一种三相不对称负载中性线断线保护装置的研究

张超（国网山西省电力公司，山西 太原 030000）

一种三相不对称负载中性线断线保护装置的研究

张超
（国网山西省电力公司，山西 太原 030000）

阐述了一种三相不对称负载中性线断线保护装置的研究方法。通过分析在三相不对称负载时中性线有大电流的现象，结合当前常见的几种中性线断线保护装置展开研究，提出了一种判别中性线电流是否有值来触发动作的检测方法。该方法通过试验后，在国网晋城高平供电公司的所辖供电区域内进行实测。同其他判断中性点电压漂移，差流变化等方法相比，该装置判据简单且反应灵敏，所有元件造价低，具有较高的实用和推广价值，有效解决了低压配电网系统中由于中性线断线引起电器烧损的问题，提高了供电可靠性，降低了供电投诉率。

三相不对称负载；中性线断线；保护装置

0 引言

在低压配电变压器中性点直接接地的三相四线制系统中，电源通常是对称的，但是常常会因三相负荷的不对称导致中性线始终有电流存在。由于三相负载不平衡，中性线断线往往会导致用户相电压大幅升高，影响用电设备安全。在实际运行中，配电变压器中性线接线柱至低压综合箱总保护开关处，由于外力、氧化等作用极易发生中性线断线故障，特别是在夏季雷雨大风多发的天气，中性线断线给用户和供电单位带来了严重的经济损失。因此需要考虑在低压配电柜中增设中性线断线保护装置，保证在出现中性线断线时能迅速跳开低压配电柜总开关，保证各分支线路所带用电设备安全。

1 三相不对称负载中性线电流分析

如图1所示为一个电源和负载都星星联接的不对称三相电路，其中ZA，ZB，ZC是不对称三相负载[1]。对称三相电源的中性点N和负载中性点n之间有中性线。

图1 不对称三相电路

假设中性线阻抗为0，那么每相负载上的电压一定等于该相电源的相电压，而与没相负载阻抗无关，即

式（1） 表示，三相负载上的电压是对称的，但由于三相负载不相同，所以三相电流也是不对称的。

此时的中性线电流IN为

由此可以看出，中性线的存在保证了每相负载上的电压等于电源的相电压而与负载的大小无关，如果中性线断开，将会产生中性点位移，便可能影响负载的正常工作。因此在低压配电系统中，中性线始终存在电流。据现场台区实测，在后夜负荷低谷时期，中性线电流仍然存在至少10 A以上。

2 三相不对称负载中性线断线保护装置原理

2.1 常见中性线断线保护装置原理

目前，常见的三相负载不对称中性线断线保护装置的原理主要有零序电流差动保护和过电压保护两种。

零序电流保护主要将2台变比完全相同的电流互感器分别安装在配电柜的中性线和三相线路中。当中性线完好时，TA1和TA2二次侧电流大小相等，相位相反，因为流过继电器KA的电流为0，故继电器不动作。当中性线断线后，流过继电器的电流变为三相电流之和，此时将启动继电器动作，同时发信给分励脱扣器YT，作用断路器跳闸，切断负载电源，起到保护用电设施的目的[2]。该类型保护装置造价高、接线复杂。

过电压保护主要是运用中性线断线后每相电压升高大于额定相电压时动作继电器跳主开关。当中性线完好时，三相分装的过压继电器KV等于负载相电压，且为电网额定相电压，继电器不动作。当中性线断线后，任何一相都会出现过电压，继电器动作并发信给分励脱扣器YT，作用断路器跳闸，切断负载电源[3]。该类型保护装置受三相不平衡度影响较大，在三相负载的不平衡度小于25%时，过电压保护装置动作灵敏，可以准确判断中性线断线并动作跳闸。一旦三相负载不平衡度超过25%时，每相实际电压会发生严重畸变，导致判据不好实现，出现保护装置误动作的现象[4]。

2.2 一种新型中性线断线保护装置原理

经现场台区实测，不论在何种用电环境下，低压台区单、三相用户混接的现象不可避免，由于用户的用电习惯不同，用电器不可能同时开关，导致三相负载永远不可能达到平衡状态。因此在中性线断线后，判断中性线电流的消失成为最简单有效的判据。如图2所示为本文提出的中性线断线保护装置的接线原理图。

该装置通过取L1、L3两相的相电压，经过变压器降压、整流器输出直流电压+15 V，再由7805稳压器输出为+5 V的电压为单片机提供电源。该装置在低压配电系统的中性线上装设带有电流互感器的信号监测单元，电源同样取自7805稳压器，该监测单元采集监测电压信号并输入至单片机，进行逻辑判断，发生故障时由单片机负责向执行单元发出动作信号。当执行单元接收到动作信号后，常开触点闭合，常闭触点打开，分励脱扣器得到命令，立即跳开三相联动断路器；同时，声光报警器中的常开触点闭合，报警灯闪烁，蜂鸣器发声。

