[ 摘要 ] 对低压供电系统因不平衡运行、断零而出现的位移过电压问题进行了系统分析，探讨了负荷及断零状况对中性点位移幅值的影响，并对相关流行观点和国际电工委员会（ IEC ）标准资料中的有关结论进行了完善。

[ 关键词 ] 中性点位移，暂时过电压，低压供电系统，不平衡运行，断零

1 前言

很多防雷器（ SPD ）生产厂家、内置厂家、使用和维护部门，都遇到过中性线对地（ N-PE ） 间 SPD 不时被烧坏的 “ 奇怪 ” 现象，并且往往能肯定其原因与雷击无关。这说明，在我国，特别是在位于农村、量大、应用环境特别复杂恶劣的部分无线通信基站和接入网点现场，中性点位移过电压的幅值已经大大超出常规，超出了人们的预料。

中性点产生位移的原因较多，例如不平衡运行、断零、系统接地故障等，都可能导致中性点出现持续时间较长的位移过电压。限于篇幅，本文仅对低压供电系统在不平衡运行及断零时的中性点位移问题进行详细分析。

大家知道，低压供电系统在不平衡运行、断零时其负荷侧的中性点电位一般都会产生偏移，并导致至少一相负荷端电压升高，出现通常所说的中性点位移过电压。同雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压相比，中性点位移过电压是一种工频暂时过电压（ TOV ），其持续时间相对漫长。运行经验表明，危险的中性点位移过电压不仅也会损坏设备，而且还经常引发电气火灾和人身电击等恶性事故。

由不平衡运行、断零导致的中性点位移过电压并不是只有在可控故障条件下才会出现，因此不大可能对其持续时间加以控制，这样，对其幅值的评估就显得特别重要。长期以来，不少人以为这种中性点电位的偏移值不可能超过系统的相电压 U 0 ，由此会引起负荷端电压

的升高但不可能超过系统的线电压即 3 U 0 ，并依此进行有关电气设计、监控与分析工作。国际电工委员会（ IEC ）的一些标准资料也肯定了这种观点，并认为中性点电位偏移最严重的情况是发生在 “ 失零 ” 的时候，如表 1 所示 [1][2] 。但是，实际情况并不完全如此。实践表明，这种广为流行的观点是不准确的，并已导致了不少问题，若盲目照搬，将其用于产品设

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计则可能预留了隐患，而将其用于事故分析则可能得出错误的结论。

因此，非常有必要对低压供电系统的中性点位移问题进行再认识，引导相关人员了解中性点位移现象的产生机理，弄清中性点位移过电压与负荷、断零位置、断零后接地情况等的关系，掌握有关分析方法及预防措施。本文抛砖引玉，期待更多同行加入讨论，以对我国通信局（站）的实际环境能有更多反映，及早找到更好的对策，保证其安全运行。

表 1 IEC 标准中有关中性点位移的结论（摘自 IEC TR 62066,2002-06 ）

Table C.2 – Maximum possible values for TOVs in LV-installations due to LV-faults
Type of fault in the LV-system	Type of LV-system	Maximum r.m.s stress voltage on equipment within LV-installations			Fault clearing time
		L-PE	N-PE	L-N	s
Loss of Neutral	TN ， TT	0U	0≤ U	0 3 U ≤	>5

 

2 负荷端中性点的位移现象如图 1 所示，在低压三相供电系统中，取配电变压器低压侧中性点 O 为基准电位点，并设三相供电电压E & A = U 0 ∠ 0 o ， E & B = α 2 E & A ， E & C = α E & A ，这里α = e j 2 π3 为矢量算子， U 0 为系统相电压。

依据电路的基尔霍夫定律，可以得到负荷侧（计及线路阻抗）中性点 N 对 O 点的电压：

进而可得到各负荷端电压，写成矩阵形式为：

 

可见，当三相负荷不平衡即 Y A + α 2 Y B + α Y C ≠ 0 时， U N ≠ 0 ，即中性点产生了电位偏移，其幅值大小同负荷、中性线的阻抗有关。由式（ 2 ），得：

故有：

（3）

因此，当三相负荷不平衡时， U N ≠ 0 即 λ≠ 0 ，依据式（ 3 ），可知中性点位移后将导致至少一相负荷端电压升高，形成中性点位移过电压，威胁到设备和人身的安全。

3 “ 断零 ” 状况的分析

图 2 给出了低压供电系统断零后的基本电路模型。由此计算，中性线断开后，其等效导纳为：

Y N = ( R ET // R ENT + R ENL // R EL ) ?1 （ 4 ） 其中 “ // ” 表示并联， R ET 为低压供电系统电源端的接地电阻， R ENT 和 R ENL 分别为中性线断开后在供电侧、负荷侧的接地电阻， R EL 为低压供电系统的中性线在入户处的（重复）接地电阻。下面分析这些接地电阻的取值考虑。断零后，中性线将一分为二，它们可能接地，也可能不接地。这样，经过组合，就有四种可能的状态：

