淺談“斷零”燒壞單相設(shè)備事故的防范措施

(華榮科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

三相四線(xiàn)配電系統(tǒng)回路有時(shí)會(huì)出現(xiàn)某相回路內(nèi)單相用電設(shè)備大量燒壞的情況。有的技術(shù)人員分析是因?yàn)槿喙╇娤到y(tǒng)連接負(fù)載不均衡導(dǎo)致三相電壓不平衡引起的，負(fù)載重的一相電阻小其電壓最低，負(fù)載輕的一相電阻大其電壓最高，導(dǎo)致負(fù)載輕的這一相電壓的用電設(shè)備造成大量燒壞。其實(shí)不然，真正造成單相用電設(shè)備大量燒壞的更主要原因是三相四線(xiàn)配電系統(tǒng)回路的中性線(xiàn)(包括TT系統(tǒng)的中性線(xiàn)和TN系統(tǒng)的PEN線(xiàn)或中性線(xiàn))斷線(xiàn)引起，大家通常稱(chēng)之為“斷零”。即在三相四線(xiàn)配電系統(tǒng)回路在不平衡負(fù)載中，當(dāng)中性線(xiàn)從回路中斷開(kāi)時(shí)，三相負(fù)載構(gòu)成相互串聯(lián)的電路，電阻小的一相負(fù)載兩端電壓較低，電阻大的一相負(fù)載兩端電壓較高，為此，電阻大的一相負(fù)載將會(huì)發(fā)生過(guò)電壓導(dǎo)致燒壞單相設(shè)備。

筆者在國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防爆燈具及防爆配電箱的安裝、調(diào)試指導(dǎo)工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了多起“斷零”造成大面積燈具燒壞的情況，而且“斷零”具有隱蔽性，通常認(rèn)為是電壓過(guò)高造成的燒壞，很難第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，等發(fā)現(xiàn)時(shí)已造成大量燈具燒壞了。

1 “斷零”的危害

“斷零”的危害可用圖1的示例進(jìn)行原理分析。圖1中L1相線(xiàn)帶一盞20W白熾燈泡，L2相線(xiàn)帶一盞200W白熾燈泡，L3相線(xiàn)未帶負(fù)載，三相負(fù)載很不平衡。用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)三相電壓的電壓值，若中性線(xiàn)未斷開(kāi)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)L1、L2、L3三相的電壓基本上沒(méi)有差異。這是三相電源都是相同的220V繞組電壓供電，它們的電壓差異只在于三相不同負(fù)載電流產(chǎn)生不同的線(xiàn)路電壓降。而按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，相線(xiàn)和中性線(xiàn)上的總電壓降最多不超過(guò)5%，所以?xún)H是三相不平衡一般情況是不會(huì)燒壞某相內(nèi)的用電設(shè)備的，用電設(shè)備的燒壞另有原因。

現(xiàn)假設(shè)白熾燈泡前的中性線(xiàn)因故中斷，如圖1所示，則20W和200W燈泡成為串聯(lián)后接在一380V單相回路中，我們知道白熾燈泡基本上是個(gè)電阻性負(fù)載，其阻值R與功率P成反比，也即R∝1/P。

圖1 三相四線(xiàn)回路“斷零”后三相負(fù)載不平衡，三相電壓也不平衡

因此如果200W燈泡的電阻為R，則20W燈泡的電阻為10R，這樣380V電壓就按1與10的比例分配在兩個(gè)燈泡上。200W燈泡上的電壓僅為35V，而20W燈泡上的電壓則高達(dá)345V，它很快就被燒壞。為進(jìn)一步分析清楚，可作圖1的電壓向量圖，如圖2所示。從圖2可知三相回路相間電壓仍為380V不變，負(fù)載側(cè)的中性點(diǎn)由O點(diǎn)漂移到O′點(diǎn)，中性線(xiàn)對(duì)地電壓190V(在無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的TN系統(tǒng)中，此電壓可引起電擊事故)，而空載的L1相電壓則高達(dá)364V，三相電壓極不平衡。

