低压配电网零线电压分布的研究

饶志 艾欣 齐郑（华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206）

1 引言

我国低压配电网采用380V/220V三相四线制供电系统。由于零线不与地线直接相连，为了保护用户，防止发生触电事故，通常还需要单设一条地线将用电设备接地。但是很多地方的楼宇住宅没有地线或者地线接地不是很好，在使用电器设备时就存在着一定的安全隐患。

在三相负荷对称的情况下，零线与大地电位相等，但是当三相负荷不对称时，零线的电位将出现偏移。通常低压配电网满足以下的基本条件：零线不出现断线。在这个前提下，本文通过理论分析和Matlab/Simulink软件仿真计算了零线上的电压分布情况，计算结果表明零线上的偏移电压不会超过36V，不会对人体造成危害。在电器设备的设计中虽然零线不能代替地线的使用，但可以用零线当作地线的备用，对低压电器设备的安全运行起到辅助作用。

2 零线上电压分布的理论分析

理论上如果零线阻抗为零，则即使三相不对称，仍可以将偏移的中性点电压拉回到零（与大地等电位），但现实是即使用很粗的铜线做零线，也还会有电阻存在，因此还是零线上存在电压差。零线在变压器的出口接地，一直到配电柜，其他地方不接地，地线直接和配电柜的柜体相连，零线和地线之间通过加装绝缘子达到绝缘的效果。在实际的低压配电系统中，零线的选择和系统的安全运行息息相关。零线的截面积通常按照如下原则进行选择：（1）在单相供电线路中，零线截面应与相线截面相等；（2）在380V/220V供电线路中，照明为白炽灯时，零线按相线载流量的50%选择(即零线截面为相线截面的一半)，当照明为气体放电灯时，零线截面按最大负荷相的电流选择；（3）在逐相切断的三相照明电路中，零线与相线截面相等，若数条线路共用一条零线时，零线截面按最大负荷相的电流选择。

从城市楼宇住宅的主变出来的零线距离通常不会超过500m，参考某一实例，变压器的容量为200kVA，进户零线选择LJ-240，其单位长度的电阻值为0.132Ω/km，零线上电阻值不超过0.066Ω。如果主变容量增加，零线线径随之增加，其电阻值会更小。

低压配电系统的系统结构图如图1所示，负荷星型连接，三相负荷电流通过零线构成回路，零线中的电流是三相电流的相量和。

低压配电系统的系统等值电路图如图2所示，设三相交流电源是对称的，电压幅值相等、相位互差120°。三相负荷用阻抗表示，由于三相火线上的线路阻抗远小于负荷阻抗，因此忽略火线上的线路阻抗，但是不能忽略零线上的线路阻抗。

以图2来推导零线上不对称电流的计算公式，流过零线上的不对称电流为:

其中：

零线上不同位置的电压与两个因素有关，第一是该位置与变压器中性点之间的阻抗值，第二是该位置流过的零线电流。在变压器出口的零线截面往往很大，到各个用户分支的零线截面较小，所以用户分支位置与变压器中性点之间的阻抗值较大，而用户分支的负荷不平衡度也是最大的。因此越接近用户分支末端，零线电压的偏移就越大。

为了考虑最恶劣的运行情况，我们不妨假设低压配电系统中只在一相上有负荷，即B、C两相断线，A相单相运行，其等效电路如图3所示。

图3中的RA表示A相线路的电阻值，RLA表示A相线路的负荷等值电阻值，R0表示零线上的电阻值，DU表示零线上的电压降。参考某一实例，A相线路选用LJ-240导线，单位长度电阻值为0.132Ω/km，线路长度500m，则RA=0.066Ω；设负荷RLA=2.15Ω；零线线路选用LJ-240导线，单位长度电阻值为0.132Ω/km，则R0=0.066Ω。所以，我们不难得到零线上的电压降为：

由以上分析可知，即使在两相断线这种恶劣的运行条件下，零线上电压降仍是远小于人体安全电压的临界值36V的。

3 Matlab/Simulink软件分析

3.1 仿真模型

本文采用Matlab/Simulink软件平台对低压配电系统进行仿真，重点研究在三相负荷不对称的情况下，零线上的电压和电流数据。

Matlab/Simulink的仿真图如图4所示，模拟的是一个实际的10kV/380V的三相四线制系统，主变采用Y/D接线，三相电源参数对称。低压出线中性点直接接地，引出一条零线。

3.2 三相负荷不对称仿真

设置三相负荷的参数不相同，A相负荷的有功功率为30kW、B相负荷的有功功率为27kW、C相负荷的有功功率为33kW，负荷的功率因数cosφ=0.9。设置仿真时间为1s，通过示波器显示得到零线上的电流波形如图5所示，零线上的电压波形如图6所示。

我们考虑更加严酷的系统运行情况。在仿真图4中发生B、C两相断线，A相单相运行时。设置仿真时间为1s，通过示波器显示得到零线上的电流波形如图7所示，零线上的电压波形如图8所示。

图1 低压配电系统的系统等效简易图

图2 三相负荷对称、不对称等效电路图

图3 B、C两相断线运行等效电路图

图4 Matlab仿真电路图

图5 三相负荷不对称时的零线上电流波形

图6 三相负荷不对称时的零线上电压波形

图7 BC两相断线时零线上电流波形

图8 BC两相断线时零线上电压波形

表1 现场实测数据

通过图5—图8可以看到，在三相负荷不对称的情况下，零线上出现了明显的电流和电压。在仿真分析中，测量零线上的电压偏移不超过36V，因此验证了本文上述的分析。

4 实例验证

为了进一步验证上述分析结果，选取某实际低压配电网进行实测，该零线采用LJ-240导线，在不同负荷情况下零线上电压偏移数据如表1所示。

通过表1中的数据，可以很清楚地看到，在这个实际的低压配电系统中，零线电压偏移远低于人体的安全电压临界值36V，从而证明了上述分析的正确性。

5 结论

三相负荷的不对称，会导致零线上出现电流和电压。通常低压配电网能够基本满足零线不出现断线的情况。在这个前提下，本文通过理论分析和Matlab/Simulink软件仿真计算了零线上的电压分布情况，计算结果表明零线上的偏移电压不会超过36V，不会对人体造成危害。在电器设备的设计中虽然零线不能代替地线的使用，但可以用零线当作地线的备用，对低压电器设备的安全运行起到辅助作用。

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