图2 中性线断线保护装置的接线原理图

在单片机的逻辑判别电路中，当中性线未发生断线故障，单片机Ua（约+5 V左右） 高于Ub（约+3.5 V左右），即a点为高电平，b点为低电平，逻辑信号输出单元中开关管不导通，继电器不发出动作信号；当中性线发生断线故障，单片机中Ub（约+3.5 V左右）高于Ua（0 V左右），即b端电位升高为高电平，a端为低电平。为了防止误动，整定延时0.2 s后开关管导通，继电器得到信号，单片机的逻辑判别单元判定中性线发生断线故障，逻辑信号输出单元发出动作指令至逻辑执行单元。如图3所示为中性线断线保护装置的判据流程图。

该保护装置解决了其他装置结构复杂、信号处理不合理等缺点。其主要特点是通过判别中性线电流是否有值来判断中性线断线，发令跳开相应的开关。同其他判断中性点电压漂移，差流变化等相比，结构元件简单易行，判据简单且反应灵敏，自动化水平高，能够有效地检测中性线断线情况并对其实施保护。该装置采用常规元件和材料，成本低，工业实现方便，是一种工业上较为实用的功能完备的低压配电开关柜中性线断线保护装置，能有效减少用户的财产损失，提高供电优质服务，降低用户投诉率。

图3 中性线断线保护装置的判据流程图

3 中性线断线保护装置的应用

通过在国网高平市供电公司所辖供电区域内进行现场实测并投入应用，取得了良好的效果。

案例一：在南城办下玉井村台区配电箱出线中性线因电流过大烧断事故中，据测算，当时的三相负载不平衡度已达到35%。通过本文所述中性线断线保护装置的正确动作，避免了30余户电磁炉、电视机等家用电器的损坏。

案例二：在杨家庄供电所冯家庄台区因零线烧断的事故中，通过中性线断线保护装置的正确动作，避免了17户居民家电受损。

案例三：在唐庄供电所龙渠村台区配电箱出线零线烧断的事故中，通过中性线断线保护装置的正确动作，避免了8户电磁炉、电视机等家用电器的损坏。过去的3年时间里，国网高平供电公司共发生因中性线断线导致的用电器烧损事件约30起。

据不完全测算，该装置的投运能够为国网高平供电公司节省用电设备烧损后赔偿费用约30万元/a，具有较大的经济效益。

4 结论

通过对用户低压配电台区进行实测结果表明，将中性线断线保护装置应用于低压配电系统后，一旦发生中性线断线故障，中性线断线保护装置能及时发出保护动作信号，断开配电柜主开关，从而保护后端用电设备安全，减少居民财产损失，提高供电质量。该装置不仅解决了低压供电系统中性线断线后及时保护的难题，消除了潜在的安全隐患，避免了用电器外壳产生偏移电位对人体的触电危害，大大提高了用电的安全性[5]。

[1]江缉光，刘秀成.电路原理 [M].2.北京：清华大学出版社, 2007：274-292.

[2]张云星.TN_S低压配电线路中性线断线保护装置探讨 [J].电气安全技术，2012(8)：56-28.

[3]罗明.对三相四线制供电系统中性点电位偏移的研究 [J].电气开关，2003，41(3)：36-37.

[4]朱雪凌.三相四线制低压配电系统中零线断线过电压保护[J].华北水利水电学院学报，2004，25(3)：33-35.

[5]刘亦萍.关于中性点电位偏移的分析与防护 [J].上海第二工业大学学报，2005， (3)：31-36.

Research on Neutral Line Broken Protection Device under Three-phase Unbalanced Loads

ZHANG Chao
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030000,China）

This paper mainly expounds a research method of a neutral line broken protection device of three-phase unbalanced loads. Based on the analysis of the neutral line current phenomenon under three-phase unbalanced loads,with several common neutral line broken protection devices tolaunch the research，a detection method is proposed by judging whether the neutral line current has a value to trigger action.After test,the method is carried out in the power supply region of Gaoping Power Supply Company.Compared with other methods,such as judgment of neutral point voltage drift and differential current changes,this device is more sensitive,simpler,and lower-costing in all components so that it has a higher practical and promotional value and could effectively solve the problem of burning loss of electric appliance caused by neutral line broken in low-voltage distribution network,thus improving the reliability of power supply.

three-phase unbalanced loads;neutral line broken;protection devices

TM774+.2

A

1671-0320（2017）03-0026-03

2017-01-07，

2017-04-10

张 超（1986），男，山西吕梁人，2012年毕业于华北电力大学电气工程专业，工程师，从事县级供电企业生产经营管理、电网调控运行工作。