低壓配電網(wǎng)零線電壓分布的研究

饒志 艾欣 齊鄭（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206）

1 引言

我國(guó)低壓配電網(wǎng)采用380V/220V三相四線制供電系統(tǒng)。由于零線不與地線直接相連，為了保護(hù)用戶，防止發(fā)生觸電事故，通常還需要單設(shè)一條地線將用電設(shè)備接地。但是很多地方的樓宇住宅沒(méi)有地線或者地線接地不是很好，在使用電器設(shè)備時(shí)就存在著一定的安全隱患。

在三相負(fù)荷對(duì)稱的情況下，零線與大地電位相等，但是當(dāng)三相負(fù)荷不對(duì)稱時(shí)，零線的電位將出現(xiàn)偏移。通常低壓配電網(wǎng)滿足以下的基本條件：零線不出現(xiàn)斷線。在這個(gè)前提下，本文通過(guò)理論分析和Matlab/Simulink軟件仿真計(jì)算了零線上的電壓分布情況，計(jì)算結(jié)果表明零線上的偏移電壓不會(huì)超過(guò)36V，不會(huì)對(duì)人體造成危害。在電器設(shè)備的設(shè)計(jì)中雖然零線不能代替地線的使用，但可以用零線當(dāng)作地線的備用，對(duì)低壓電器設(shè)備的安全運(yùn)行起到輔助作用。

2 零線上電壓分布的理論分析

理論上如果零線阻抗為零，則即使三相不對(duì)稱，仍可以將偏移的中性點(diǎn)電壓拉回到零（與大地等電位），但現(xiàn)實(shí)是即使用很粗的銅線做零線，也還會(huì)有電阻存在，因此還是零線上存在電壓差。零線在變壓器的出口接地，一直到配電柜，其他地方不接地，地線直接和配電柜的柜體相連，零線和地線之間通過(guò)加裝絕緣子達(dá)到絕緣的效果。在實(shí)際的低壓配電系統(tǒng)中，零線的選擇和系統(tǒng)的安全運(yùn)行息息相關(guān)。零線的截面積通常按照如下原則進(jìn)行選擇：（1）在單相供電線路中，零線截面應(yīng)與相線截面相等；（2）在380V/220V供電線路中，照明為白熾燈時(shí)，零線按相線載流量的50%選擇(即零線截面為相線截面的一半)，當(dāng)照明為氣體放電燈時(shí)，零線截面按最大負(fù)荷相的電流選擇；（3）在逐相切斷的三相照明電路中，零線與相線截面相等，若數(shù)條線路共用一條零線時(shí)，零線截面按最大負(fù)荷相的電流選擇。

從城市樓宇住宅的主變出來(lái)的零線距離通常不會(huì)超過(guò)500m，參考某一實(shí)例，變壓器的容量為200kVA，進(jìn)戶零線選擇LJ-240，其單位長(zhǎng)度的電阻值為0.132Ω/km，零線上電阻值不超過(guò)0.066Ω。如果主變?nèi)萘吭黾樱憔€線徑隨之增加，其電阻值會(huì)更小。

低壓配電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，負(fù)荷星型連接，三相負(fù)荷電流通過(guò)零線構(gòu)成回路，零線中的電流是三相電流的相量和。

低壓配電系統(tǒng)的系統(tǒng)等值電路圖如圖2所示，設(shè)三相交流電源是對(duì)稱的，電壓幅值相等、相位互差120°。三相負(fù)荷用阻抗表示，由于三相火線上的線路阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)荷阻抗，因此忽略火線上的線路阻抗，但是不能忽略零線上的線路阻抗。

以圖2來(lái)推導(dǎo)零線上不對(duì)稱電流的計(jì)算公式，流過(guò)零線上的不對(duì)稱電流為:

其中：

零線上不同位置的電壓與兩個(gè)因素有關(guān)，第一是該位置與變壓器中性點(diǎn)之間的阻抗值，第二是該位置流過(guò)的零線電流。在變壓器出口的零線截面往往很大，到各個(gè)用戶分支的零線截面較小，所以用戶分支位置與變壓器中性點(diǎn)之間的阻抗值較大，而用戶分支的負(fù)荷不平衡度也是最大的。因此越接近用戶分支末端，零線電壓的偏移就越大。

為了考慮最惡劣的運(yùn)行情況，我們不妨假設(shè)低壓配電系統(tǒng)中只在一相上有負(fù)荷，即B、C兩相斷線，A相單相運(yùn)行，其等效電路如圖3所示。

圖3中的RA表示A相線路的電阻值，RLA表示A相線路的負(fù)荷等值電阻值，R0表示零線上的電阻值，DU表示零線上的電壓降。參考某一實(shí)例，A相線路選用LJ-240導(dǎo)線，單位長(zhǎng)度電阻值為0.132Ω/km，線路長(zhǎng)度500m，則RA=0.066Ω；設(shè)負(fù)荷RLA=2.15Ω；零線線路選用LJ-240導(dǎo)線，單位長(zhǎng)度電阻值為0.132Ω/km，則R0=0.066Ω。所以，我們不難得到零線上的電壓降為：