圖2 圖1中“斷零”事故的電壓向量分析

對(duì)于照明燈具等負(fù)載，其壽命與電壓的高次方成反比。線(xiàn)性負(fù)載的白熾燈泡的使用壽命與施加電壓U成反比，即施加在燈泡上電壓越高，則燈泡的使用壽命越短。而現(xiàn)在照明燈具大部分是非線(xiàn)性負(fù)載的，由電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的熒光燈、節(jié)能燈、LED燈等光源，這些光源的燈具在“斷零”情況，其三相電壓遠(yuǎn)比白熾燈“斷零”時(shí)不平衡，而且出現(xiàn)瞬間阻抗變化三相之間相互爭(zhēng)搶最高電壓情況，更容易加劇燈具的大面積燒壞現(xiàn)象的發(fā)生。

“斷零”燒單相設(shè)備的危害在于隱蔽性，因?yàn)榘l(fā)生“斷零”后雖然單相設(shè)備使用壽命會(huì)縮短，但在這段時(shí)間內(nèi)燈泡依然亮，電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)，人們難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行排除，等到大量單相設(shè)備燒毀后才發(fā)覺(jué)是中性線(xiàn)斷開(kāi)引起的，這時(shí)已經(jīng)為時(shí)晚也。

以下是就我們模擬使用現(xiàn)場(chǎng)220V/50Hz電壓的LED燈具“斷零”后，電壓急劇變化造成LED燈具燒壞的測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)說(shuō)明。

(1)L1、L2、L3三相分別接入三路相同功率的10盞70W的LED燈具，三相電壓同步接通電源，三相電壓正?；颈３制胶?，L1為228V、L2為231V、L3為230V，萬(wàn)用表測(cè)量出的電壓值見(jiàn)圖3。

(2)隨后，模擬“斷零”將零線(xiàn)切斷，此時(shí)三路LED燈具的電壓出現(xiàn)急劇且異常變化不平衡，L1為135V、L2為282V、L3為302V，萬(wàn)用表測(cè)試出的電壓值見(jiàn)圖4。

(3)最后，針對(duì)最高電壓的L3相的LED燈具，模擬電壓超高造成LED燈具電源控制器損毀情況，逐漸減少L3相的LED燈具的點(diǎn)燈數(shù)量，直至L3相保留1盞LED燈具，并將L1相的LED燈具全部切斷，此時(shí)三路LED燈具的電壓出現(xiàn)更加急劇且異常變化不平衡，L1為382V、L2為19V、L3為389V，萬(wàn)用表測(cè)試出的電壓值見(jiàn)圖5。

圖3 三相電壓同步接通時(shí)電壓值

圖4 模擬“零斷”時(shí)電壓值

圖5 模擬電源控制器損毀時(shí)電壓值

2 “斷零”燒壞單相設(shè)備事故的防范措施

不少電氣設(shè)計(jì)或管理工作人員認(rèn)為將PEN線(xiàn)或中性線(xiàn)(包括TT系統(tǒng)的中性線(xiàn))作重復(fù)接地后，用大地通路代替中斷的中性線(xiàn)作返回電源的通路，可避免燒壞設(shè)備事故。經(jīng)相量分析和計(jì)算可知是不可能的。因中性線(xiàn)阻抗以若干毫歐姆計(jì)，而大地通路阻抗則以若干歐姆計(jì)，相差懸殊，“斷零”后三相電壓依然嚴(yán)重不平衡，只是程度稍輕一些，燒壞設(shè)備的時(shí)間長(zhǎng)一些而已。而TT系統(tǒng)中性線(xiàn)的重復(fù)接地，部分中性線(xiàn)上的負(fù)載電流將經(jīng)大地返回電源而成為雜散電流，這些雜散電流的產(chǎn)生而導(dǎo)致一些電氣隱患。對(duì)線(xiàn)路首端的RCD而言，這部分雜散電流將使它誤動(dòng)，如圖6中所示的I"。所以在TT系統(tǒng)中性線(xiàn)重復(fù)接地的供電線(xiàn)路上是不能裝設(shè)RCD的，這樣就無(wú)法在發(fā)生接地故障時(shí)切斷電源或報(bào)警以實(shí)現(xiàn)防護(hù)。

圖6 TT系統(tǒng)中性線(xiàn)重復(fù)接地引起RCD誤動(dòng)

