三相四線制供電系統(tǒng)中的中性線

郭芙琴

（延安職業(yè)技術學院 陜西 延安 716000）

在高職電工技術課程的“三相電路”的教學中，特別是非機電類的工科專業(yè)教材對中性線的解釋不夠全面．筆者認為，在學習三相交流電路時，不僅要熟悉三相電路中相、線電壓（或電流）的關系，還要了解中性線（零線）和地線之間的區(qū)別與聯(lián)系，關鍵是要理解中性線是如何保證負載相電壓不變的作用及保護措施．以提高學生對三相電路的認識，樹立正確、安全的用電意識．

1 中性線 零線和地線的區(qū)別

當發(fā)電機三相繞組的末端連在一起，這個連接點稱為中性點N，也稱作零點．從中性點引出的導線稱為中性線，也稱作零線．從三相繞組的始端引出的三根導線L1，L2和L3稱為相線，也稱做端線，俗稱火線．如果負載中性點與大地相連，引出的導線又可稱為地線．這樣，從三相繞組的始端和中性點共引出四根導線，這種電源供電方式稱為三相四線制電路．在這種線路中，把相線與相線之間的電壓稱為線電壓，相線與中性線之間的電壓稱為相電壓．它們的關系是：uL＝槡3 uP．那么，中性線、零線、地線之間有什么區(qū)別與聯(lián)系呢？

1． 1 區(qū)別

中性線（零線）和地線是不同的概念．

（1）從結構上看，它們的接地點不同，零線（N）是從最近的發(fā)電機或變壓器中心點接地，對地電位不一定為零，和本地的接地可能有一定的電位差；而地線（PE）使用的是電器的最近點接地，對地電位為零，且要根據具體要求重復接地．

（2）從原理上講，零線主要應用于工作回路．由于它所產生的電壓等于線阻乘以工作回路的電流，對于遠距離的輸電，如線電阻大于4Ω的話，零線產生的電壓就不可忽視，安全措施也不可靠了．而地線不用于工作回路，只作為保護線，利用大地的絕對零電壓，當設備外殼發(fā)生漏電，電流會迅速流入大地，即使PE線有開路的情況，也會從附近接地體流入大地．

通常220 V單相回路中的一根稱火線（或相線），而另一根稱零線（或地線），火線與地線的這種稱法只是實用中的一種俗稱，嚴格地說應該是，如果該回路的中性點接地，則稱“零線”；若不接地，則應稱“中性線”，以免與接地中的“地線”相混淆．簡單地說，中性線和零線都是從電源的中性點引出來的導線．中性點直接接地而取得大地的參考零電位后引出來的導線叫零線；中性點沒有接地引出來的導線則叫中性線；和大地接通的導線叫地線，即用電線連接一塊埋入地下1 m以上的金屬板．中線即此線電勢處于其他線的中間或中心，而零線即此線上電壓為零．

1． 2 聯(lián)系

中性線和零線在三相四線制中實際上是同一根線，但對于三相線路中其中的一根相線即單相電路來說，它是提供這根相線電流的“回路”線，如果中性點在不接地系統(tǒng)中，它對地的電壓是不為零的．中性線是指在“星形接法”的三相交流電路中，連接三根相線的一條“公共回線”，在嚴格地絕對對稱（也稱平衡）的三相交流負載中，這根中性線為零電位，也就是電壓為零．但實際上多個單相負載接到三相電路中構成的三相負載不可能完全對稱．為了防止負載不平衡而使中性線帶電，則要將中性線接地．而接地線不是指電流回路中的線，它是一根保護線，零線接地，中性線接地，設備外殼保護接地等都是指這根線，它不參與設備的運行，正常時不提供電流的回路．零線有時會電人，當火線上有電，但設備不工作時，可能遠處零線斷開；從斷點靠近設備一端的零線電壓是220 V，即零線變?yōu)榛鹁€．

2 中性線在三相四線制供電系統(tǒng)中的作用

實踐證明，在負載不對稱的情況下又沒有中性線，就形成不對稱負載的三相三線制供電．但由于負載阻抗的不對稱，相電流也不對稱，負載相電壓也自然不對稱．當各相負載阻抗變化時，相電流和相電壓都隨之而變化，燈光會有暗有亮，其他用電器也不能正常工作．下面通過兩個實例來分析和討論中性線斷開帶來的危害［1］．

