張超（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030000）

一種三相不對稱負載中性線斷線保護裝置的研究

張超
（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030000）

闡述了一種三相不對稱負載中性線斷線保護裝置的研究方法。通過分析在三相不對稱負載時中性線有大電流的現(xiàn)象，結(jié)合當前常見的幾種中性線斷線保護裝置展開研究，提出了一種判別中性線電流是否有值來觸發(fā)動作的檢測方法。該方法通過試驗后，在國網(wǎng)晉城高平供電公司的所轄供電區(qū)域內(nèi)進行實測。同其他判斷中性點電壓漂移，差流變化等方法相比，該裝置判據(jù)簡單且反應(yīng)靈敏，所有元件造價低，具有較高的實用和推廣價值，有效解決了低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中由于中性線斷線引起電器燒損的問題，提高了供電可靠性，降低了供電投訴率。

三相不對稱負載；中性線斷線；保護裝置

0 引言

在低壓配電變壓器中性點直接接地的三相四線制系統(tǒng)中，電源通常是對稱的，但是常常會因三相負荷的不對稱導(dǎo)致中性線始終有電流存在。由于三相負載不平衡，中性線斷線往往會導(dǎo)致用戶相電壓大幅升高，影響用電設(shè)備安全。在實際運行中，配電變壓器中性線接線柱至低壓綜合箱總保護開關(guān)處，由于外力、氧化等作用極易發(fā)生中性線斷線故障，特別是在夏季雷雨大風多發(fā)的天氣，中性線斷線給用戶和供電單位帶來了嚴重的經(jīng)濟損失。因此需要考慮在低壓配電柜中增設(shè)中性線斷線保護裝置，保證在出現(xiàn)中性線斷線時能迅速跳開低壓配電柜總開關(guān)，保證各分支線路所帶用電設(shè)備安全。

1 三相不對稱負載中性線電流分析

如圖1所示為一個電源和負載都星星聯(lián)接的不對稱三相電路，其中ZA，ZB，ZC是不對稱三相負載[1]。對稱三相電源的中性點N和負載中性點n之間有中性線。

圖1 不對稱三相電路

假設(shè)中性線阻抗為0，那么每相負載上的電壓一定等于該相電源的相電壓，而與沒相負載阻抗無關(guān)，即

式（1） 表示，三相負載上的電壓是對稱的，但由于三相負載不相同，所以三相電流也是不對稱的。

此時的中性線電流IN為

由此可以看出，中性線的存在保證了每相負載上的電壓等于電源的相電壓而與負載的大小無關(guān)，如果中性線斷開，將會產(chǎn)生中性點位移，便可能影響負載的正常工作。因此在低壓配電系統(tǒng)中，中性線始終存在電流。據(jù)現(xiàn)場臺區(qū)實測，在后夜負荷低谷時期，中性線電流仍然存在至少10 A以上。

2 三相不對稱負載中性線斷線保護裝置原理

2.1 常見中性線斷線保護裝置原理

目前，常見的三相負載不對稱中性線斷線保護裝置的原理主要有零序電流差動保護和過電壓保護兩種。

零序電流保護主要將2臺變比完全相同的電流互感器分別安裝在配電柜的中性線和三相線路中。當中性線完好時，TA1和TA2二次側(cè)電流大小相等，相位相反，因為流過繼電器KA的電流為0，故繼電器不動作。當中性線斷線后，流過繼電器的電流變?yōu)槿嚯娏髦?，此時將啟動繼電器動作，同時發(fā)信給分勵脫扣器YT，作用斷路器跳閘，切斷負載電源，起到保護用電設(shè)施的目的[2]。該類型保護裝置造價高、接線復(fù)雜。

過電壓保護主要是運用中性線斷線后每相電壓升高大于額定相電壓時動作繼電器跳主開關(guān)。當中性線完好時，三相分裝的過壓繼電器KV等于負載相電壓，且為電網(wǎng)額定相電壓，繼電器不動作。當中性線斷線后，任何一相都會出現(xiàn)過電壓，繼電器動作并發(fā)信給分勵脫扣器YT，作用斷路器跳閘，切斷負載電源[3]。該類型保護裝置受三相不平衡度影響較大，在三相負載的不平衡度小于25%時，過電壓保護裝置動作靈敏，可以準確判斷中性線斷線并動作跳閘。一旦三相負載不平衡度超過25%時，每相實際電壓會發(fā)生嚴重畸變，導(dǎo)致判據(jù)不好實現(xiàn)，出現(xiàn)保護裝置誤動作的現(xiàn)象[4]。

2.2 一種新型中性線斷線保護裝置原理

經(jīng)現(xiàn)場臺區(qū)實測，不論在何種用電環(huán)境下，低壓臺區(qū)單、三相用戶混接的現(xiàn)象不可避免，由于用戶的用電習(xí)慣不同，用電器不可能同時開關(guān)，導(dǎo)致三相負載永遠不可能達到平衡狀態(tài)。因此在中性線斷線后，判斷中性線電流的消失成為最簡單有效的判據(jù)。如圖2所示為本文提出的中性線斷線保護裝置的接線原理圖。

該裝置通過取L1、L3兩相的相電壓，經(jīng)過變壓器降壓、整流器輸出直流電壓+15 V，再由7805穩(wěn)壓器輸出為+5 V的電壓為單片機提供電源。該裝置在低壓配電系統(tǒng)的中性線上裝設(shè)帶有電流互感器的信號監(jiān)測單元，電源同樣取自7805穩(wěn)壓器，該監(jiān)測單元采集監(jiān)測電壓信號并輸入至單片機，進行邏輯判斷，發(fā)生故障時由單片機負責向執(zhí)行單元發(fā)出動作信號。當執(zhí)行單元接收到動作信號后，常開觸點閉合，常閉觸點打開，分勵脫扣器得到命令，立即跳開三相聯(lián)動斷路器；同時，聲光報警器中的常開觸點閉合，報警燈閃爍，蜂鳴器發(fā)聲。

