变压器中性线在三相四线制供电系统中的作用和保护

变压器中性线在三相四线制供电系统中的作用和保护

杜凯1杨磊2马倩1张瑾1李玉龙1

（1.国网天津静海供电有限公司；2.国网天津电科院）

摘要：变压器中性线在三相四线制系统中，特别当三相负荷不对称时，是保证三相负荷电压降对称的基本条件，其作用在于使三相四线制星形连接的不对称负载得到相等的相电压。当中性线断线后会造成负载因电压过低无法正常工作或因电压过高而烧毁，甚至危害人身安全，所以必须尽可能的保证三相四线低压供电系统中主干零线的安全可靠，在实际工作中为防止主干零线断线故障的发生，必须采取多种安全可靠的防护措施。

关键词：三相四线制系统；中性线；断线；影响；作用；保护措施

一、引言

在目前的农村供电系统和城乡低压电网中，大部分供电方式采用380V/220V三相四线制低压供电系统，采用星形接法，使得配电变压器二次侧形成良好接地，三相线与中性线之间形成完整的回路。在这种低压供电系统中，同时存在着单相负荷和三相动力负荷，形成混合式的三相四线制低压供电系统，会产生单相负荷的分配及分配不平衡的问题。

我们知道，一般从变压器低压侧出来的三相电压是对称的，中性点为零电位.如果三相负载平衡，中性线中的电流应为零或电流很小，而实际上，照明线路中的三相负载是不平衡的，即使三相负载分配比较平衡，但由于负载开启的时间不同、开多开少不同，也会造成三相负载不平衡，而不平衡电流只能通过中性线返回变压器。因此，在三相四线制系统中，中性线不仅存在不平衡电流，而且有时会很大。所以在负载端，中性点的电位将发生偏移，也就造成了三相负载电压的不平衡。如果中性线断开，中性点电位偏移将更加严重。对于单相相线出现断线时，只会中断该相负载供电，并不构成负载的用电危害，但如果中性线断线，负载中性点将随着负载阻抗的不平衡引起中性点偏移现象，导致负荷侧单相电压较正常电压过高或过低，从而烧毁单相设备或导致部分设备不能正常工作。

在平时生活用电过程中，对低压三相四线制安全可靠供电的影响，具有多种因素，其中一个重要原因就是中性线的断线，因此研究中性线断开对供电产生的影响也是十分必要的[1]-[4]。

二、中性线对电路运行的影响

设三相四线制Y形连接负荷如图1所示，

三个负荷阻抗分别为ZA、ZB、ZC，中性线的阻抗为ZN，根据节点电位法：UNN’=-(IA+IB+IC)ZN=(1/3)(IAZA+IBZB+ICZC)(1)

从向量关系可以得知N点和N’点不重合，这一现象称为中性点位移。在电源UAN、UBN、UCN对称情况下，对（1）式进行分析如下：

1.三相负荷平衡时

此时ZA=ZB=ZC，，无论ZN为何值时，都由（1）式可得UNN’=0，所以IN=0即中性线没有电流通过，此时中性线存在与否不影响负荷的工作状况。

2.三相负荷不平衡，中性线未断开时

此时ZA≠ZB≠ZC，所以根据（1）式UNN’≠0，但此时的中性线未断开，可以采取减小中性线阻抗的方法，使ZN→0，则IN→∞，由（1）式可得UNN’≈0.此时，尽管三相负荷是不对称的，但由于UNN’≈0，各相的工作状态互不影响，各相保持独立，不存在三相负载电压的偏移。

3.三相负荷不平衡且中性线断开时

下面分析两种极端情况：

（1）设A相断路（ZA→∞，IA=0）

这是比较容易发生的一种情况，一是A相负荷开关断开；二是A相输电线断线。由于中性线断线则IN=0，又因A相断路，则IA=0，而UBN’=UBN-NN’=UBN-UCN+ICZC（2），UCN’=UCN-NN’=UCN-UBN+IBZB（3），即相当于ZB、ZC依阻抗大小分线电压。可知，若三相负荷不对称程度不太严重，势必造成B、C两相电压低于原相电压，负荷将不能正常工作，若三相负荷不对称度比较严重，则会导致一相电压较高会损坏负荷，一相电压较低，负荷不能正常工作。

（2）设A相短路（ZA=0，IA→∞）

由于中性线断线则IN=0，则UAN’=0，可得UNN’≈UAN，即中性点N’位移，负载ZB上的电压UBN’=UBA，负载ZC上的电压UCN’=UCA。即表明UBN’和UCN’两个相电压升高为线电压，直接导致B相与C相上的负荷将因电压过高，电流过大而损坏。

