浅谈“断零”烧坏单相设备事故的防范措施

(华荣科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

三相四线配电系统回路有时会出现某相回路内单相用电设备大量烧坏的情况。有的技术人员分析是因为三相供电系统连接负载不均衡导致三相电压不平衡引起的，负载重的一相电阻小其电压最低，负载轻的一相电阻大其电压最高，导致负载轻的这一相电压的用电设备造成大量烧坏。其实不然，真正造成单相用电设备大量烧坏的更主要原因是三相四线配电系统回路的中性线(包括TT系统的中性线和TN系统的PEN线或中性线)断线引起，大家通常称之为“断零”。即在三相四线配电系统回路在不平衡负载中，当中性线从回路中断开时，三相负载构成相互串联的电路，电阻小的一相负载两端电压较低，电阻大的一相负载两端电压较高，为此，电阻大的一相负载将会发生过电压导致烧坏单相设备。

笔者在国内外石化企业现场进行防爆灯具及防爆配电箱的安装、调试指导工作时，发现了多起“断零”造成大面积灯具烧坏的情况，而且“断零”具有隐蔽性，通常认为是电压过高造成的烧坏，很难第一时间被发现，等发现时已造成大量灯具烧坏了。

1 “断零”的危害

“断零”的危害可用图1的示例进行原理分析。图1中L1相线带一盏20W白炽灯泡，L2相线带一盏200W白炽灯泡，L3相线未带负载，三相负载很不平衡。用万用表监测三相电压的电压值，若中性线未断开时，会发现L1、L2、L3三相的电压基本上没有差异。这是三相电源都是相同的220V绕组电压供电，它们的电压差异只在于三相不同负载电流产生不同的线路电压降。而按照标准规范的要求，相线和中性线上的总电压降最多不超过5%，所以仅是三相不平衡一般情况是不会烧坏某相内的用电设备的，用电设备的烧坏另有原因。

现假设白炽灯泡前的中性线因故中断，如图1所示，则20W和200W灯泡成为串联后接在一380V单相回路中，我们知道白炽灯泡基本上是个电阻性负载，其阻值R与功率P成反比，也即R∝1/P。

图1 三相四线回路“断零”后三相负载不平衡，三相电压也不平衡

因此如果200W灯泡的电阻为R，则20W灯泡的电阻为10R，这样380V电压就按1与10的比例分配在两个灯泡上。200W灯泡上的电压仅为35V，而20W灯泡上的电压则高达345V，它很快就被烧坏。为进一步分析清楚，可作图1的电压向量图，如图2所示。从图2可知三相回路相间电压仍为380V不变，负载侧的中性点由O点漂移到O′点，中性线对地电压190V(在无等电位联结作用的TN系统中，此电压可引起电击事故)，而空载的L1相电压则高达364V，三相电压极不平衡。

图2 图1中“断零”事故的电压向量分析

对于照明灯具等负载，其寿命与电压的高次方成反比。线性负载的白炽灯泡的使用寿命与施加电压U成反比，即施加在灯泡上电压越高，则灯泡的使用寿命越短。而现在照明灯具大部分是非线性负载的，由电子镇流器驱动的荧光灯、节能灯、LED灯等光源，这些光源的灯具在“断零”情况，其三相电压远比白炽灯“断零”时不平衡，而且出现瞬间阻抗变化三相之间相互争抢最高电压情况，更容易加剧灯具的大面积烧坏现象的发生。

“断零”烧单相设备的危害在于隐蔽性，因为发生“断零”后虽然单相设备使用寿命会缩短，但在这段时间内灯泡依然亮，电动机依然转，人们难以及时发现故障而进行排除，等到大量单相设备烧毁后才发觉是中性线断开引起的，这时已经为时晚也。

以下是就我们模拟使用现场220V/50Hz电压的LED灯具“断零”后，电压急剧变化造成LED灯具烧坏的测试实验的数据说明。

(1)L1、L2、L3三相分别接入三路相同功率的10盏70W的LED灯具，三相电压同步接通电源，三相电压正常基本保持平衡，L1为228V、L2为231V、L3为230V，万用表测量出的电压值见图3。

(2)随后，模拟“断零”将零线切断，此时三路LED灯具的电压出现急剧且异常变化不平衡，L1为135V、L2为282V、L3为302V，万用表测试出的电压值见图4。

(3)最后，针对最高电压的L3相的LED灯具，模拟电压超高造成LED灯具电源控制器损毁情况，逐渐减少L3相的LED灯具的点灯数量，直至L3相保留1盏LED灯具，并将L1相的LED灯具全部切断，此时三路LED灯具的电压出现更加急剧且异常变化不平衡，L1为382V、L2为19V、L3为389V，万用表测试出的电压值见图5。

图3 三相电压同步接通时电压值

图4 模拟“零断”时电压值

图5 模拟电源控制器损毁时电压值

2 “断零”烧坏单相设备事故的防范措施

不少电气设计或管理工作人员认为将PEN线或中性线(包括TT系统的中性线)作重复接地后，用大地通路代替中断的中性线作返回电源的通路，可避免烧坏设备事故。经相量分析和计算可知是不可能的。因中性线阻抗以若干毫欧姆计，而大地通路阻抗则以若干欧姆计，相差悬殊，“断零”后三相电压依然严重不平衡，只是程度稍轻一些，烧坏设备的时间长一些而已。而TT系统中性线的重复接地，部分中性线上的负载电流将经大地返回电源而成为杂散电流，这些杂散电流的产生而导致一些电气隐患。对线路首端的RCD而言，这部分杂散电流将使它误动，如图6中所示的I"。所以在TT系统中性线重复接地的供电线路上是不能装设RCD的，这样就无法在发生接地故障时切断电源或报警以实现防护。

