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郑俊观，林连宗，刘克桓，李国静
（承德应用技术职业学院 智能制造系，河北承德 067060）
我国220/380 V低压配电系统广泛采用TN系统接地形式，这种接地形式的系统又分为TN-C系统、TN-C-S 系统和TN-S 系统。其中，TN-C 系统中N 线（中性线）和PE 线（保护线）全部合并成一根PEN 线（保护中性线）；
TN-S 系统中N 线和PE 线全程分开；
TN-C-S 系统中前面一部分N 线和PE 线合并成一根PEN 线，后面N 线和PE 线分开。中性线俗称零线，作用有三：一是给220 V 额定电压的单相设备供电；
二是传递三相不平衡负载的不平衡电流和单相设备电流；
三是保证三相不平衡负载相电压对称，减少中性点电位偏移。
在三相四线制供电系统中N 线或PEN 线因故断开的现象俗称断零［1］。一旦发生断零事故，就可能烧毁单相设备，造成用户经济损失。为此，许多研究人员围绕断零事故引发单相设备烧毁现象进行了大量的研究，并提出了防范断零事故的措施［1-3］。本文在相关文献的基础上，对断零事故的危害进行了总结；
然后通过理论推导、仿真验证等对断零事故的机理进行了分析；
最后对断零事故的防范措施进行了总结与归纳。
在三相四线制的低压配电系统中，当三相负载不平衡发生断零事故时，断零事故点后面的三相线路中每相负载的电压不再对称，中性点发生偏移，从而引发一系列电气危害：
（1）单相设备烧毁或不能正常工作。采用三相四线制供电且三相负载十分不平衡时，断零事故会造成某相负载上的电压过高，降低电气设备使用寿命，严重情况下可能会烧毁单相设备；
同时也造成某相负载上的电压过低，导致电气设备无法正常工作［2-3］。
（2）引发人体电击事故。断零事故发生后，中性点将发生零点漂移，与PEN 线或PE 线连接的设备金属外壳对地电压升高，如果没有室内等电位联结，则人体一旦接触到带电的设备外壳就会发生触电（在干燥场所人体接触到超过50 V 电压时将造成电击事故发生）。
（3）引发电气火灾。对于额定电压220 V 的电气设备，当两个导体之间所加电压超过250 V时可能发生爬电起火，造成电气火灾。当低压配电系统发生断零事故后，单相设备所承受电压往往大于250 V，就不可能排除爬电起火引发电气火灾的可能。
（4）造成一些保护电器不能正常工作，从而失去保护功能。我国目前一般采用电子式剩余电流保护器（residual current protective device，RCD）进行人身电击防护，由于电子式RCD 采用回路电压的能量动作，当回路电压过低或失压时电子式RCD 将会拒动，从而失去保护功能。另外，信息技术设备的配电线路为了防止过电压，如雷电过电压、操作过电压等对其损害，往往需要在相线、中性线与PE 线之间安装浪涌保护器（surge protective device，SPD）。系统正常工作时，SPD 对地呈高阻抗，当线路出现过电压时，SPD 呈低阻抗，相当于对地短路，将过电压对地释放，从而起到保护信息设备的作用。在防雷规范中SPD持续工作电压Uc一般选择相电压的1.15倍，当断零事故使SPD 承受的电压大于持续电压，且持续时间较长，将会导致SPD烧毁报废。
低压配电系统断零事故发生的原因主要有3类：第一类为外力作用导致中性线或PEN 线断开，比如风力作用刮断的树枝正好压在中性线或PEN 线上导致其断开；
第二类为中性线上某一连接点未连接好导致松动断开，比如滥用4级开关，中性线触头由于磨损导致压力不足，造成中性线断开，或者中性线或PEN 线导线接头处连接不牢固，未按照规范进行处理；
第三类为中性线或PEN线截面太小，当通过的电流大于其载流量时，会产生熔断开路。前两类原因比较容易理解，本文主要讨论第三类原因。
2.1 中性点偏移电压理论分析