圖2 中性線斷線保護裝置的接線原理圖

在單片機的邏輯判別電路中，當中性線未發(fā)生斷線故障，單片機Ua（約+5 V左右） 高于Ub（約+3.5 V左右），即a點為高電平，b點為低電平，邏輯信號輸出單元中開關(guān)管不導(dǎo)通，繼電器不發(fā)出動作信號；當中性線發(fā)生斷線故障，單片機中Ub（約+3.5 V左右）高于Ua（0 V左右），即b端電位升高為高電平，a端為低電平。為了防止誤動，整定延時0.2 s后開關(guān)管導(dǎo)通，繼電器得到信號，單片機的邏輯判別單元判定中性線發(fā)生斷線故障，邏輯信號輸出單元發(fā)出動作指令至邏輯執(zhí)行單元。如圖3所示為中性線斷線保護裝置的判據(jù)流程圖。

該保護裝置解決了其他裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號處理不合理等缺點。其主要特點是通過判別中性線電流是否有值來判斷中性線斷線，發(fā)令跳開相應(yīng)的開關(guān)。同其他判斷中性點電壓漂移，差流變化等相比，結(jié)構(gòu)元件簡單易行，判據(jù)簡單且反應(yīng)靈敏，自動化水平高，能夠有效地檢測中性線斷線情況并對其實施保護。該裝置采用常規(guī)元件和材料，成本低，工業(yè)實現(xiàn)方便，是一種工業(yè)上較為實用的功能完備的低壓配電開關(guān)柜中性線斷線保護裝置，能有效減少用戶的財產(chǎn)損失，提高供電優(yōu)質(zhì)服務(wù)，降低用戶投訴率。

圖3 中性線斷線保護裝置的判據(jù)流程圖

3 中性線斷線保護裝置的應(yīng)用

通過在國網(wǎng)高平市供電公司所轄供電區(qū)域內(nèi)進行現(xiàn)場實測并投入應(yīng)用，取得了良好的效果。

案例一：在南城辦下玉井村臺區(qū)配電箱出線中性線因電流過大燒斷事故中，據(jù)測算，當時的三相負載不平衡度已達到35%。通過本文所述中性線斷線保護裝置的正確動作，避免了30余戶電磁爐、電視機等家用電器的損壞。

案例二：在楊家莊供電所馮家莊臺區(qū)因零線燒斷的事故中，通過中性線斷線保護裝置的正確動作，避免了17戶居民家電受損。

案例三：在唐莊供電所龍渠村臺區(qū)配電箱出線零線燒斷的事故中，通過中性線斷線保護裝置的正確動作，避免了8戶電磁爐、電視機等家用電器的損壞。過去的3年時間里，國網(wǎng)高平供電公司共發(fā)生因中性線斷線導(dǎo)致的用電器燒損事件約30起。

據(jù)不完全測算，該裝置的投運能夠為國網(wǎng)高平供電公司節(jié)省用電設(shè)備燒損后賠償費用約30萬元/a，具有較大的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

通過對用戶低壓配電臺區(qū)進行實測結(jié)果表明，將中性線斷線保護裝置應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)后，一旦發(fā)生中性線斷線故障，中性線斷線保護裝置能及時發(fā)出保護動作信號，斷開配電柜主開關(guān)，從而保護后端用電設(shè)備安全，減少居民財產(chǎn)損失，提高供電質(zhì)量。該裝置不僅解決了低壓供電系統(tǒng)中性線斷線后及時保護的難題，消除了潛在的安全隱患，避免了用電器外殼產(chǎn)生偏移電位對人體的觸電危害，大大提高了用電的安全性[5]。

[1]江緝光，劉秀成.電路原理 [M].2.北京：清華大學(xué)出版社, 2007：274-292.

[2]張云星.TN_S低壓配電線路中性線斷線保護裝置探討 [J].電氣安全技術(shù)，2012(8)：56-28.

[3]羅明.對三相四線制供電系統(tǒng)中性點電位偏移的研究 [J].電氣開關(guān)，2003，41(3)：36-37.

[4]朱雪凌.三相四線制低壓配電系統(tǒng)中零線斷線過電壓保護[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2004，25(3)：33-35.

[5]劉亦萍.關(guān)于中性點電位偏移的分析與防護 [J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005， (3)：31-36.

Research on Neutral Line Broken Protection Device under Three-phase Unbalanced Loads

ZHANG Chao
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030000,China）

This paper mainly expounds a research method of a neutral line broken protection device of three-phase unbalanced loads. Based on the analysis of the neutral line current phenomenon under three-phase unbalanced loads,with several common neutral line broken protection devices tolaunch the research，a detection method is proposed by judging whether the neutral line current has a value to trigger action.After test,the method is carried out in the power supply region of Gaoping Power Supply Company.Compared with other methods,such as judgment of neutral point voltage drift and differential current changes,this device is more sensitive,simpler,and lower-costing in all components so that it has a higher practical and promotional value and could effectively solve the problem of burning loss of electric appliance caused by neutral line broken in low-voltage distribution network,thus improving the reliability of power supply.

three-phase unbalanced loads;neutral line broken;protection devices

TM774+.2

A

1671-0320（2017）03-0026-03

2017-01-07，

2017-04-10

張 超（1986），男，山西呂梁人，2012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)，工程師，從事縣級供電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理、電網(wǎng)調(diào)控運行工作。