①	不接地： EN L → ∞ EN T R R 、 ；
②	仅在供电侧接地： R EN L → ∞ ；
③	仅在负荷侧接地： R EN T→ ∞ ；
④	在供电侧、负荷侧都接地： ENLEN T R R 、 均为有限值

由式（ 4 ）可知，上述每种断零状态下的中性线等效导纳，还与低压供电系统的接地型式有关：

•  ① TT 系统：在我国农村广泛采用，电源端直接接地，中性线不允许重复接地，故 R EL →∞ ；

•  ② TN-S 系统：在我国城市广泛采用，电源端直接接地，中性线不允许重复接地，故 R EL →∞ ；

•  ③ TN-C-S 系统：电源端直接接地，中性线在入户处重复接地，故 R ET 、 R EL 均为有限值；

•  ④ TN-C 系统：目前较少采用，电源端直接接地，中性线在入户处重复接地，故 R ET 、 R EL 均为有限值；

⑤ IT 系统：电源端不接地或通过阻抗接地，只在特殊场所或行业中采用，并强烈推荐不要配出中性线。设计为 TT 或 TN 的系统，在电源端实际未接地或接地不良时，可视为 IT 系统。 IT 系统配出中性线时，其中性线亦不接地。故 R ET 、 R EL → ∞ 。汇总上述各种情况，并代入式（ 4 ），可得断零后各种状态下的中性线等效导纳，如下表 2 所示。当 Y N → 0 时，相当于低压供电系统处于无中性线运行状态，详见第 4 节的分析。当 Y N ≠ 0 时，可视为带中性线运行的特例，详见第 5 节的分析。 表 2 低压供电系统断零后的中性线等效导纳 Y N

	TT	TN-S	TN-C-S	TN-C	IT
不接地	0		( ) ?1 + ELE T R R		0
仅供电侧接地	0		( ) 1 // ? + ELENTE T RR R		0
仅负荷侧接地	( ) ?1 + ENLE T R R		( ) 1 // ? + ELENLE T RR R		0
两侧接地	( ) 1 // ? + ENLENTE T RR R		( ) 1 //// ? + ELENLENTE T RRR R		( ) ?1 + ENLEN T R R

4 无中性线运行时的中性点位移分析 [3] 为便于讨论，引入负荷不平衡度的概念，用ρ 表示。记Y + = Y A + α 2 Y B + α Y C ，Y 0 = Y A + Y B + Y C ，令：

（5）

代入式（ 1 ），得：

（6）

当 Y N → 0 即低压供电系统无中性线时，由式（ 6 ）得：

（7）

（ 7 ） 可见，无中性线运行时的中性点电位偏移值完全取决于负荷不平衡度 ρ 的幅值。对 ρ 进行矢量分析，可知：

•  ① 当负荷导纳 Y A 、 Y B 、 Y C 性质相同时，必有

•  ρ < 1 ，如图 3 （ b ）所示，从而不会出现中性点电位偏移值超过系统相电压的情况。特别地，当三相负荷平衡即相等时， ρ = 0 ，从而不产生中性点位移。

•  ② 当负荷导纳性质不全相同时，就可能有ρ > 1 ，从而出现中性点电位偏移值超过系统相电压的情况，如图 3 （ a ）所示，图中 Y A 为容性， Y B 和 Y C 为感性。

另外，对无中性线运行时的三相电压、电流进行矢量分析，进一步可知：

•  ① 当 N 点偏移到电压三角形之外时，必定有负荷导纳 Y A 、 Y B 、 Y C 性质不全相同。否则，电流平衡条件 I A + I B + I C = 0 将无法满足，如图 4 （ b ）中虚线所示。此时，中性点电

•  位偏移值可能超过系统相电压，并出现一相、两相甚至全部三相负荷端电压升高现象，负荷端电压值可能超过系统的线电压。

•  ② 当 N 点位于电压三角形 ABC 之内时，负荷导纳 Y A 、 Y B 、 Y C 性质可能相同，也可能不同。

•  ③ 只要负荷导纳 Y A 、 Y B 、 Y C 性质相同， N 点就必在电压三角形 ABC 之内，如图 4

•  （ a ）所示。此时，中性点电位偏移值不会超过系统相电压，同时只会出现一相或两相负荷端电压升高现象，不可能出现全部三相负荷端电压均升高现象，负荷端电压值不会超过系统的线电压。

