断线保护装置对人身和设备的保护讲解.docx

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断线保护装置对人身和设备的保护讲解

湖北工业大学

断线保护装置对人身和设备的保护

考试科目电力工程

研究生姓名雷凌峰

学号120150195

任课教师丁稳房

学院、专业电院高电压与绝缘技术

成绩

二0一六年6月20日

摘要

随着经济的快速发展，社会的不断进步和人民生活的日益改善，工业和民用建筑、办公楼及居民住宅等场所的用电数量呈快速增长态势，负载的性质也发生了较大的变化。

随着三相四线制供电里中性线的作用越来越重要，如何确保它的合理选择与正常运行已成为日常供用电工作的重点。

本文对其各种文献的内容进行了整理和整合，叙述了三相四线制供电系统里中性线的作用和其断线后的各种情况及原因。

对中性线、地线以及零线进行了区分，并分析其之间的联系和发生中性线断线后所会引起的各种危害。

最后，主要对三相四线制供电系统中就中性线发生断线的情况进行分析。

通过分析如何计算中性线的电流以及中性点位移和谐波电流引起中性线故障的过程，进而得出应该如何合理正确的选择中性线以及如何正确安装中性线，并找出预防中性线断线的措施。

关键词：

三相四线制中性线断线保护措施

Abstract

Withtheamountofelectricitytherapideconomicdevelopment,socialprogressandimprovingpeople'slivesincreasingly,industrialandcivilconstruction,residentialandofficebuildingsandotherplacesisgrowingrapidly,thenatureoftheloadhasalsoundergonegreatchanges.Withthethree-phasefour-wirepowersupplyintheincreasinglyimportantroleofneutralline,howtomakesureit'sareasonablechoiceandthenormaloperationoftheelectricitysupplyhasbecomethefocusofdailywork.

Inthispaper,thecontentsofvariousdocumentswereconsolidatedandintegration,describedtheroleofthethree-phasefour-wirepowersupplysystemanditsvariousneutralandthereasonsafterthebreak.Toneutral,andgroundzerolineadistinction,andanalyzetherelationshipbetweenthemandtheneutrallineaftertheoccurrenceofvarioushazardsthatwillcausethebreak.Finally,themainthree-phasefour-wirepowersupplysystemanalyzedfortheoccurrenceoftheneutrallinedisconnected.Byanalyzingtheprocessofhowtocalculatetheneutralcurrentandneutraldisplacementandharmoniccurrentscausedbyneutralfault,thencomerightchoicehowreasonabletheneutrallineandhowtoinstallthecorrectneutrallineandfindoutpreventionmeasuresneutrallinedisconnected.

KeyWords：

three-phasefour-wiresystemneutrallinebreaksafeguard

第1章绪论

随着经济的快速发展，社会的不断进步和人民生活的日益改善，工业和民用建筑、办公楼及居民住宅等场所的用电数量呈快速增长态势，负载的性质也发生了较大的变化，由以往的线性负载为主，变成了非线性负载比例明显增大的状况，由此容易形成三相负载不平衡并致使中性线电流过大，而三相四线制供电系统中，中线的作用是：

当三相负载不对称时，中线提供各相电流的回路。

如果中线断了，不平衡的三相负载使得中性点转移，使负载最少的那一相电压最高负载因过电压损坏，而负载多的那一相电压过低无法工作。

因此三相四线制供电的中性线的作用就显得极为重要，确保它的合理选择与正常运行是日常供用电工作中的重点。

目前，已存在的文献，对中性线断线的原因，危害已经进行了简要分析，但内容比较简单，分散。

本文对其各种文献的内容进行了整理和整合，方便读者能直接了解三相四线制供电系统中中性线的作用和其断线后的各种情况、原因。

本文先对中性线、地线以及零线进行了区分，并讲述了他们之间的联系。

再讲述了发生中性线断线后会引起的各种危害。

然后主要对三相四线制供电系统中如果中性线发生断线，进行分析。

对引起中性线断线的原因如三相负载不平衡引起的中性点位移和高次谐波电流对对中性线的影响进行举例分析。

通过分析找出如何计算中性线的电流以及中性点位移和谐波电流引起中性线故障的过程进行分析，最后得出应该如何合理正确的选择中性线以及如何正确安装中性线。

并且通过分析找出预防中性线断线的措施，例如中性线重复接地，严禁在中性线上装设熔断器等。

而如果发生断线，也可通过一些保护措施进行保护，例如使用电压继电器作取样元件和交流接触器组成保护单元。

从以上分析可知，中性线在三相不对称负荷中的作用是保证三相负荷电压降对称的基本条件。

一根相线发生断路故障，最多使该相负载供电中断，对负载的安全并不构成危害，但中性线断路，单相负荷的正常工作状况就会遭到破坏，轻则无法正常发挥作用，重则烧坏电器设备。