如果中性線(xiàn)未斷開(kāi)，但中性線(xiàn)連接不良，接觸電阻太大，同樣也將發(fā)生類(lèi)似以大地通路代替中斷的中性線(xiàn)導(dǎo)致燒壞設(shè)備的故障。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)時(shí)能借裝用能檢測(cè)三相電壓不平衡的儀器或智能型斷路器在三相電壓不平衡超過(guò)15%時(shí)報(bào)警或切斷電源的方法來(lái)防范“斷零”，但這種斷路器售價(jià)昂貴，加之實(shí)際操作起來(lái)麻煩，難以廣泛推行應(yīng)用。這些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也是在電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝中采取各種既保證安全又節(jié)省成本的措施，避免“斷零”的發(fā)生來(lái)防止“斷零”燒壞單相設(shè)備。例如，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TN系統(tǒng)中的PEN線(xiàn)只能用在固定安裝的電氣裝置內(nèi)，不論相線(xiàn)截面積多小，PEN線(xiàn)的截面積不得少于10mm2銅線(xiàn)，以保證其機(jī)械強(qiáng)度，防止“斷零”現(xiàn)象的發(fā)生。例如一個(gè)TN-C-S系統(tǒng)的TN-C部分的三相四線(xiàn)回路的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用3×4mm2+1×10mm2銅線(xiàn)，而不應(yīng)用3×4mm2+1×2.5mm2或3×4mm2+1×4mm2銅線(xiàn)。PEN線(xiàn)截面積不是相線(xiàn)截面積的1/3或1/2，而是2.5倍。這是因?yàn)樵赥N系統(tǒng)中如果PEN線(xiàn)折斷，不但電氣設(shè)備失去接地，導(dǎo)致更多的電氣事故，還可能因?yàn)椤皵嗔恪鼻闆r而導(dǎo)致大量單相設(shè)備燒壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。

對(duì)于只作載流而不作保護(hù)接地線(xiàn)的無(wú)諧波電流成分的三相回路中的中性線(xiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定輸配電系統(tǒng)及配電箱(柜)內(nèi)當(dāng)相線(xiàn)截面積小于或等于16mm2銅線(xiàn)時(shí)，中性線(xiàn)截面積應(yīng)和相線(xiàn)截面積相等而不應(yīng)小于相線(xiàn)截面積。當(dāng)相線(xiàn)截面積大于16mm2銅線(xiàn)時(shí)，中性線(xiàn)截面積至少應(yīng)為16mm2銅線(xiàn)。這些規(guī)定都是為了提高中性線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度，減少配電系統(tǒng)“斷零”帶來(lái)的危險(xiǎn)。如果三相回路內(nèi)存在大量三次及其奇數(shù)倍諧波電流，中性線(xiàn)截面積有時(shí)還應(yīng)大于相線(xiàn)截面積，但這是出于防回路絕緣的過(guò)熱而非出于提高機(jī)械強(qiáng)度的考慮了。諧波電流能引起中性線(xiàn)過(guò)載，但最常見(jiàn)和危險(xiǎn)的導(dǎo)體過(guò)載是三相四線(xiàn)回路中的中性線(xiàn)過(guò)載。過(guò)去非線(xiàn)性負(fù)載不多，人們不重視諧波過(guò)載的危害，認(rèn)為三相四線(xiàn)回路中的中性線(xiàn)只通過(guò)三相不平衡電流，其值甚小，中性線(xiàn)截面積只取相線(xiàn)截面積的1/2甚至1/3。但在現(xiàn)時(shí)諧波電流特別是三次諧波電流大增的電氣回路中，例如，在主要用氣體放電等作照明光源的石化裝置區(qū)域、電廠(chǎng)區(qū)域等場(chǎng)所的照明回路中，這一做法將造成中性線(xiàn)的嚴(yán)重過(guò)載。

過(guò)去，我國(guó)有的設(shè)計(jì)規(guī)范中曾有裝設(shè)中性線(xiàn)斷線(xiàn)故障保護(hù)的規(guī)定。它規(guī)定用檢測(cè)TN系統(tǒng)中PEN線(xiàn)斷線(xiàn)后電位升高的故障電壓使斷路器跳閘來(lái)防“斷零”危險(xiǎn)。因它需單獨(dú)另設(shè)一不受其他接地極電位影響的零電位接地極來(lái)檢測(cè)PEN線(xiàn)的電位，這在建筑物林立的城市里是難以做到的。而這種中性線(xiàn)斷線(xiàn)故障保護(hù)還要求斷開(kāi)PEN線(xiàn)，這又是違反國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基本安全要求的，所以這種“斷零”的危害的設(shè)計(jì)規(guī)范在理論上是難以立足的，在更新的設(shè)計(jì)規(guī)范中已刪除此規(guī)定。

