中性線保護的必要性探析

林佳鋒

(中智(福建)科技有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著國民經濟發展和人民生活水平日益提高，社會用電需求不斷增大，電力系統可靠性面臨嚴峻考驗，電氣火災時有發生，嚴重危害人民人身安全和社會經濟。現代建筑供配電系統趨于規范，線路保護措施趨于完善，為什么電氣火災仍然頻繁發生呢？ 通過進一步分析與研究，得到了一個初步結論：中性線斷損是致災因素，中性線電流過大是最典型現象。簡單來說，就是中性線通過的電流過大，導致中性線過流長時間發熱，久而久之，加速絕緣老化，引起電氣損壞事故，甚至發生火災。

1 中性線電流分析及其危害

在低壓供電系統中，Y-Y帶有中性線的三相四線制供電系統是最常采用，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三相負載阻抗。

圖1 常見低壓三相四線制供電系統

當A、B、C三相負載相同時，稱為對稱三相四線有中性線Y-Y系統。現取N為參考節點，則N的節點電壓方程為：

由于三相負載相同，則取ZA=ZB=ZC=Z，那么：

因為UA+UB+UC=0，即UNN′=0，于是：

然而，實際上各相負載不可能完全對稱，造成了各相負載電流不對稱，中性線上存在隨負載不對稱程度增大而增大的電流。例如，在某種情況下，A相負載和B相負載上的電壓已經遠遠超過其額定值，隨時可能被燒毀或者擊穿，然而C相負載上的電壓卻只有額定值的一半，無法使負載正常工作。所以，對于三相Y-Y接有中性線的不對稱系統而言，中性線的重要性不言而喻。它保證了各個負載均能獲得電源的相電壓，而與其它負載無關[1]。當中性線完好時，即使出現三相負荷不平衡現象，對電壓也沒有太大影響。但是當中性線斷開時，三相負載端電壓就會產生變化，造成中性點零點電位漂移。對于負荷越小的一相，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，中性線發熱是由負載的諧波電流引起的。現代電氣設備很多都包含將交流電變為直流電的整流濾波電路，然后再從直流電實現最終的做功。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

電工理論常認為當三相負荷平衡時，中性線上的電流很小，幾乎為零。但是，得到這個結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，當電流不是正弦波而是脈沖狀的波形時，A，B，C 相上的電流波形在中性線上是不會重疊的，因此也就不會產生抵消的效果[3]。同時，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，當中性線上電流的波形變化時，會嚴重危害到設備運行的穩定和安全。

圖3 整流電路負荷時各相導體上的電流波形

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

2 案例分析

案例一：某醫院配電室T1變壓器溫升較高，經檢測，低壓配電柜柜內溫度較高，不得不通過空調進行強制散熱。設備長期處在較高溫升環境中，電纜絕緣老化加劇，嚴重影響醫院配電系統安全運行。 經過對該變壓器總進線及回路負荷進行測試 ，其中性線電流較大，導致中性線溫升較高。

案例二：某配電室T2變壓器噪音較大，現場低壓配電柜柜內溫度較高，經現場測試，發現中性線電流較大。

案例三：某賓館低壓總進線開關多次無故障跳閘，嚴重影響酒店正常運營。經檢測發現，其總進線回路的中性線電流較大，中性線溫升較高。

在案例一中，T1變壓器的負荷主要為一些非線性設備，如醫療設備、變頻器、照明等。同時因為醫院的運行機制，導致系統存在較為嚴重的用電不均衡現象，導致中性線電流極大；案例二的T2變壓器的負荷主要為變頻器、LED屏和節能燈等非線性設備，在使用高峰期時，負荷基本全部開啟，由于其單相負荷較多和不對稱運行，導致中性線電流極大；案例三中賓館的負荷主要為變頻水泵、空調和節能燈等設備，再加上酒店入住率原因，導致并存在較為嚴重的三相用電不均衡現象，同時非線性負荷的存在，導致中性線電流較大。

由此可見，導致中性線電流增大的主要原因是：①末端負荷三相不平衡導致中性線電流倍增；②末端負荷產生三次諧波導致中性線電流過大。諧波是由非線性負載所產生的，常見的非線性負載有LED燈、充電樁、變頻空調、變頻器、醫療行業的UPS、核磁共振及ICU等醫療設備。而產生三次諧波的非線性負載均為采用單相整流技術的負載，如上述的LED燈、慢速充電樁、變頻空調、單相UPS。

僅2020年的1月～9月，全國共接報火災18萬起，死亡792人，受傷516人，直接財產損失25.5億元。其中電氣火災的數量最多，占總數的31.9%，尤其是57.8%的較大火災，也是由電氣因素引起的。究其原因是電力電纜一般投入運行后甚至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重導致中性線電流倍增，中性線電流過流運行久而久之造成電氣火災。據資料統計，電線電纜火災約占電氣火災的40%～60%，造成重大財產損失和人員傷亡嚴重事故的電氣火災中，90%因中性線電流過大久而久之引起火災。事故在于預防，習總書記一再強調“堅持管行業必須管安全、管業務必須管安全、管生產必須管安全、血的教訓極其深刻，必須牢牢記取，加強安全生產基礎能力建設，堅決遏制重特大安全生產事故發生”。

3 中性線保護措施

以前解決末端諧波和三相不平衡問題時，常用方法是有源濾波技術。該技術采用瞬時無功算法或FFT，響應時間最快≤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，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，無法消除電氣火災隱患。

中性線保護措施應盡可能滿足下列“三功能”：①監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致的中性線發熱，加速老化甚至發生火災的現象；②檢測線路中的三次諧波含量，超過設定值時，發出大小相等，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可補償部分功率因數，減少線路損耗，具有完善的電能質量檢測功能和保護功能，并可將數據實時上傳至后臺，實現無人值守功能。

圖4 某智能中性線保護裝置設備拓撲圖

目前，有了解到一種智能中性線保護裝置，它具有控制減少因中性線電流過大導致電氣火災發生的概率，其設備拓撲圖如圖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，發揮著重要作用。它使用GTA(基于時域)算法，最快響應時間可達≤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，還可以補償部分功率因數，減少線路損耗，具有完善的電能質量檢測功能和保護功能。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裝置使中性線電流大幅減少，從而使電氣火災隱患得以徹底消除。

4 結語

因中性線電流過大，導致中性線斷損，是造成電氣火災的重要因素，因此，必須重視和加強中性線保護。采取滿足“三功能”的中性線保護措施，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、醫院、學校、商業綜合體、酒店及賓館、充電樁等的建筑物或配電場合應大力推廣采取中性線的保護措施。