由以上分析可知，即使在兩相斷線這種惡劣的運(yùn)行條件下，零線上電壓降仍是遠(yuǎn)小于人體安全電壓的臨界值36V的。

3 Matlab/Simulink軟件分析

3.1 仿真模型

本文采用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究在三相負(fù)荷不對(duì)稱的情況下，零線上的電壓和電流數(shù)據(jù)。

Matlab/Simulink的仿真圖如圖4所示，模擬的是一個(gè)實(shí)際的10kV/380V的三相四線制系統(tǒng)，主變采用Y/D接線，三相電源參數(shù)對(duì)稱。低壓出線中性點(diǎn)直接接地，引出一條零線。

3.2 三相負(fù)荷不對(duì)稱仿真

設(shè)置三相負(fù)荷的參數(shù)不相同，A相負(fù)荷的有功功率為30kW、B相負(fù)荷的有功功率為27kW、C相負(fù)荷的有功功率為33kW，負(fù)荷的功率因數(shù)cosφ=0.9。設(shè)置仿真時(shí)間為1s，通過(guò)示波器顯示得到零線上的電流波形如圖5所示，零線上的電壓波形如圖6所示。

我們考慮更加嚴(yán)酷的系統(tǒng)運(yùn)行情況。在仿真圖4中發(fā)生B、C兩相斷線，A相單相運(yùn)行時(shí)。設(shè)置仿真時(shí)間為1s，通過(guò)示波器顯示得到零線上的電流波形如圖7所示，零線上的電壓波形如圖8所示。

圖1 低壓配電系統(tǒng)的系統(tǒng)等效簡(jiǎn)易圖

圖2 三相負(fù)荷對(duì)稱、不對(duì)稱等效電路圖

圖3 B、C兩相斷線運(yùn)行等效電路圖

圖4 Matlab仿真電路圖

圖5 三相負(fù)荷不對(duì)稱時(shí)的零線上電流波形

圖6 三相負(fù)荷不對(duì)稱時(shí)的零線上電壓波形

圖7 BC兩相斷線時(shí)零線上電流波形

圖8 BC兩相斷線時(shí)零線上電壓波形

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)圖5—圖8可以看到，在三相負(fù)荷不對(duì)稱的情況下，零線上出現(xiàn)了明顯的電流和電壓。在仿真分析中，測(cè)量零線上的電壓偏移不超過(guò)36V，因此驗(yàn)證了本文上述的分析。

4 實(shí)例驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)果，選取某實(shí)際低壓配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，該零線采用LJ-240導(dǎo)線，在不同負(fù)荷情況下零線上電壓偏移數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)表1中的數(shù)據(jù)，可以很清楚地看到，在這個(gè)實(shí)際的低壓配電系統(tǒng)中，零線電壓偏移遠(yuǎn)低于人體的安全電壓臨界值36V，從而證明了上述分析的正確性。

5 結(jié)論

三相負(fù)荷的不對(duì)稱，會(huì)導(dǎo)致零線上出現(xiàn)電流和電壓。通常低壓配電網(wǎng)能夠基本滿足零線不出現(xiàn)斷線的情況。在這個(gè)前提下，本文通過(guò)理論分析和Matlab/Simulink軟件仿真計(jì)算了零線上的電壓分布情況，計(jì)算結(jié)果表明零線上的偏移電壓不會(huì)超過(guò)36V，不會(huì)對(duì)人體造成危害。在電器設(shè)備的設(shè)計(jì)中雖然零線不能代替地線的使用，但可以用零線當(dāng)作地線的備用，對(duì)低壓電器設(shè)備的安全運(yùn)行起到輔助作用。

[1] 張付長(zhǎng). 零線截面選擇的商榷[J].電力建設(shè), 1998 (8).

[2] 徐平遠(yuǎn). 要重視零線的選擇和安裝[J]. 農(nóng)村電工,1998, 6: 006.

[3] 杜春喜. 淺談低壓電網(wǎng)中零線電位升高的原因及改善措施[J]. 達(dá)縣師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2001, 11(2): 25-27.

[4] 王景軍. 淺談工作零線與保護(hù)零線的區(qū)別和應(yīng)用[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息, 2009 (17): 23-23.

[5] 陳玉鳳. 三相四線制供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位偏移的分析與監(jiān)控[J]. 電工技術(shù)雜志, 2002, 17(6): 44-46.

[6] 羅明. 對(duì)三相四線制供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位偏移的研究[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2003, 41(3): 36-37.

[7] 劉興杰, 田建設(shè),丁波,等. 應(yīng)用 Matlab 進(jìn)行電力系統(tǒng)分析和動(dòng)態(tài)仿真 [J][J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2004,24(3): 43-45.

[8] 王晶, 翁國(guó)慶, 張有兵. 電力系統(tǒng)的 MATLAB/SIMULINK 仿真與應(yīng)用[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社,2008