图6 TT系统中性线重复接地引起RCD误动

如果中性线未断开，但中性线连接不良，接触电阻太大，同样也将发生类似以大地通路代替中断的中性线导致烧坏设备的故障。

欧美发达国家现时能借装用能检测三相电压不平衡的仪器或智能型断路器在三相电压不平衡超过15%时报警或切断电源的方法来防范“断零”，但这种断路器售价昂贵，加之实际操作起来麻烦，难以广泛推行应用。这些欧美发达国家也是在电气装置的设计安装中采取各种既保证安全又节省成本的措施，避免“断零”的发生来防止“断零”烧坏单相设备。例如，IEC标准规定TN系统中的PEN线只能用在固定安装的电气装置内，不论相线截面积多小，PEN线的截面积不得少于10mm2铜线，以保证其机械强度，防止“断零”现象的发生。例如一个TN-C-S系统的TN-C部分的三相四线回路的导线应用3×4mm2+1×10mm2铜线，而不应用3×4mm2+1×2.5mm2或3×4mm2+1×4mm2铜线。PEN线截面积不是相线截面积的1/3或1/2，而是2.5倍。这是因为在TN系统中如果PEN线折断，不但电气设备失去接地，导致更多的电气事故，还可能因为“断零”情况而导致大量单相设备烧坏，造成重大经济损失及严重的生产安全事故。

对于只作载流而不作保护接地线的无谐波电流成分的三相回路中的中性线，国家标准相关规定输配电系统及配电箱(柜)内当相线截面积小于或等于16mm2铜线时，中性线截面积应和相线截面积相等而不应小于相线截面积。当相线截面积大于16mm2铜线时，中性线截面积至少应为16mm2铜线。这些规定都是为了提高中性线的机械强度，减少配电系统“断零”带来的危险。如果三相回路内存在大量三次及其奇数倍谐波电流，中性线截面积有时还应大于相线截面积，但这是出于防回路绝缘的过热而非出于提高机械强度的考虑了。谐波电流能引起中性线过载，但最常见和危险的导体过载是三相四线回路中的中性线过载。过去非线性负载不多，人们不重视谐波过载的危害，认为三相四线回路中的中性线只通过三相不平衡电流，其值甚小，中性线截面积只取相线截面积的1/2甚至1/3。但在现时谐波电流特别是三次谐波电流大增的电气回路中，例如，在主要用气体放电等作照明光源的石化装置区域、电厂区域等场所的照明回路中，这一做法将造成中性线的严重过载。

过去，我国有的设计规范中曾有装设中性线断线故障保护的规定。它规定用检测TN系统中PEN线断线后电位升高的故障电压使断路器跳闸来防“断零”危险。因它需单独另设一不受其他接地极电位影响的零电位接地极来检测PEN线的电位，这在建筑物林立的城市里是难以做到的。而这种中性线断线故障保护还要求断开PEN线，这又是违反国家标准的基本安全要求的，所以这种“断零”的危害的设计规范在理论上是难以立足的，在更新的设计规范中已删除此规定。

现时，我国有的石化设计规范规定要求对石化现场使用的电子镇流器驱动荧光灯和LED光源的照明灯具，以及对电压波动比较敏感的用电设备，需要需装设过电压、欠电压功能的保护电气装置。设置当因“断零”过电压超过270V就自动切断电源。但电压达270V时超过额定电压220V的23%了，大大超过GB 50052—2009《供配电系统设计规范》规定的±5%的电压偏差限值。接近270V的过电压仍然很快烧坏单相电气设备，设置过电压、欠电压功能的保护电气装置并不能避免“断零”的单相电气设备烧坏的发生，也使得电气装置的设计、安装和管理更加复杂化，造成投入的浪费实效甚微。真正避免“断零”烧电气设备的根本解决办法仍是提高建筑电气的设计、安装和管理的整体水平。

在我国广泛采用低压三相四线供电系统的现实条件下，为防止“断零”烧单相设备事故的发生。在电气线路的设计、安装中应注意如下方面的问题。

(1)在三相四线回路中应按照国家相关标准的规定正确选择中性线和PEN线的截面积，以保证其机械强度，以保证其能承受各种工作状态产生的内部应力。

(2)采取有效措施防止线路接头承受过大的应力，避免应力过大。

(3)注意线路接头的连接质量，以保证中性线接头牢固可靠来确保的导电良好。

(4)安装在户外场所的分线箱，要规范正确安装，并定期检查，避免进水短路或进水造成生锈，避免导致中性线断开不连通。

(5)在中性线和PEN上尽量减少线路端子连接和接头，并尽量少串入开关和触头，如没有特别的需要应尽量少装用四极开关，以防因其中性线触头和接线端子接触不良而增加“断零”危险。

(6)严禁在三相四线供电系统回路的中性线上串接熔断器，以防熔断器中的熔体因种种原因熔断而造成“断零”。

3 结语

笔者以亲临国内外石化企业现场进行服务的经历，就用电环节发生“断零”的危害及如何防范对单相设备烧坏的防范，以抛砖引玉的方式，说明了“断零”是大量单相用电设备烧坏的主要原因。希望能引起同行工作者对电气装置在设计、安装、使用各环节的共同关注，在设计、安装过程中要避免发生“断零”事故的风险性，在使用中及时发现“断零”事故的隐蔽点并及时排除，提高我国用电安全水平有赖于我们广大电气工程技术人员的共同努力。