三相四线制供电示意图如图1所示。
图1中ZA、ZB、ZC分别表示A相负载、B相负载和C 相负载的阻抗，ZLN表示中性线导体阻抗。根据节点电压法［4］，由公式（1）可以计算出电源中性点N和负载中性点N′之间存在的偏移电压UNN′。
下面针对中性线及三相负载的不同情况进行讨论。
（1）中性线未断开，若负载为三相平衡负载，即ZA=ZB=ZC，此时无论ZLN为何值，UNN′=0、IN=0，不会存在中性点偏移现象。
（2）中性线未断开，若负载为三相不平衡负载，如果此时中性线的阻抗ZLN为0，即中性线为理想导体，1/ZLN=∞，根据式（1），可知UNN′=0。实际中性线导体会存在一定的阻值，此时每相负载都是相电压进行供电，各相负载上的电压差别不大，其差别主要是由线路上压降造成的。《低压配电设计规范（GB50054—2011）》［5］规定线路压降一般不超过5%，所以有中性线存在时，三相不平衡负载上电压仍基本保持对称，不会发生烧毁单相设备、电气火灾及人体电击等事故。
（3）中性线断开，若负载为三相平衡负载，有UNN′=0、IN=0，不会存在中性点偏移现象。说明三相负载为三相平衡负载时，有无中性线都不会引发中性点偏移，但是在实际中很难做到将单相负载平均分配到三相成为三相平衡负载。
（4）中性线断开，若负载为三相不平衡负载，此时UNN′≠0，中性点发生偏移，中性点偏移电压取决于负载的不平衡程度。负载的不平衡程度越大，中性点偏移电压UNN′越大。
2.2 中性点偏移电压与三相负载的关系
图2 为TN-S 系统断零供电示意图，UA、UB、UC分别表示三相电源的电压，ZA、ZB、ZC分别表示每相负载的阻抗，ZLN表示中性线的阻抗。
假设图2 中每相负载的功率因数都相同，但是三相负载的阻抗值不同。如果A相负载阻抗值最大，令A 相负载阻抗值为额度阻抗ZN，三相负载的视在功率分别为SA、SB、SC。定义B 相、C 相负载的不平衡度分别为KB=（SA-SB）/SA、KC=（SA-SC）/SA，由于三相负载的功率因数相等，则
将式（2）代入式（1），可得
假设中性线从c 点断开，三相负载均发生了断零事故，等效电路如图3所示。
如A 相、B 相、C 相负载电压分别用UZA、UZB、UZC表示，此时ZLN=∞，则
当KB=0.4、KC=0.8 时，各相负载电压及中性点偏移电压相量如式（8）所示，相量图如图4所示。
从式（8）与图4 可知，当中性线断开且三相负载越不平衡，中性点偏移电压越严重，表现为中性点向功率大的相偏移，导致功率小的单相负载承受电压大，该相设备可能因电压偏高而烧毁；
功率大的单相负载承受电压小，该相设备可能因电压低而不能正常工作。即在三相不平衡负载中，某些相过电压必然同时引起其他相发生欠电压，即过电压和欠电压同时产生。
假设中性线从图2 中的b 点断开，其等效电路如图5 所示。由于断线点之前的A 相负载无影响，A 相设备可以正常工作，但b 点之后的B 相和C相的单相负载受到了影响，发生了断零事故。
设三相负载功率因数相同，C 相负载ZC为额定阻抗ZN，定义B 相负载的不平衡度为KB=1-ZC/ZB，则B 相负载、C 相负载上的电压UZB、UZC计算公式如下：
中性点偏移电压UNN′为
当KB=0.6 时，各相负载上电压及中性点偏移电压相量如式（12）所示，相量图如图6所示。
当B 相负载不平衡系数KB从0 增加到1 时，负载不平衡系数KB与中性点偏移电压UNN′的关系曲线如图7所示。
由式（12）可知，发生断零事故后只有两相单相负载时，中性点偏移电压至少为相电压的一半以上。由图7 可知，随着三相负载不平衡程度增大，中性点的偏移电压增大。当中性点偏移电压远大于人体安全电压时，极易引发电气火灾和人身电击等事故发生。比较式（8）、式（12）可知，b点断开时的中性点偏移电压远大于c点，所以b点发生断零事故后所引发的危险远大于c 点发生断零事故所引发的危险。
