中性线保护的必要性探析

林佳锋

(中智(福建)科技有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着国民经济发展和人民生活水平日益提高，社会用电需求不断增大，电力系统可靠性面临严峻考验，电气火灾时有发生，严重危害人民人身安全和社会经济。现代建筑供配电系统趋于规范，线路保护措施趋于完善，为什么电气火灾仍然频繁发生呢？ 通过进一步分析与研究，得到了一个初步结论：中性线断损是致灾因素，中性线电流过大是最典型现象。简单来说，就是中性线通过的电流过大，导致中性线过流长时间发热，久而久之，加速绝缘老化，引起电气损坏事故，甚至发生火灾。

1 中性线电流分析及其危害

在低压供电系统中，Y-Y带有中性线的三相四线制供电系统是最常采用，如图1所示[1]。其中线路阻抗用ZL表示，中性线阻抗用ZN表示，ZA、ZB、ZC分别为A、B、C三相负载阻抗。

图1 常见低压三相四线制供电系统

当A、B、C三相负载相同时，称为对称三相四线有中性线Y-Y系统。现取N为参考节点，则N的节点电压方程为：

由于三相负载相同，则取ZA=ZB=ZC=Z，那么：

因为UA+UB+UC=0，即UNN′=0，于是：

然而，实际上各相负载不可能完全对称，造成了各相负载电流不对称，中性线上存在随负载不对称程度增大而增大的电流。例如，在某种情况下，A相负载和B相负载上的电压已经远远超过其额定值，随时可能被烧毁或者击穿，然而C相负载上的电压却只有额定值的一半，无法使负载正常工作。所以，对于三相Y-Y接有中性线的不对称系统而言，中性线的重要性不言而喻。它保证了各个负载均能获得电源的相电压，而与其它负载无关[1]。当中性线完好时，即使出现三相负荷不平衡现象，对电压也没有太大影响。但是当中性线断开时，三相负载端电压就会产生变化，造成中性点零点电位漂移。对于负荷越小的一相，电压正偏移越大，越可能造成电气击穿而短路[2]。

此外在某些场合，中性线发热是由负载的谐波电流引起的。现代电气设备很多都包含将交流电变为直流电的整流滤波电路，然后再从直流电实现最终的做功。典型的整流电路以及流入整流电路的波形如图2所示，尽管整流电路上施加的电压是正弦波，但是流入整流电路的电流却是窄脉冲状的波形，而非正弦波。

图2 典型的整流器电路及波形

电工理论常认为当三相负荷平衡时，中性线上的电流很小，几乎为零。但是，得到这个结论的前提是三条相线上的电流是在相位上相差 120°正弦波。图3是ABC三相线上整流电路的脉冲状的电流波形。研究该波形，当电流不是正弦波而是脉冲状的波形时，A，B，C 相上的电流波形在中性线上是不会重叠的，因此也就不会产生抵消的效果[3]。同时，波形的畸变率越大，波形偏离正弦波的程度就越大。由此可见，当中性线上电流的波形变化时，会严重危害到设备运行的稳定和安全。

图3 整流电路负荷时各相导体上的电流波形

《民用建筑电气设计标准》(GB51348-2019)第7.4.5条规定，单相两线制电路及三相四线电路中，相导体截面积不大于16 mm2(铜)或25 mm2(铝/铝合金),电路中性线导体至少应和相导体具有相同截面积[4]。如果中性线的截面积与相线相同，则中性线导体的电阻与相线导体的电阻相同，若由于谐波影响，中性线电流达到相线电流的1.73倍，那么根据电阻发热的原理，中性线导体的发热量会达到相线导体的3倍(1.73的平方倍)。此时，若没有过流保护等措施，只能任凭中性线导体发热，最终或者导致中性线断开，或诱发火灾。

2 案例分析

案例一：某医院配电室T1变压器温升较高，经检测，低压配电柜柜内温度较高，不得不通过空调进行强制散热。设备长期处在较高温升环境中，电缆绝缘老化加剧，严重影响医院配电系统安全运行。 经过对该变压器总进线及回路负荷进行测试 ，其中性线电流较大，导致中性线温升较高。

