三相四线制供电系统中的中性线

郭芙琴

（延安职业技术学院 陕西 延安 716000）

在高职电工技术课程的“三相电路”的教学中，特别是非机电类的工科专业教材对中性线的解释不够全面．笔者认为，在学习三相交流电路时，不仅要熟悉三相电路中相、线电压（或电流）的关系，还要了解中性线（零线）和地线之间的区别与联系，关键是要理解中性线是如何保证负载相电压不变的作用及保护措施．以提高学生对三相电路的认识，树立正确、安全的用电意识．

1 中性线 零线和地线的区别

当发电机三相绕组的末端连在一起，这个连接点称为中性点N，也称作零点．从中性点引出的导线称为中性线，也称作零线．从三相绕组的始端引出的三根导线L1，L2和L3称为相线，也称做端线，俗称火线．如果负载中性点与大地相连，引出的导线又可称为地线．这样，从三相绕组的始端和中性点共引出四根导线，这种电源供电方式称为三相四线制电路．在这种线路中，把相线与相线之间的电压称为线电压，相线与中性线之间的电压称为相电压．它们的关系是：uL＝槡3 uP．那么，中性线、零线、地线之间有什么区别与联系呢？

1． 1 区别

中性线（零线）和地线是不同的概念．

（1）从结构上看，它们的接地点不同，零线（N）是从最近的发电机或变压器中心点接地，对地电位不一定为零，和本地的接地可能有一定的电位差；而地线（PE）使用的是电器的最近点接地，对地电位为零，且要根据具体要求重复接地．

（2）从原理上讲，零线主要应用于工作回路．由于它所产生的电压等于线阻乘以工作回路的电流，对于远距离的输电，如线电阻大于4Ω的话，零线产生的电压就不可忽视，安全措施也不可靠了．而地线不用于工作回路，只作为保护线，利用大地的绝对零电压，当设备外壳发生漏电，电流会迅速流入大地，即使PE线有开路的情况，也会从附近接地体流入大地．

通常220 V单相回路中的一根称火线（或相线），而另一根称零线（或地线），火线与地线的这种称法只是实用中的一种俗称，严格地说应该是，如果该回路的中性点接地，则称“零线”；若不接地，则应称“中性线”，以免与接地中的“地线”相混淆．简单地说，中性线和零线都是从电源的中性点引出来的导线．中性点直接接地而取得大地的参考零电位后引出来的导线叫零线；中性点没有接地引出来的导线则叫中性线；和大地接通的导线叫地线，即用电线连接一块埋入地下1 m以上的金属板．中线即此线电势处于其他线的中间或中心，而零线即此线上电压为零．

1． 2 联系

中性线和零线在三相四线制中实际上是同一根线，但对于三相线路中其中的一根相线即单相电路来说，它是提供这根相线电流的“回路”线，如果中性点在不接地系统中，它对地的电压是不为零的．中性线是指在“星形接法”的三相交流电路中，连接三根相线的一条“公共回线”，在严格地绝对对称（也称平衡）的三相交流负载中，这根中性线为零电位，也就是电压为零．但实际上多个单相负载接到三相电路中构成的三相负载不可能完全对称．为了防止负载不平衡而使中性线带电，则要将中性线接地．而接地线不是指电流回路中的线，它是一根保护线，零线接地，中性线接地，设备外壳保护接地等都是指这根线，它不参与设备的运行，正常时不提供电流的回路．零线有时会电人，当火线上有电，但设备不工作时，可能远处零线断开；从断点靠近设备一端的零线电压是220 V，即零线变为火线．

2 中性线在三相四线制供电系统中的作用

实践证明，在负载不对称的情况下又没有中性线，就形成不对称负载的三相三线制供电．但由于负载阻抗的不对称，相电流也不对称，负载相电压也自然不对称．当各相负载阻抗变化时，相电流和相电压都随之而变化，灯光会有暗有亮，其他用电器也不能正常工作．下面通过两个实例来分析和讨论中性线断开带来的危害［1］．