因此，保障中性线的安全可靠非常重要。

从这个意义来说，中性线的安全比起相线更为重要。

所以通过以上我们可以知道中性线是三相电源与负载连接方式的桥梁和依据，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。

采取加强管理。

尽量平衡三相负载．加大中性线截面积和以铜代铝，以及采用必要的保护电路等防范措施，能有效地解决中性线断线和由此带来的用电设备安全及火灾等问题，从而确保人们正常的生产、生活用电。

第2章中性线断线的危害

2.1中性线（零线）和地线

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称为相线，也称作端线，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。

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【1】。

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，电流会迅速流人大地。

通常220V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人地下lm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。

2.2中性线在三相四线制供电系统中的作用及中性线断线的危害

2.2.1中性线的作用

当中性线存在时，负载的相电压对称总是等于电源电压的相电压，这里中性线起着迫使负载相电压对称和不变的作用。

因此，当中性线的阻抗等于零时，即使负载不对称，但各相的负载电压仍然是对称的，各相负载的工作彼此独立，互不影响，即使某一相负载出了故障，另外的非故障的负载照常可以正常工作。

只是与对称负载不同的地方就是各相电流不再对称，中性线内有电流存在，所以中性线不能去掉。

当中性线因故障断开了，这时虽然电压仍然对称，但由于没有中性线，负载的相电压不对称了，造成有的负载的相电压偏高，有的负载相电压偏低，可能使有的负载因电压偏高而损坏，有的负载因电压偏低而不能正常工作。

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。

2.2.2中性线的危害

在三相四线制供电系统中，通常中性线阻抗总是忽略不计，中性线电压降为零，各相负载的相电压恒等于电源的相电压，并与负荷的变化无关，负载端电压保持对称状态。

三相如有一相发生断路只会影响本相，其它相电压仍保持不变。

接在另外两相上的设备仍能正常工作，但是，三相四线制供电系统中的中性线发生断路故障后，如三相负载不对称，则会产生中性点偏移，致使三相电压不平衡，有的相电压将会过高，可能烧毁用电设备；有的相电压会过低，使设备不能正常工作【2】。

通过分析可知，在负荷不平衡的三相电路中，一旦中性线断路，负荷的中性点就向负荷大的方向位移，于是使各相负荷的电压发生变化。

负荷大的那一相，负荷电压降则降低，使设备不能正常的工作；负荷小的那一相，负荷电压降则升高，容易烧毁电气设备。

2.3中性线断线的原因分析

在380/220V的低压三相四线制供电线路中，若三相负载不平衡，则必须使用中性线通过电流的方法来维持每相负载的正常工作。

当三相不平衡程度变大时，即三相负载的阻抗值相差较大，中性线对地的电位就会变大（即产生零点漂移），中性线流过的电流就越大。

如中性线截面积足够大，中性点的位移越小，三相负载各自的工作状态就越正常。

若中性线截面积偏小，容易导致某相负载电压过高。

而另外一相负载电压则偏低。

随着时间的延长，不仅引起中性线过载、发热、烧断，而且影响各相负载的安全运行。

负载轻的相电压升高至超过允许值时，会发生用电设备损坏的事故。

负载重的相则电压降低至允许值以下，导致用电设备不能正常工作。

在负载端中性线重复接地时，一旦三相负载不平衡，中性点O就会偏移。

但是，在供电线路中，只要三相相电压在允许的范围内，就不会影响电器设备的正常使用。

第3章电气安全装置

为了保证电气设备和用电设备的安全运行，防止触电事故，可以采用各种形式的电气安全装置。

电气安全装置除用来防止触电，接地等电气事故外，也用来防止火灾、机械伤害等非电气事故。

电气安全装置的种类很多，本章仅介绍厂矿企业事业单位中常见的几种电气安全装置。

3.1低压配电系统保护装置

低压电气线路或发生过载、短路、欠压、失压、断相等故障，往往可能引起火灾，爆炸和设备损坏等事故，在一定的场合还可能危及人身安全，因此，在低压配电线路和设备上配置适当的过载、短路、欠压、失压、断相等保护装置，是十分必要的。