【例題1】求在圖1中，下述兩種故障情況下，各相負載上的電壓．（1）L1相短路；（2）L1相短路，中性線又斷開．

解：（1）當L1相短路時，短路電流很大，將L1相的熔斷器熔斷，因有中性線，L2相和L3相未受影響，其電壓仍為電源相電壓220 V．

圖1 L 1相短路情形

（2）由于L1相的電燈組R1被短路，其上所加電壓為零，如中性線也斷開的話，此時負載的中性點N′即為L1，因此L2相電燈組R2兩端的電壓u2′是L1與L2間線電壓，L3相電燈組R3兩端的電壓u3′是L3與L1間線電壓，均為380 V，超出了電燈的額定電壓220 V，因此L2與L3容易燒損，這是不容許的．

【例題2】求在圖2中，下述兩種故障情況下，各相負載上的電壓．（1）L1相斷路；（2）L1相斷路，中性線又斷開．

解：（1）當L1相斷路時，因有中性線，L2相和L3相未受影響，其電壓仍為電源相電壓220 V．

圖2 L 1相斷路情形

（2）當L1相斷路而中性線又斷開時，L1相的電燈組R1兩端的電壓u1′＝0 V．此時電路成為單相電路，L2相的電燈組R2與L3相電燈組R3串聯(lián)，兩端的電壓是L2與L3間線電壓380 V，兩相電流相同．至于兩相電壓如何分配，決定于兩相的電燈組負載電阻的大小．如R2＝10Ω，R3＝20Ω，則L2相電燈組R2兩端的電壓u2′為127 V，低于額定電壓；L3相電燈組R3兩端的電壓u3′為253 V，又高于額定電壓．這都是不容許的．即若L2與L3相對稱，各相端電壓為190 V，均低于額定值220 V也不能正常工作；若L2與L3相不對稱，則負載多（電阻小）的一相分壓少，低于額定電壓而不能正常發(fā)光，負載少（電阻大）的一相分壓多，又高于額定電壓也不能正常工作．

從以上兩個例子可以看出，負載不對稱而又沒有中性線時，負載上可能得到大小不等的電壓；有的超過用電設備的額定電壓，有的達不到額定電壓，都不能正常工作．比如，照明電路中各相負載不能保證完全對稱，所以三相四線制星形連接電路中，一般情況下中性線是不允許斷開的．即中性線的作用就在于，使星形連接的不對稱負載得到相等的相電壓．為了確保中性線在運行中不斷開，其上不允許接保險絲，也不允許接刀閘．

3 中性線的檢測及依據

為了保證中性線不會斷開，在配電線路之前必須區(qū)別火線與零線，以避免將保險絲或閘刀錯接到零線上．那么，如何辨別三相四線制供電線路上的火線和零線呢？除按標準接線的色彩，即火線（L）顏色需用紅、黃、綠色，零線（N）顏色需用黑、藍色，地線顏色（PE）需用黃、綠雙色線辨別以外，還可用下面兩種方法來檢測［2］．

3． 1 常用的方法是用驗電筆來測量

在正常情況下，用驗電筆的筆頭與被測導線接觸時，使氖管發(fā)光的是火線（端線或相線），不發(fā)光的是零線．因為一般情況下，零線上的電壓為零，相序電流也為零．如普通家用照明電路中，火線與大地之間存在220 V的電壓，零線與大地之間電壓為零．因此火線跟零線之間也存在220 V的電壓．如家中墻上插座中的兩個插孔，一個插孔接的是火線，另一個插孔接的是零線，可用驗電筆辨別哪個插孔接的是火線；面對三孔插座，雖然一般是左零、右火、中間地，但也要用驗電筆辨別左右兩根電線哪根是火線．但是進入開關的兩個線頭實際上是在一根火線上斷開的（如進入臺燈開關的兩個線頭），分別接在了開關的兩個接線柱上，開關閉合后（即臺燈發(fā)光時），用驗電筆接觸開關的兩個接線柱時，氖管都發(fā)光．所以，千萬不能把一根火線和一根零線分別接在開關的兩個接線柱上，以免發(fā)生短路甚至火災．但如果遠處某一相線發(fā)生短路時，零線上可能會有大的電流，驗電筆會由不亮到發(fā)光．