三、中性线在电路运行中的作用

由中性线对电路运行的影响分析可得，当中性线正常时，负载的相电压总是等于电源电压的相电压，从而保持对称，这里中性线起着迫使负载相电压对称和不变的作用。因此，当中性线的阻抗趋向于零时，即使负载不对称，但各相的负载电压仍然是对称的，各相负载的工作状态互不影响，各相保持独立，即使其中一相或两相负载出了故障，另外的非故障相的负载仍可以正常工作。只是与三相对称负载不同的地方就是各相电流不再对称，导致中性线内有电流流过，所以中性线不能去掉。当中性线因故障断开时，这时虽然电源电压仍然对称，但由于没有中性线，且具有不对称的负载阻抗，导致负载的相电压不再对称，相电流同时也不对称，有的负载的相电压过高，有的负载的相电压过低，导致负载损坏或不能正常工作。就是因为当中性线存在时，负载的相电压对称总是等于电源电压的相电压，这里中性线起着迫使负载相电压对称和不变的作用。因此，当中性线的阻抗等于零时，即使负载不对称，但各相的负载电压仍然是对称的，各相负载的工作彼此独立，互不影响，即使某一相负载出了故障，另外的非故障的负载照常可以正常工作。只是与对称负载不同的地方就是各相电流不再对称，中性线内有电流存在，所以中性线不能去掉。当中性线因故障断开了，这时虽然电压仍然对称，但由于没有中性线，负载的相电压不对称了，造成有的负载的相电压偏高，有的负载相电压偏低，可能使有的负载因电压偏高而损坏，有的负载因电压偏低而不能正常工作。

即中性线的作用就在于，使三相四线制星形连接的不对称负载得到相等的相电压。

四、中性线的保护措施

由中性线对电路运行的影响分析可知，当中性线断线后会造成负载无法正常工作或因电压过高而烧毁，甚至发生触电的危险事故危害人身安全，所以必须尽可能的保证三相四线低压供电系统中主干零线的安全可靠，在实际工作中为防止主干零线断线故障的发生，必须采取安全可靠的防护措施：

（1）在三相四线制低压供电系统中，尽可能调整三相用电负荷平衡。由中性线对电路运行影响分析可知，当三相负荷平衡时，不管中性线断开与否，都不影响各相负载的工作状态。

（2）适当放大中性线的横截面积。在三相四线低压供电系统中中性线的横截面积应为相线横截面积的一半以上，单相供电回路，中性线横截面积应与相线横截面积相同。适当放大中性线横截面积的目的一是保证中性线上在通过大电流时，不会应发热而烧毁，其次是保证在架空线路中有足够的机械强度。

（3）注意中性线连接点的质量，应连接牢固可靠，并能抗氧化腐蚀。在中性线上应尽量减少线路端子的接头，在不得不存在的连接点处，应连接牢固可靠，尽可能降低接触电阻，避免应中性线电流过大而烧毁接头使中性线断线。在中性线连接点处应设置铜母线作为连接端子，并对铜母线及其连接的导线端子作镀层处理，提高中性线连接点处的抗氧化腐蚀能力。

（4）中性线应重复接地。为降低中性线断线出现的风险和减少中性线断线后带来的危险，低压配电线路除变压器二次侧中性点集中接地外，应在干线或分支端处以及沿线按规程要求每个1km处辅助接地。

（5）做好等电位的联结。等电位的联结是最基本的保护措施，对于TN-C-S接地型配电系统，由于中性线断线后，其负荷侧中性线对地偏移电位是通过如图2中公共点JD传至PE线上的，为去除或降低PE线上的对地偏移电压，在图2中的JD点处进行总等电位联结后，即可满足要求。

（6）绝对不允许在三相四线制回路的中性线上串接熔断器或安装单独开关装置，以防种种原因导致中性线在此处断开。

（7）在三相四线制的同一低压配电系统中，保护接零和保护接地不能混用，即一部分采用保护接零，而另一部分采用保护接地，但若在同一台设备上同时采用保护接零和保护接地则是允许的，因为其安全效果更好。

参考文献

[1]赵树坤，杨博，杨开峰.配电线路中性线断线的原因及危害[J].电子测试，2015.

[2]王勇，李志勇，王永忠，等.实现三相四线制供电系统中性线断线保护智能装置的研究[J].低压电器，2011.

[3]沈志平,沈龙杰.低压配电系统中工作中性线带电的分析[J],农村电工,2015

[4]薛福连.一起中性线带电事故分析[J].农村电工,2013.