三相四线供电系统中零线引发的问题分析

梁振刚

（广东电网公司佛山供电局,佛山 三水,528100）

0 引言

我国的供电系统中，低压供电主要以三相四线为主，为用电负荷提供220V和380V的稳压，负载按额定电压分为单相和三相。这种方式的零线在用电安全上的作用很关键,如果零线断路,将引起严重的用电安全问题。

1 零线断路引起的电路变化分析

1.1 零线正常运行

图1是低压三相四线制电力装置，如果电源是三相对称，三相电源以及三相负载全部是星型接线，也就是Y-Y体系。普通工作时，UNN=0，A、B、C每相的电压相等，额定电压是220伏特，如果三相负载对称，中线内的没有电流通过，如果三相负载不对称，中性线内的电流不为零。

1.2 单相零线断开

电源零线断开如图1所示，如果在位置（1）断开，那么导致C相负载单相零线断开，此刻对A、B两相负载不会产生作用，当C相负载断开时，令Uc=Uc′,Ucc=0,也就是说C相负载中不存在电压，然而Rc对地电压一般是相电压220伏特，可以用仪表进行检测，如果Rc是白炽灯，那么电灯没有电流通过，所以，如果电灯无法开启并且接端口还存在电流，那么一定是零线断开了。

1.3 两相零线断开

如图1所示，如果在位置（2）断开，那么会导致B、C两相零线断开，这时，A相一般可以工作，B、C两相负载相串联在线电压Ubc=380伏特。此刻如果Rb与Rc相等，也就是两相负载相同那么各项承受190V=380V/2电压,比额定电压220V低30V,势必会影响正常用电。然而，实际上各相负载在某一时间内是不相同的，如果Rb等于Rc的一半，且为纯电阻负载，那么两相负载电压有效值分别为：

图2 二相零线断路向量图

上面结果表明, B、C两相电压均产生了偏差，与额定的220V不符。同时两相负载偏差的大小直接影响相电压偏差的大小，导致B、C两相使用者产生严重的后果。

假设1:当两相照明支线回路上负载特性等同但容量不同时

在L1相支路中运行150W白炽灯，在L2相支线中运行25W白炽灯，同时使用一条零线，通常会正常工作，可是当零线断开时，在断开之后相关白炽灯的电压为多少呢？

第一,求150W白炽灯电阻:R150=U2/P150=2202/150=322Ω;

25W白炽灯电阻:R25=U2/P25=2202/25=1936Ω;

由于零线断路后两灯为串联,其串联电阻:R=R150+R25=322+1936=2258Ω;

已知串联灯两端电压:U=380V;那么串联回路的电流:I=U/R=380/2258=0.168A;

150W白炽灯所承受的电压:U150=I·R150=0.168×322=54 V;

25W白炽灯所承受的电压:U25=I·R25=0.168×1936=325 V;

然后通过能量分析进行对比，在150W与25W内的功率也存在很大的差异，150W白炽灯的功率是：

P150=U150·I=54×0.168=9.07 W;

25W灯上功率为:P25=U25·I=325×0.168=54 W。

由上面的运算显示，当零线断开时，150W白炽灯内的电压还没有额定电压的1/4，但25W白炽灯内的电压却是额定电压的1.5倍，明显此刻150W白炽灯不会发光，并且25W的白炽灯由于承载的电压过高、电流过强、功率过高，自然会直接烧坏。

假设2：如果两相灯泡支路电路中容积相同，而负载特性不一样时

在L1相支路中连入40W的白炽灯，在L2相支路中连入40W荧光灯，同时使用一条零线，如我们所知，荧光灯线路是有感线路，它的功率因数过小，当荧光灯线路的功率系数是0.5时，那么回路的电流以及阻抗是：