現(xiàn)時(shí)，我國(guó)有的石化設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定要求對(duì)石化現(xiàn)場(chǎng)使用的電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)熒光燈和LED光源的照明燈具，以及對(duì)電壓波動(dòng)比較敏感的用電設(shè)備，需要需裝設(shè)過(guò)電壓、欠電壓功能的保護(hù)電氣裝置。設(shè)置當(dāng)因“斷零”過(guò)電壓超過(guò)270V就自動(dòng)切斷電源。但電壓達(dá)270V時(shí)超過(guò)額定電壓220V的23%了，大大超過(guò)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的±5%的電壓偏差限值。接近270V的過(guò)電壓仍然很快燒壞單相電氣設(shè)備，設(shè)置過(guò)電壓、欠電壓功能的保護(hù)電氣裝置并不能避免“斷零”的單相電氣設(shè)備燒壞的發(fā)生，也使得電氣裝置的設(shè)計(jì)、安裝和管理更加復(fù)雜化，造成投入的浪費(fèi)實(shí)效甚微。真正避免“斷零”燒電氣設(shè)備的根本解決辦法仍是提高建筑電氣的設(shè)計(jì)、安裝和管理的整體水平。

在我國(guó)廣泛采用低壓三相四線(xiàn)供電系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)條件下，為防止“斷零”燒單相設(shè)備事故的發(fā)生。在電氣線(xiàn)路的設(shè)計(jì)、安裝中應(yīng)注意如下方面的問(wèn)題。

(1)在三相四線(xiàn)回路中應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定正確選擇中性線(xiàn)和PEN線(xiàn)的截面積，以保證其機(jī)械強(qiáng)度，以保證其能承受各種工作狀態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。

(2)采取有效措施防止線(xiàn)路接頭承受過(guò)大的應(yīng)力，避免應(yīng)力過(guò)大。

(3)注意線(xiàn)路接頭的連接質(zhì)量，以保證中性線(xiàn)接頭牢固可靠來(lái)確保的導(dǎo)電良好。

(4)安裝在戶(hù)外場(chǎng)所的分線(xiàn)箱，要規(guī)范正確安裝，并定期檢查，避免進(jìn)水短路或進(jìn)水造成生銹，避免導(dǎo)致中性線(xiàn)斷開(kāi)不連通。

(5)在中性線(xiàn)和PEN上盡量減少線(xiàn)路端子連接和接頭，并盡量少串入開(kāi)關(guān)和觸頭，如沒(méi)有特別的需要應(yīng)盡量少裝用四極開(kāi)關(guān)，以防因其中性線(xiàn)觸頭和接線(xiàn)端子接觸不良而增加“斷零”危險(xiǎn)。

(6)嚴(yán)禁在三相四線(xiàn)供電系統(tǒng)回路的中性線(xiàn)上串接熔斷器，以防熔斷器中的熔體因種種原因熔斷而造成“斷零”。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者以親臨國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行服務(wù)的經(jīng)歷，就用電環(huán)節(jié)發(fā)生“斷零”的危害及如何防范對(duì)單相設(shè)備燒壞的防范，以?huà)伌u引玉的方式，說(shuō)明了“斷零”是大量單相用電設(shè)備燒壞的主要原因。希望能引起同行工作者對(duì)電氣裝置在設(shè)計(jì)、安裝、使用各環(huán)節(jié)的共同關(guān)注，在設(shè)計(jì)、安裝過(guò)程中要避免發(fā)生“斷零”事故的風(fēng)險(xiǎn)性，在使用中及時(shí)發(fā)現(xiàn)“斷零”事故的隱蔽點(diǎn)并及時(shí)排除，提高我國(guó)用電安全水平有賴(lài)于我們廣大電氣工程技術(shù)人員的共同努力。