【例题1】求在图1中，下述两种故障情况下，各相负载上的电压．（1）L1相短路；（2）L1相短路，中性线又断开．

解：（1）当L1相短路时，短路电流很大，将L1相的熔断器熔断，因有中性线，L2相和L3相未受影响，其电压仍为电源相电压220 V．

图1 L 1相短路情形

（2）由于L1相的电灯组R1被短路，其上所加电压为零，如中性线也断开的话，此时负载的中性点N′即为L1，因此L2相电灯组R2两端的电压u2′是L1与L2间线电压，L3相电灯组R3两端的电压u3′是L3与L1间线电压，均为380 V，超出了电灯的额定电压220 V，因此L2与L3容易烧损，这是不容许的．

【例题2】求在图2中，下述两种故障情况下，各相负载上的电压．（1）L1相断路；（2）L1相断路，中性线又断开．

解：（1）当L1相断路时，因有中性线，L2相和L3相未受影响，其电压仍为电源相电压220 V．

图2 L 1相断路情形

（2）当L1相断路而中性线又断开时，L1相的电灯组R1两端的电压u1′＝0 V．此时电路成为单相电路，L2相的电灯组R2与L3相电灯组R3串联，两端的电压是L2与L3间线电压380 V，两相电流相同．至于两相电压如何分配，决定于两相的电灯组负载电阻的大小．如R2＝10Ω，R3＝20Ω，则L2相电灯组R2两端的电压u2′为127 V，低于额定电压；L3相电灯组R3两端的电压u3′为253 V，又高于额定电压．这都是不容许的．即若L2与L3相对称，各相端电压为190 V，均低于额定值220 V也不能正常工作；若L2与L3相不对称，则负载多（电阻小）的一相分压少，低于额定电压而不能正常发光，负载少（电阻大）的一相分压多，又高于额定电压也不能正常工作．

从以上两个例子可以看出，负载不对称而又没有中性线时，负载上可能得到大小不等的电压；有的超过用电设备的额定电压，有的达不到额定电压，都不能正常工作．比如，照明电路中各相负载不能保证完全对称，所以三相四线制星形连接电路中，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，使星形连接的不对称负载得到相等的相电压．为了确保中性线在运行中不断开，其上不允许接保险丝，也不允许接刀闸．

3 中性线的检测及依据

为了保证中性线不会断开，在配电线路之前必须区别火线与零线，以避免将保险丝或闸刀错接到零线上．那么，如何辨别三相四线制供电线路上的火线和零线呢？除按标准接线的色彩，即火线（L）颜色需用红、黄、绿色，零线（N）颜色需用黑、蓝色，地线颜色（PE）需用黄、绿双色线辨别以外，还可用下面两种方法来检测［2］．

3． 1 常用的方法是用验电笔来测量

在正常情况下，用验电笔的笔头与被测导线接触时，使氖管发光的是火线（端线或相线），不发光的是零线．因为一般情况下，零线上的电压为零，相序电流也为零．如普通家用照明电路中，火线与大地之间存在220 V的电压，零线与大地之间电压为零．因此火线跟零线之间也存在220 V的电压．如家中墙上插座中的两个插孔，一个插孔接的是火线，另一个插孔接的是零线，可用验电笔辨别哪个插孔接的是火线；面对三孔插座，虽然一般是左零、右火、中间地，但也要用验电笔辨别左右两根电线哪根是火线．但是进入开关的两个线头实际上是在一根火线上断开的（如进入台灯开关的两个线头），分别接在了开关的两个接线柱上，开关闭合后（即台灯发光时），用验电笔接触开关的两个接线柱时，氖管都发光．所以，千万不能把一根火线和一根零线分别接在开关的两个接线柱上，以免发生短路甚至火灾．但如果远处某一相线发生短路时，零线上可能会有大的电流，验电笔会由不亮到发光．

