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

【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

在现有的低压配电系统中，供电方式广泛采用三相四线制供电系统。在三相四线制供电系统中，由于配电变压器二次侧中性点接地完好，中性线与三相线之间构成一个实用有效地整体，在三相负荷不对称系统中，中性线的存在是保证三相负荷电压降对称的基本条件。一根相线发生断线，只有该相负载供电中断，对负载的安全并不构成危害，但中性线断线，将发生中性点偏移现象，使得三相电压不能保持平衡，导致负荷侧各相电压较正常电压过高或过低，用电设备不能正常工作。目前低压系统中存在着大量不可预料的中性线断线事故。

影响低压三相四线制安全可靠供电的因素很多，其中中性线的断开是一个重要原因。中性线断线故障以导线接驳口因故障或过载烧断和意外机械刮断（因垂直布线时中性线设在最低位置而最易被刮断）居多。而近年来多次发生在城镇中偷窃导线的案件，也是中性线被偷盗最多。因三相四线垂直布线时中性线在最低位置，沿墙水平布置导线时，一般中性线在靠墙位置，因而中性线最易被剪断和偷盗，中性线对地电位很低，盗窃中性线也较盗窃相线不容易触电。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.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，三个图1三相四线制Y形连接图负荷阻抗分别为ZA、ZB、ZC，中性线的阻抗为ZN，根据节点电位法：NN’=（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：

1.1三相负荷平衡时

此时ZA=ZB=ZC，，无论ZN为何值时，都由（1）式可得NN’=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。

1.2三相负荷不平衡，中性线未断开时

此时ZA≠ZB≠ZC，所以根据（1）式NN’≠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→∞，由（1）式可得NN’≈0.此时，尽管三相负荷是不对称的，但由于NN’≈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。

1.3三相负荷不平衡且中线断开时

下面分析两种极端情况：

1.3.1设A相短路（ZA=0，→∞）

由于中性线断线则=0，由（1）式NN’==，可得则NN’≈AN，即中性点N’位移到AN处，使得AN，=0，负载ZB上的电压BN=AB，负载ZC上的电压BN=AB。即表明UAN和UBN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。

1.3.2设A相断路（ZA→∞，=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=0，由（1）式NN’= 推倒可得，因A相断路，则UAN’=0，而BN’=BN-NN’=（2），CN’=CN-NN’=（3）。由（2）式和（3）式可知，若三相负荷不对称度不太严重，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.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，且负载阻抗的不对称，导致负载的相电压不再对称，相电流也不对称，有的负载的相电压过高，有的负载相电压过低，导致负载损坏或不能正常工作。实践证明，在负载不对称的情况下又没有中性线，就会形成不对称负载的三相三线制供电。当各相负载阻抗变化时，相电流和相电压都随之而变化，导致各负载可能得到大小不等的电压，而实际三相四线制供电系统中的各相负载不能保证完全对称，所以一般情况下中性线是不允许断开的。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。

3.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）做好等电位联结。等电位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N线对地偏移电位是通过如图2中公共点JD传至PE线上的，为消除或降低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。[科]

【参考文献】

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[2]李明路.民用建筑电气设计规范.大连：大连海事出版社，2008.

[3]贾新章.电工实用教程.西安：电子科技大学出版社，2001.

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