它能迅速、准确、可靠地切断故障电源，有效地防止电气事故的发生和扩大【3】。

过载保护是党电气线路或设备的负载超过允许范围时，能延时切断电源的一种保护。

热继电器和脱扣器是常用的过载保护装置，熔断器可用作照明线路和其他没有冲击负载的线路或设备的过载保护。

由于电气设备损坏往往会造成人身事故，故过载保护对保证人身安全有很大的意义。

短路保护是指线路或设备发生短路时，能迅速切断电源的一种保护。

熔断器、电磁式过电流继电器和脱扣器都是常用的短路保护装置。

在中性点直接接地的三相四线制电网中，当电气设备发生碰壳事故时，短路保护应迅速切断电源，消除设备外壳呈现的危险电压。

防止发生人身触电事故。

在这种情况下，短路保护装置起着保护人身安全和电气设备安全两方面的作用。

失压、欠压保护是当电源消失或低于某一限度时，能自动断开线路的一种保护。

其作用是当电压恢复时，电气设备不致突然起动而造成事故【4】。

同时，能避免电气设备在过低电压下勉强运行而遭致损坏，失压、欠压保护由失压、欠压脱扣器等元件执行。

漏电保护装置主要是用来防止由于电气设备和线路等漏电引起的触电事故，以及防止单相触电事故，还可用来防止由于漏电引起的火灾事故、监视或切除一相接地故障。

3.2电流型漏电保护装置的选择和应用

绝缘正常的低压电网，除了有绝缘良好的用电设备外，还应装设合格的漏电保护器。

下面就如何正确选择和应用漏电保护器加以介绍。

（仅以电流型漏电保护器为例）漏电保护装置的特性的选用，应根据使用目的、安装场所、电压等级、泄露和接地电阻等因素来确定。

为了防止人身触电事故的漏电保护装置，一般根据直接接触保护和间接接触两种不同的要求进行选择。

⑴直接接触保护

直接接触保护是第一线保护，必须有高度的可靠性，漏电保护器的可靠性是受多种因素影响的，如电源电压、元器件质量、装配工艺、环境条件等，只要其中某一方面出了问题，都可能影响保护器的动作性能，导致保护器失效或保护性能降低，而这种失效或降低往往被人们忽略而未察觉，漏电保护器难以做到像绝缘、围栏、安全电压等，防止直接接触保护措施那样牢固、可靠和相对稳定。

所以，不宜用作直接接触保护【5】。

额定动作电流不超过30毫安的漏电保护器，只能作为其它措施失效时，直接接触的补充保护。

对经常要和操作人员接触的电动工具、移动式电气设备、临时架设的供电线路和没有双重绝缘的手持式地拿动工具，推荐在供电回路中，安装动作电流为30毫安，并能在0.1秒内动作的漏电开关或漏电保护插座。

鉴于当前居民住宅没有考虑接地装置，因家用电器漏电，而发生的触电死亡事故屡有发生，因此，当家用电气较多和经济条件许可时，建议在家庭进户线电度表后，安装动作电流为30毫安和0.1秒以内动作小容量漏电开关或漏电保护插座。

对额定电压为220伏以上的Ⅰ类工具，当进行保护接地困难活发生触电后同时会发生二次性伤害的地方，如高出作业，河岸边适用的电器设备，可在供电回路中，安装动作电流为15毫安并在0.1秒内动作的漏电开关。

⑵间接接触保护

用于间接接触保护的漏电保护器，其动作电流IΔn的选择，应和用电设备的接地电阻以及允许的接触电压U联系起来考虑。

用电设备上的接触电压U要小于规定值，必须按下面公式选用漏电动作电流：

IΔn≤U/R

式中：

U—允许接触电压；

R---设备的接触电阻；

一般额定电压为220伏或380伏的固定电气设备，以及其它容易和人接触的电气设备，当其外壳接地电阻在500欧及以下时，单机可配有30毫安和0.1秒以内动作的漏电保护装置。

对额定电流100安以上的大型电器设备，或者带有多台电气设备的供电回路，选用50毫安至100毫安动作的漏电开关。

当用电设备的接地电阻在100欧以下时，也可以选用动作电流200毫安至500毫安的漏电开关。

用于间接接触保护的漏电保护装置，可以用小于0.1秒快速动作型产品，有些较重要的电气设备，为了减少偶然的停电事故，也可以用延时0.2秒延时型保护装置【6】。

漏电保护的动作电流选择的越低，当然越可以提供较安全的保护，但供电回路和用电设备都有一定的泄露电流，当漏电保护装置的动作电流低于电路正常泄露电流时，漏电保护装置就不能投入运行，或者由于经常动作而破坏了供电可靠性。