3． 2 利用火线与零线之间的数量关系

火线与零线之间的数量关系即uL＝槡3 uP，也可用400 V以上的交流电压表测出三相四线制供电线路上的火线和零线．在日常生活与工农业生产中，配电电压等级一般有：uL＝380 V，uP＝220 V和uL＝220 V，uP＝127 V两种．多数用户的电压等级为uL＝380 V，uP＝220 V，具体的判断方法是在四根导线A，B，C和D中，如测得uAB＝380 V，uBC＝380 V，uAC＝380 V，uAD＝220 V，uBD＝220 V，uCD＝220 V，说明A，B和C三根导线都是火线，而D是零线．但是，在不明电压等级的情况下，如果测得uAD＝220 V，uBD＝220 V，不能就此断定A，B和C三根导线都是火线，D是零线．因为也有可能uDC＝127 V．这样的话，说明A，B和D三根导线都是火线，而C却是零线．所以，在用交流电压表测火线与零线时，必须先要了解此电路的电压等级．

4 中性线的保护措施

在三相四线制线路中，由于实际存在的三相负载不平衡，以及非线性负载比例的不断增大，形成的不平衡电流及零序电流，可能引起中性线的过载、发热、甚至烧毁断线，使三相负载的工作状态遭到破坏，严重威胁各种用电设备的安全．因此，采取加强管理，合理用材，尽量平衡三相负载，以及采用必要的保护电路等防范措施，如接零与接地保护等，能有效地解决中性线意外断线和由此引发的不安全用电及火灾等问题．

4． 1 保护接零

即把电气设备在正常情况下不带电的金属部分与电网的零线紧密地连接起来．当某一相绝缘损坏使相线碰壳，外壳带电时，由于外壳采用了保护接零措施，因此该相线和零线构成回路，单相短路电流很大，足以使线路上的保护装置（如熔断器）迅速断开，从而将漏电设备与电源断开，避免人身触电．由此可见，零线上不容许装设熔断器和开关．在三相四线制的电力系统中，由于电力线路中零线可能有比较大的电流，就可能存在零线接头发热和接触不良的危险．所以，通常是把电气设备的金属外壳同时接地、接零，这就是所谓的重复接地保护措施［3］．

4． 2 中性点制度

即中性点是否接地．中性点制度大致可以分为两类，即中性点接地系统与中性点绝缘系统．而按照国际电工委员会（IEC）的规定，将低压配电系统分为IT，TT，TN三种，其中TN系统又分为TN－C，TN－S，TN－C－S三类．由以上比较可得出中性点不同运行方式下的安全措施，即中性点的绝缘运行方式和直接接地运行方式．

（1）中性点的绝缘运行方式下应做到：

1）所有用电设备都必须采用保护接地，而不允许采用保护接零；

2）中性线的机械强度应与相线相同，中性线不允许断开；

3）中性线电流不应超过变压器二次线圈额定电源的25%，三相负荷电流不应相差太大，以免影响三相电压的平衡；

4）杜绝中性线直接接地，低压配电盘必须设置三相绝缘监察设置，以便及时发现和排除低压电网中的接地故障；

5）配电变压器二次侧应加装4只避雷器，以防止雷电过电压．

（2）中性点的直接接地运行方式下应做到：1）所有用电设备在正常情况下不带电的金属部分，都必须采用保护接零与保护接地；

2）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，而另一部分则采用保护接地，但若在同一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．

3）要求中性线必须重复接地，因为在中性线断开的情况下，接零设备外壳上都带有220 V的对地电压，这也是决不允许的．

5 结论

中性线是三相电源与负载连接方式的桥梁和依据．在三相四线制供电的线路中，不论各相负载是否平衡，各相负载均可承受对称的相电压，如一相发生故障，其他两相还能正常工作．即中性线起到保证负载相电压不变的作用．对于不对称的三相负载，中性线不能去掉；而且不能在中性线上安装保险丝或开关，并要加以保护．因为只有当三相电源对称、星形连接的三相负载也对称的情况下，三相负载电流也是对称的，此时中性线无电流通过，中性线才可以去掉，即三相四线制电路就变成三相三线制这种特定的电路．但它只能向负载提供一种电压，即uL＝uP，负载只能使用线电压．如船舶交流同步发电机通常采用的是三相三线制的供电方式．

1 赵晓玲．电工与电子技术．大连：大连海事大学出版社，2007．77

2 秦曾煌．电工学简明教程．北京：高等教育出版社，1999．132

3 侯润亚．浅谈电源零线与地线．物理教学，2009（7）：35