中性导体断线故障防护分析

配电变压器的中性点接地后称为“零点”，“零点”引出的导体称为“零线”。“零线”以及中性线可能出现断线，俗称“断零”。以下把这类故障称为中性导体断线（简称：中断）。

中性导体断线故障的历史

早期低压供电线路架空引入，接户线截面较小，中性导体承受较大的张力，加上缺乏必要的机械保护措施，导致中断屡有发生。除此之外，还有以下主要原因：

a. 连接质量差；

b. 隔离措施不合理（如四极开关）；

c. 长期过载（或不平衡电流）导致连接处出现连接不良；

d. 长期使用及维护不当等。

为解决此类问题，国外在上世纪20年代曾经使用过电压型保护器，到上世纪30年代基本停止生产和使用。我国上世纪70年代农电系统曾一度使用，后来也以失败告终。

国际电工委员会从IEC 60364 - 5 - 54：2002（第二版）《Electrical installations of buildings — Part 5 - 54：Selectionand erection of electrical equipment — Earthing arrangements，protectiveconductors and protective bonding conductors》起将故障电压动作保护器的相关要求删除，转而采用增加中性导体截面，提高线路自身可靠性的措施，保障人身和财产安全，并且提高供电的连续性，满足生产生活的基本要求。

我国JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》10. 8. 1条第11款和JGJ 242 - 2011《住宅建筑电气设计规范》6. 3. 2条分别对住宅建筑提出设置过欠电压保护的工程要求。

故障电压动作保护器

故障电压动作保护器主要为了解决中断发生时故障电压偏移问题。

故障电压动作保护器的分类

故障电压动作保护器大致分为两类：“零 - 地”电压型和“相 - 零”电压型，两类保护电器的比较见表1。

表1 电压型故障电压动作保护器分类

“零 - 地”电压型的缺点是：

a. 需要设置辅助接地极，在目前共用接地原则下，这个要求通常不容易满足和维持；

b. 部分相不可避免地出现接近√3 U_o的过电压。

“相 - 零”电压型则被人诟病为：

a. 动作阈值偏高（过电压动作整定值275 V）；

b. 中性点的电位偏差可能高于50 V；

c. 部分产品的自恢复机制不符合故障处理原则。

异型“零 - 地”电压型动作保护器

“零 - 地”电压型动作保护器的动作阈值可设置为不大于安全电压50 V，理论上更安全，但是，“零 - 地”电压型动作保护器要求设置和电气装置保护接地无关的辅助接地极。在地下或附近金属管道较多的环境，此独立接地极通常不易取得。两个接地极一旦有联系，某些类型的电压型动作保护器甚至可能产生严重的安全后果。

后来，选用3个等容量的电容器接成星型，形成人工参考点，代替辅助接地极的参考电位，即“不对称计”法，见图1。

根据基尔霍夫定律：

图1 “零 - 地”电压型（不对称法）人工参考点N

即U

理论上，人工参考点N可以替代变压器低压中性点O，然而，实践证明此方法“可靠性差，费用昂贵，没有得到广泛应用”。

近年来，有人用3个电感替代以上3个电容，形成人工参考点，见图2。

图2 “零 - 地”电压型电位偏移保护器人工参考点

图2方法存在以下问题：

a. 电感作为高耗能元件，长期通电不节能；

b. 如果3个电感一致性不好或损坏，线路虽未出现中断，过电压继电器仍会动作；

c. 根据用户侧负荷特性，如果三相不平衡度较大，尤其是住宅存在大量单相负荷，可能引起电位偏移导致保护动作；

d. 发生接地故障或者单相短路时，如果过电流保护电器拒动，可能导致过电压保护动作；

e. 设于主电源箱处时，容易扩大停电范围，与电业部门之间产生纠纷。

“相 - 零”电压型动作保护器的应用

鉴于住宅内家用电器基本为单相设备，即使设计已实现三相负荷平衡，只要部分用户的设备没有启用，就很容易出现三相不平衡；此时一旦中断，很可能造成大批家用电器过电压烧毁，出现诉讼纠纷和赔偿。如果安装有针对此类过电压保护电器，且造价合理、使用可靠，那么对财产安全和社会安定会大有裨益。

目前，“相 - 零”电压型动作保护器应用相对普遍，典型的如符合JB / T 12762 - 2015的自恢复式过欠压保护器（简称“OUPA”）和符合EN 50550：2011 + A1：2014的工频过电压保护器（简称“POP”）。

OUPA动作整定值的风险分析

我国OUPA主要用于家用及类似用途的低压配电线路，当线路故障引起过欠电压时能自动保护断开供电电源，其过电压动作整定值Ug为275 V，欠电压动作整定值Uq为160 V。OUPA可能存在以下安全问题：

a. 部分相和外壳之间出现较大的过电压，此应力电压涉及线路、设备的绝缘；而电气设备长期额定的绝缘电压为250 V，高于此值需要考核设备耐受电压。

b. 如果发生PEN导体断线，由于重复接地的存在，中性点的偏移电位加到设备金属外壳上；正常环境下，中性导体电位偏移超过50 V可能危及人身安全。

电气安全是建立在风险概率分析的基础上，通过向量法可以评估出现以上风险的概率。相对中性线额定电压为230 V时，满足以下条件的不跳闸区域见表2：

表2 过电压和欠电压保护电器不跳闸区域

a. 只设过电压保护：过电压动作阈值为Ug =275 V时，过电压范围为155 ~ 275 V；

b. 设置过电压和欠电压保护：过欠电压动作阈值分别为Ug = 275 V和Uq = 160 V时，过电压范围为160 ~ 275 V；

c. 在b条件下，考虑过电压Ug ＞ 250 V时，需要考察绝缘配合要求；

d. 在b条件下，考虑中性点电位偏移Up＞ 50 V时，可能有人身安全隐患。

由表2可知，设置过电压或欠电压保护，当发生中断故障时，家用电器持续工作的情况如下：

a. 只设过电压保护，持续供电的概率为13. 4%；

b. 设置过欠电压保护，持续供电的概率为13.3 %；

c. 设置过欠电压保护，过电压大于250 V时，可能存在绝缘配合问题的概率为10. 5 %；

d. 设置过欠电压保护，中性点偏移电压大于50V时，可能有人身安全隐患的概率仅为2. 6 %。

根据表2，三相系统中欠电压保护的影响几乎可以忽略，但是，对于单相用电的住户仍然有必要。实际上，欠电压动作范围考虑到以下因素：“线路发生对地故障电流时，线路电压可能要低于80. 5 V，因此要适当考虑降低欠电压动作电压值”；另据厂家反馈的信息，在同一个过电压保护模块内增加欠电压保护功能，增加的造价微不足道；另外，增加欠电压功能后，中性点偏移程度和三相不平衡度有所缓解。

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