当中性线从图2 的a 点断开，断线点a 之前的单相负载可以正常工作，a之后的C相负载未与电源形成闭合回路，负载中没有电流无法正常工作。由此可知，给单相设备供电的单相二线制线路发生断零事故后只会造成单相设备无法工作，不会存在单相设备烧毁的风险。
根据图1 的三相四线制供电示意图，在MATLAB/simulink中搭建其断零仿真模型如下：
（1）为研究三相负载不平衡情况下断零事故发生前后负载波形的变化情况，设置A 相、B 相、C相的负载功率分别为1 000 W、1 500 W、2 000 W，仿真时间0.3 s，开关从0.15 s 由闭合状态变成打开状态模拟断零事故的发生。仿真模型如图8所示，三相负载上仿真波形如图9所示。
由图9 可知，在仿真开始的0~0.15 s 中性线未断开时，三相负载上的电压波形满足幅值相等、频率相同和相位互差120°的条件；
在0.15~0.30 s 中性线断开后，明显可以看出三相负载波形的幅值不再相等，且功率越小的负载其电压波形幅值就越大，与理论计算结果一致。
（2）为研究三相负载不平衡程度与中性点偏移电压的关系，搭建图10所示的仿真模型。仿真时间为0.3 s，分3种情况设置A相、B相、C相三相负载的功率：第一种情况，A 相、B 相、C 相三相负载的功率分别为1 000 W、1 500 W、2 000 W，仿真结果如图11 所示；
第二种情况，A 相、B 相、C 相三相负载的功率分别为500 W、1 000 W、2 000 W，仿真结果如图12 所示；
第三种情况，A 相、B 相、C相三相负载的功率分别为100 W、500 W、2 000W，仿真结果如图13 所示。每相负载电压和中性点偏移电压的3次仿真结果如表1所示。
从图11~图13 和表1 可知，三相负载不平衡程度越大，中性点偏移电压就越大。三相负载不平衡程度严重时，某些相负载承受较大过电压，易烧毁单相设备；
其他相承受欠电压，可能导致不能正常工作。当中性点偏移电压远大于人体安全电压时，极易引发电气火灾和人身电击等事故。
在三相四线制低压配电系统中断零事故的发生具有隐蔽性。断零事故发生后，不仅会烧毁单相设备，给用户带来经济损失，同时也造成一些保护电器不能正常工作，严重情况下会引发电气火灾、人身电击等事故。因此，在日常工作中一定要尽量避免断零事故的发生。在三相四线制低压配电系统中，当负载为三相平衡负载时，无论是否存在中性线，负载侧中性点都不会存在中性点偏移的现象；
当负载为三相不平衡负载时，由于中性线的存在，三相不平衡负载上电压仍基本保持对称。因此，在三相四线制低压配电系统中一定要尽量保持三相负载的平衡，特别是在三相四线制低压配电系统的设计阶段一定要尽力将单相设备平均分配到三相电源上。
由于三相负载不平衡且中性线断开时，中性点向功率大的相偏移，导致某些相发生过电压同时其他相必然发生欠电压，且功率越小的相承受电压越大。因此，为了防范断零事故发生，需要采用源头控制措施，按照《低压配电设计规范（GB50054—2011）》［5］要求选择恰当的中性线导体和PEN 导体截面；
在设备安装阶段，在严格保证施工质量，保证中性线不能承受过大的应力并尽量减少接头数量（在必须接头的时候要保证接头的质量，确保中性线接头处具有良好的机械强度与导电性；
铝线与铜线连接时要采用铜铝过渡线夹，避免电腐蚀，导致接触不良），同时中性线上要慎用4 级开关，PEN 线上严禁接入开关、熔断器等器件；
另外还要定期检查线路及配电设备，重点检查中性线上接头及触点情况，保证触头接触良好、导线接头连接可靠。在城市棚户区、农村等存在大量架空线的场合，可按照《住宅建筑电气设计规范（JGJ242—2011）》［6］对每套住宅设置自恢复式过、欠压保护器；
同时可将建筑物内做成等电位联结，有效减少电气火灾、人身电击等事故发生，提高系统的安全性。
