要為變頻水泵、空調(diào)和節(jié)能燈等設(shè)備，再加上酒店入住率原因，導(dǎo)致并存在較為嚴(yán)重的三相用電不均衡現(xiàn)象，同時(shí)非線性負(fù)荷的存在，導(dǎo)致中性線電流較大。

由此可見，導(dǎo)致中性線電流增大的主要原因是：①末端負(fù)荷三相不平衡導(dǎo)致中性線電流倍增；②末端負(fù)荷產(chǎn)生三次諧波導(dǎo)致中性線電流過大。諧波是由非線性負(fù)載所產(chǎn)生的，常見的非線性負(fù)載有LED燈、充電樁、變頻空調(diào)、變頻器、醫(yī)療行業(yè)的UPS、核磁共振及ICU等醫(yī)療設(shè)備。而產(chǎn)生三次諧波的非線性負(fù)載均為采用單相整流技術(shù)的負(fù)載，如上述的LED燈、慢速充電樁、變頻空調(diào)、單相UPS。

僅2020年的1月～9月，全國共接報(bào)火災(zāi)18萬起，死亡792人，受傷516人，直接財(cái)產(chǎn)損失25.5億元。其中電氣火災(zāi)的數(shù)量最多，占總數(shù)的31.9%，尤其是57.8%的較大火災(zāi)，也是由電氣因素引起的。究其原因是電力電纜一般投入運(yùn)行后甚至15年～30年不會更換，末端三相電流不平衡或末端三次諧波都會嚴(yán)重導(dǎo)致中性線電流倍增，中性線電流過流運(yùn)行久而久之造成電氣火災(zāi)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，電線電纜火災(zāi)約占電氣火災(zāi)的40%～60%，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡嚴(yán)重事故的電氣火災(zāi)中，90%因中性線電流過大久而久之引起火災(zāi)。事故在于預(yù)防，習(xí)總書記一再強(qiáng)調(diào)“堅(jiān)持管行業(yè)必須管安全、管業(yè)務(wù)必須管安全、管生產(chǎn)必須管安全、血的教訓(xùn)極其深刻，必須牢牢記取，加強(qiáng)安全生產(chǎn)基礎(chǔ)能力建設(shè)，堅(jiān)決遏制重特大安全生產(chǎn)事故發(fā)生”。

3 中性線保護(hù)措施

以前解決末端諧波和三相不平衡問題時(shí)，常用方法是有源濾波技術(shù)。該技術(shù)采用瞬時(shí)無功算法或FFT，響應(yīng)時(shí)間最快≤10ms，自身損耗一般≤3%；可以完全消除末端的三次諧波，但不具備消除末端三相不平衡引起的中性線電流增大問題。由此可見，簡單的濾波技術(shù)，從源頭上根本無法解決三相不平衡引起的中性線電流增大問題，無法消除電氣火災(zāi)隱患。

中性線保護(hù)措施應(yīng)盡可能滿足下列“三功能”：①監(jiān)測以及消除諧波及三相電流不平衡所引起的中性線過流，避免因中性線過流所導(dǎo)致的中性線發(fā)熱，加速老化甚至發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)象；②檢測線路中的三次諧波含量，超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出大小相等，方向相反的三次諧波與線路中的三次諧波相互抵消，以消除三次諧波；③可補(bǔ)償部分功率因數(shù)，減少線路損耗，具有完善的電能質(zhì)量檢測功能和保護(hù)功能，并可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至后臺，實(shí)現(xiàn)無人值守功能。

圖4 某智能中性線保護(hù)裝置設(shè)備拓?fù)鋱D

目前，有了解到一種智能中性線保護(hù)裝置，它具有控制減少因中性線電流過大導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生的概率，其設(shè)備拓?fù)鋱D如圖4所示。該裝置在消除中性線電流過大、消除末端三次諧波問題上，發(fā)揮著重要作用。它使用GTA(基于時(shí)域)算法，最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)≤5ms，可以完全消除因三相不平衡以及末端的三次諧波引起中性線電流增大問題。此外，該裝置相較于有源濾波，還可以補(bǔ)償部分功率因數(shù)，減少線路損耗，具有完善的電能質(zhì)量檢測功能和保護(hù)功能。在前文所列舉的案例一～案例三，均可通過使用智能中性線保護(hù)裝置使中性線電流大幅減少，從而使電氣火災(zāi)隱患得以徹底消除。

4 結(jié)語

因中性線電流過大，導(dǎo)致中性線斷損，是造成電氣火災(zāi)的重要因素，因此，必須重視和加強(qiáng)中性線保護(hù)。采取滿足“三功能”的中性線保護(hù)措施，對解決一些末端具有明顯三相不平衡以及末端三次諧波問題，具有顯著效果。建議對展覽館、博物館、醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)綜合體、酒店及賓館、充電樁等的建筑物或配電場合應(yīng)大力推廣采取中性線的保護(hù)措施。