荧光灯自身等同于纯电阻，镇流器等同于纯电感，其线路内流动的电流时0.4A，那么灯管中承载的电压Ur为100伏特。

按照功率三角形，镇流器内承载的电压值为：

由此可得镇流器的感抗为：XL40=UL/I=1960/4=490Ω

因此荧光灯线路内电阻值是：

40W白炽灯电阻为:R40’=U2/P40=2202/40=1210Ω

如果零线断开，那么连接L1、L2两相的电阻值为：

串联回路电流:I=U/Z=380/1641=0.232A

此时40W白炽灯所承受的电压:U40’=I·R=0.232×1210=281V

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40W荧光灯所承受的电压:U40=I·Z40=0.232×606=141V

上述可知，40W白炽灯中承载的电压太高，会造成电灯的损坏，而40W的荧光灯则不能工作。

可以得出，两个单相电路共用零线只可在负载特性、容积基本相同的状况下才会正常工作。如果纯电阻负载比例小于1.73，零线断开之后，小负载断面承载的电压低于250V会导致电器缩短使用时间，如果纯电感负载与纯电阻负荷之比在0.4～0.7时，电感特性负载不能正常工作，阻性负载并且使用周期缩小，从而造成电器的损坏。

如果功率系数不相等，功率比例也不相等，那么它的结果同样会不同，三相电灯支路电路共用零线以及两相照明支路电路共用零线的分析类似。综上所述，两相照明支线回路上共用零线的做法不可取。

1.4 三相零线断开

如图1所示，如果位置（3）也就是NN′断开，那么三相零线全部断开，此刻假如三相负载对称，也就是说Ra、Rb、Rc相等，那么负载中间值N′接地不存在电压，对使用者来说没有影响。假如三相负载非对称，那么中间值N′接地存在电压，按照节点电压法可知：

很明显,中性点N′对地电压高达63V。负载各相电压是非对称的，造成一部分相电压比正常的电压值要高，一部分相电压比正常的电压值要低，并且和正常的电压差异很大，这一定会对负载带来负面的影响，是不可取的。

图3 三相零线断路向量图

图4 三相零线断路向量图(2)

图4 三相零线断路向量图(2) 假如零线的断面N′和相线连接，若N′端和A相相线短路，此刻Uaa为零，Ubb为380V，B、C两相会承载线电压这样容易造成故障。所以如果察觉到三相电压非对称，那么就应该立刻检验零线的运行状况，从而快速的找出错误的位置。

2 零线断路引发的典型事故案例

3 零线断路的原因分析及相应的预防

3.1 零线断路的主要原因

3.1.1 零线机械强度不够造成断路

通常由于零线电流小，导线的截面积相对较小，机械强度自然就小。

3.1.2 零线连接松动导致接触电阻过大产生过热现象

遇氧反应：位于接点处的导线接触面是无法完全封闭的，因此该处导线表面时时刻刻都在进行氧化反应。

电化学腐蚀：当周围湿度达到一定值时，接口处的连接处会极化，导致接点位置电阻过大。

金属蠕变性：因连接处受晃动、拉扯或者热胀冷缩等外部因素作用下，会发生金属蠕变,使得导线之间的作用力减少,造成接触电阻过大。

人为因素：这部分因素多表现为接线点缠绕不紧密、接口部位松动等使用不当。因接触不良导致接点不牢固从而引发的火灾大多数要归结为人为因素。

3.2 断零火灾的预防措施

3.2.1 加强对供电线路上零线接线头的检查。

3.2.2 安装维修时选择有资质的施工单位和合格的产品。

3.2.3 零线截面与相线要一致。

3.2.4 不使用的电器及时断开电源,需要长期通电的电器采用稳压电源。

3.2.5 相线和零线要有不同颜色区分，方便日后的维护和故障查找。

4 总结

从上述分析可知，在低压系统中零线的安全运行尤为重要，首先它是对称及不对称三相负载的相电压对称的保障；其次，如遇异常，它能减小相对地的电压。为保证人身和设备的安全，在电气回路中禁止零线开路，不允许采用熔断保护方式，要采用机械强度较高的导线作为零线,其接地电阻要符合要求,并一定要采取重复接地方式。

[1]周林.易强.秦梅.周小军等，不对称三相四线制系统有害电流的检测方法，重庆大学学报.2002.

[2]王相君，田优文，刘景贵等，三相四线制供电系统的线损分算与求和法，电力需求侧管理, 2004