从保证电路的稳定运行来讲，漏电保护装置的动作电流，受电路中正常泄露电流的牵制，而不能无限地提高灵敏度。

所以，在钻则漏电保护装置灵敏度时，必须考虑到像卢正常的泄露电流，要避免由正常泄露电流所引起的不需要动作，而应先正常供电。

第4章中性线断线的预防、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【7】。

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。

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220V的对地电压，这也是决不允许的。

4.3预防措施

为了防止中性线断路并保证中性线可靠运行，应在技术采用多种措施使中性线安全可靠。

（1）等电位连接是最基本的保护措施。

为消除或降低PE线上的对地偏移电压,仅在图中JD进行总等电位联结后,即可满足要求。

图4.1TN-C-S接地型式配电系统

（2）自动切断故障的保护

在三相四线制低压配电用户中,除了TN-C-S接地型式在PEN断线时产生的接触电压可能危害人身安全外,凡是有中性配出的任何低压配电系统,只要中性线一旦断开,由于三个单相负载不对称而失去了相电压的对称性,导致在不同单相回路中出现过电压或欠电压,如图所示。

在图4.2中,当中性线断线,负载侧中性点偏移到O’时,中性线对地电压为50V,B相负载最大,相电压欠18%,C相负载最小,相电压过21%,此时对于用电器具危害不算太大。

如果中性点偏移到O,中性线对地电压为80V超过安全电压,B相负载最大,相电压欠20%，C相负载最小，相电压过压达300V这对于用电器具有严重危害。

可见,三个单相不对称负载相差越悬殊,相电压不对称导致过电压或欠电压就越严重。

为了减轻接触电压对人体的危害和过电压、欠电压烧毁用电器具,建议对中性线故障率较高的架空线进户的用户采用中性线断线故障保护电器自动切断故障线路,限制故障电压危害的时间,保护人身和用电器具的安全【8】。

图4.2中性点偏移示意图

（3）中性线应重复接地。

为了确保接中性线保护的安全可靠和减少中性线断路后的负荷中性点位移量，低压配电线路在干线或分支终端处以及沿线每隔1km处，中性线应重复接地。

低压进户线在进入大型建筑处，应将中性线重复接地，每一重复接地装置的接地电阻不应大于10Ω。

（4）加强低压供电端的巡视与维护。

每次巡视应注意沿线有无危及线路安全运行的树木、天线、施工机械等;线路上有无搭落的树枝、风筝、铁丝等。

（5）在三相四线低压供电系统中，应将三相用电负荷调整得尽可能平衡，不致在正常运行时，中性线中有较大的不平衡电流通过。

三相负载基本对称，万一中性线断了，相与相间电压的差值也不会过大同时也减小了中性线电流，降低了线损，提高了供电质量平时要加强对三相电流的监视，发现不平衡应及时调整，力求中性线电流降为最低一般要求三相四线制供电的中性线电流不能大于相线电流的四分之一另外，在密集居民区，尽量减少楼栋胡同下线共用一条零线的接线方法，以免一处零线断路，危及一片用户。

（6）三相四线低压供电系统中的中性线截面积应为相线的截面积一半以上。

单相供电回路，中性线截面积应与相线截面积相同。

在低压供电系统中性线的载流能力不得小于供电回路中单相最大用电设备的额定电流，在室外线上有无断股、烧伤，接头是否变色。

进户线和配电箱中性线接头是否有过热现象，是否有断线：

如发现有上述情况应采取有效措施加以修理。

供电线路停电检修时，就中性线而言，应把重点放在接头处。

（7）在三相四线低压供电系统中中性线严禁装设熔断器或单独的开关装置，以防中性线在此处断路。

中性线的重复接地不是可有可无，而是保证安全运行非常重要的技术措施。

（8）若发生中性线断线故障，应尽早切断三相电源进行处理，以减小事故危害。

4.4保护措施

4.4.1中性线断线智能保护装置的结构和原理

中性线断线保护装置采用高性能带A/D转换功能的DSP高速处理器作为中央处理单元，整个装置主要由信号采集单元、运算放大器、铁电存储器、中央处理单元、跳闸/报警输出接口、LCD大屏幕液晶显示器、时钟芯片、RS－485通信接口和电源等几部分组成。

结构框图如图4.3所示。

图4.3中性线断线保护装置结构框图

该装置通过检测三相对负载中性点电压的不平衡度，经过运算放大后，A/D将模拟量转换为数字量，采用MCU进行离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，DFT）运算，通过铁电存储器进行参数设定和读取，将运算结果与设定的单相过电压和欠电压门槛值来判断特定的三相负载阻抗系统中出现的中性线断线故障并发出相应的信号，驱动执行元件动作，保护线路后端设备及人身的安全。

装置采用带隔离的独立电源，为各种芯片提供安全、可靠、持续的运行动力；大容量的I/O接口，确保装置与执行元件可靠配合；发生中性线断线故障时，准确分断电网回路，设备和发出保护控制信号的同时，提供中性线断线报警信号（无源接点信号）；必要时，可通过通信的方式，将数据和报警信息上传监控系统。