3． 2 利用火線與零線之間的數量關系

火線與零線之間的數量關系即uL＝槡3 uP，也可用400 V以上的交流電壓表測出三相四線制供電線路上的火線和零線．在日常生活與工農業(yè)生產中，配電電壓等級一般有：uL＝380 V，uP＝220 V和uL＝220 V，uP＝127 V兩種．多數用戶的電壓等級為uL＝380 V，uP＝220 V，具體的判斷方法是在四根導線A，B，C和D中，如測得uAB＝380 V，uBC＝380 V，uAC＝380 V，uAD＝220 V，uBD＝220 V，uCD＝220 V，說明A，B和C三根導線都是火線，而D是零線．但是，在不明電壓等級的情況下，如果測得uAD＝220 V，uBD＝220 V，不能就此斷定A，B和C三根導線都是火線，D是零線．因為也有可能uDC＝127 V．這樣的話，說明A，B和D三根導線都是火線，而C卻是零線．所以，在用交流電壓表測火線與零線時，必須先要了解此電路的電壓等級．

4 中性線的保護措施

在三相四線制線路中，由于實際存在的三相負載不平衡，以及非線性負載比例的不斷增大，形成的不平衡電流及零序電流，可能引起中性線的過載、發(fā)熱、甚至燒毀斷線，使三相負載的工作狀態(tài)遭到破壞，嚴重威脅各種用電設備的安全．因此，采取加強管理，合理用材，盡量平衡三相負載，以及采用必要的保護電路等防范措施，如接零與接地保護等，能有效地解決中性線意外斷線和由此引發(fā)的不安全用電及火災等問題．

4． 1 保護接零

即把電氣設備在正常情況下不帶電的金屬部分與電網的零線緊密地連接起來．當某一相絕緣損壞使相線碰殼，外殼帶電時，由于外殼采用了保護接零措施，因此該相線和零線構成回路，單相短路電流很大，足以使線路上的保護裝置（如熔斷器）迅速斷開，從而將漏電設備與電源斷開，避免人身觸電．由此可見，零線上不容許裝設熔斷器和開關．在三相四線制的電力系統(tǒng)中，由于電力線路中零線可能有比較大的電流，就可能存在零線接頭發(fā)熱和接觸不良的危險．所以，通常是把電氣設備的金屬外殼同時接地、接零，這就是所謂的重復接地保護措施［3］．

4． 2 中性點制度

即中性點是否接地．中性點制度大致可以分為兩類，即中性點接地系統(tǒng)與中性點絕緣系統(tǒng)．而按照國際電工委員會（IEC）的規(guī)定，將低壓配電系統(tǒng)分為IT，TT，TN三種，其中TN系統(tǒng)又分為TN－C，TN－S，TN－C－S三類．由以上比較可得出中性點不同運行方式下的安全措施，即中性點的絕緣運行方式和直接接地運行方式．

（1）中性點的絕緣運行方式下應做到：

1）所有用電設備都必須采用保護接地，而不允許采用保護接零；

2）中性線的機械強度應與相線相同，中性線不允許斷開；

3）中性線電流不應超過變壓器二次線圈額定電源的25%，三相負荷電流不應相差太大，以免影響三相電壓的平衡；

4）杜絕中性線直接接地，低壓配電盤必須設置三相絕緣監(jiān)察設置，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除低壓電網中的接地故障；

5）配電變壓器二次側應加裝4只避雷器，以防止雷電過電壓．

（2）中性點的直接接地運行方式下應做到：1）所有用電設備在正常情況下不帶電的金屬部分，都必須采用保護接零與保護接地；

2）在三相四線制的同一低壓配電系統(tǒng)中，保護接零和保護接地不能混用，即一部分采用保護接零，而另一部分則采用保護接地，但若在同一設備上同時采用保護接零和保護接地則是允許的，因為其安全效果更好．

3）要求中性線必須重復接地，因為在中性線斷開的情況下，接零設備外殼上都帶有220 V的對地電壓，這也是決不允許的．

5 結論

中性線是三相電源與負載連接方式的橋梁和依據．在三相四線制供電的線路中，不論各相負載是否平衡，各相負載均可承受對稱的相電壓，如一相發(fā)生故障，其他兩相還能正常工作．即中性線起到保證負載相電壓不變的作用．對于不對稱的三相負載，中性線不能去掉；而且不能在中性線上安裝保險絲或開關，并要加以保護．因為只有當三相電源對稱、星形連接的三相負載也對稱的情況下，三相負載電流也是對稱的，此時中性線無電流通過，中性線才可以去掉，即三相四線制電路就變成三相三線制這種特定的電路．但它只能向負載提供一種電壓，即uL＝uP，負載只能使用線電壓．如船舶交流同步發(fā)電機通常采用的是三相三線制的供電方式．

1 趙曉玲．電工與電子技術．大連：大連海事大學出版社，2007．77

2 秦曾煌．電工學簡明教程．北京：高等教育出版社，1999．132

3 侯潤亞．淺談電源零線與地線．物理教學，2009（7）：35