案例二：某配电室T2变压器噪音较大，现场低压配电柜柜内温度较高，经现场测试，发现中性线电流较大。

案例三：某宾馆低压总进线开关多次无故障跳闸，严重影响酒店正常运营。经检测发现，其总进线回路的中性线电流较大，中性线温升较高。

在案例一中，T1变压器的负荷主要为一些非线性设备，如医疗设备、变频器、照明等。同时因为医院的运行机制，导致系统存在较为严重的用电不均衡现象，导致中性线电流极大；案例二的T2变压器的负荷主要为变频器、LED屏和节能灯等非线性设备，在使用高峰期时，负荷基本全部开启，由于其单相负荷较多和不对称运行，导致中性线电流极大；案例三中宾馆的负荷主要为变频水泵、空调和节能灯等设备，再加上酒店入住率原因，导致并存在较为严重的三相用电不均衡现象，同时非线性负荷的存在，导致中性线电流较大。

由此可见，导致中性线电流增大的主要原因是：①末端负荷三相不平衡导致中性线电流倍增；②末端负荷产生三次谐波导致中性线电流过大。谐波是由非线性负载所产生的，常见的非线性负载有LED灯、充电桩、变频空调、变频器、医疗行业的UPS、核磁共振及ICU等医疗设备。而产生三次谐波的非线性负载均为采用单相整流技术的负载，如上述的LED灯、慢速充电桩、变频空调、单相UPS。

仅2020年的1月～9月，全国共接报火灾18万起，死亡792人，受伤516人，直接财产损失25.5亿元。其中电气火灾的数量最多，占总数的31.9%，尤其是57.8%的较大火灾，也是由电气因素引起的。究其原因是电力电缆一般投入运行后甚至15年～30年不会更换，末端三相电流不平衡或末端三次谐波都会严重导致中性线电流倍增，中性线电流过流运行久而久之造成电气火灾。据资料统计，电线电缆火灾约占电气火灾的40%～60%，造成重大财产损失和人员伤亡严重事故的电气火灾中，90%因中性线电流过大久而久之引起火灾。事故在于预防，习总书记一再强调“坚持管行业必须管安全、管业务必须管安全、管生产必须管安全、血的教训极其深刻，必须牢牢记取，加强安全生产基础能力建设，坚决遏制重特大安全生产事故发生”。

3 中性线保护措施

以前解决末端谐波和三相不平衡问题时，常用方法是有源滤波技术。该技术采用瞬时无功算法或FFT，响应时间最快≤10ms，自身损耗一般≤3%；可以完全消除末端的三次谐波，但不具备消除末端三相不平衡引起的中性线电流增大问题。由此可见，简单的滤波技术，从源头上根本无法解决三相不平衡引起的中性线电流增大问题，无法消除电气火灾隐患。

中性线保护措施应尽可能满足下列“三功能”：①监测以及消除谐波及三相电流不平衡所引起的中性线过流，避免因中性线过流所导致的中性线发热，加速老化甚至发生火灾的现象；②检测线路中的三次谐波含量，超过设定值时，发出大小相等，方向相反的三次谐波与线路中的三次谐波相互抵消，以消除三次谐波；③可补偿部分功率因数，减少线路损耗，具有完善的电能质量检测功能和保护功能，并可将数据实时上传至后台，实现无人值守功能。

图4 某智能中性线保护装置设备拓扑图

目前，有了解到一种智能中性线保护装置，它具有控制减少因中性线电流过大导致电气火灾发生的概率，其设备拓扑图如图4所示。该装置在消除中性线电流过大、消除末端三次谐波问题上，发挥着重要作用。它使用GTA(基于时域)算法，最快响应时间可达≤5ms，可以完全消除因三相不平衡以及末端的三次谐波引起中性线电流增大问题。此外，该装置相较于有源滤波，还可以补偿部分功率因数，减少线路损耗，具有完善的电能质量检测功能和保护功能。在前文所列举的案例一～案例三，均可通过使用智能中性线保护装置使中性线电流大幅减少，从而使电气火灾隐患得以彻底消除。

4 结语

因中性线电流过大，导致中性线断损，是造成电气火灾的重要因素，因此，必须重视和加强中性线保护。采取满足“三功能”的中性线保护措施，对解决一些末端具有明显三相不平衡以及末端三次谐波问题，具有显著效果。建议对展览馆、博物馆、医院、学校、商业综合体、酒店及宾馆、充电桩等的建筑物或配电场合应大力推广采取中性线的保护措施。