5 带中性线运行时的中性点位移分析 [3] 为便于分析，记 Y N = Y N

显然有

代入式（6）后得：

（8）

因此，若：

（9）

则：

（10）

否则，必有 U N < ρ U 0 。分析式（ 8 ）、（ 9 ）、（ 10 ）可知：

① 负荷越不对称，中性点位移现象就越严重，位移过电压幅值越高。

② 只有三相负荷导纳矢量和 Y 0 为容性时，才可能出现 U N > |ρ| U 0 的情况，并且 Y 0 功率因数越小， U N 越大。这是因为，实际应用中不可能在中性线上串接负荷，其导纳 Y N 完全由供电导线决定，为感性即 ? π/2 < ? N < 0 ，故欲使 cos ( ? N ? ? 0 ) < 0 ，必须保证 ? 0 > ? N + π/2 > 0 即要求 Y0为容性且功率因数小于|sin( ? N |) 。另外，此时 Y 0 功率因数越小， ? 0 > 0 越大，| sin ( ? N ? ? 0 ) |越小， U N 就越大。

③ “ 断零 ” 且按第 3 节分析得出 Y N ≠ 0 时， U N < |ρ| U 0 。这是因为，此时 Y N 几乎为纯阻性即 ? N = 0 ，从而 cos ( ? N ? ? 0 )= cos ? 0 > 0 ，由式（ 8 ）可知必有 U N <| ρ| U 0 ，这种减少非常有限。

④ |Y N|/|Y 0|越大， U N 越大。这是因为， |Y N|/|Y 0|越大时，|sin( ? N ? ? 0 )| 越小。

6 实例分析笔者曾多次在现场发现、处理过中性点电位偏移值严重超过系统相电压的情况，此处仅举一例，可以发现其产生条件并不十分苛刻。在某移动基站多次发生第一级电涌保护器（ 1mA 电压为 510V ）损坏、电源设备频繁过压关机现象。查阅电源设备内输入电压记录，发现最高相电压竟达 410 V r.m.s ，持续时间约 6分钟。在 3 天的现场监测中，多次出现相电压持续高于 330 V r.m.s 的情况，其中最大值为392 V r.m.s ，最长持续时间为 76 分钟。在故障查找过程中，先后排除了混线、断零等因素，发现这是一起因为负荷严重不对称而造成的中性点位移过电压事故。该移动基站的供电情况如图 5 所示。村电工将配电变压器（联结组别为 Y ， yn0 ）输出电压调高至 230/400V ，以补偿线路压降。 A 、 B 、 C 三作坊因在使用三相电机时曾屡次发生过欠压及缺相保护而全部改用单相电机， B 、 C 两作坊为此进行了就地无功补偿，其中 C 作坊是将原三相无 1.5km 功补偿装置做了改造。 LJ70 按图 5 所给条件利用 PSPICE 软件进行计算（配电变压器用三相电压源替代、考虑线路阻抗、假设 A 作坊总功率因数为 0.5 ），移动基站的单相供电电压为 2.05 倍系统相 电压即 472V ，中性点位移电压为 0.88 倍系统相电压即 202V 。考虑到 A 作坊使用功率的变化，可以认为同实际情况是基本吻合的。另外，计算还表明，若发生 “ 断零 ” ，则中性点位移电压将达到 1.34 倍系统相电压，负荷端电压升高最严重的是 C 相，为 2.33 倍系统相电压即 1.35 倍系统线电压。

7 降低中性点位移过电压的措施综上所述，能够降低中性点位移过电压的措施主要有：

① 选用符合设计要求的供电导线，中性线的材料和截面应与相线保持一致。这一措施既可提高中性线的机械强度，又可避免其被零序电流烧蚀，还可明显降低中性点位移幅度。

•  ② 尽量避免使用大容量单相用电装置。

•  ③ 合理分配负荷，使其基本对称。

④ 采取适当的无功补偿措施，无功补偿装置要随负荷变化情况分级、同步投切，避免大容量容性装置单独运行。

•  ⑤ 严禁在中性线上装设熔断器或单独的开关装置。

•  ⑥ 供电管理人员应严格按照规章办事，加强线路巡查，加强对作坊类等用户的管理。

8 结论

负荷性质相同时，中性点电位偏移值不会超过系统相电压。中性点位移将导致一相或两相负荷端电压升高，但不可能出现全部三相负荷端电压都升高的情况。负荷端电压不会超过系统线电压。

负荷性质不相同时，中性点电位偏移值有可能超过系统相电压。中性点位移将导致一相、两相或全部三相负荷端电压升高。负荷端电压有可能超过系统线电压。

中性点位移的根本原因是负荷的不对称。 “ 断零 ” 并不一定会加剧中性点的位移。

参考文献

[1] IEC/TR 62066, Surge overvoltage and surge protection in low-voltage a.c. power systems-General basic information, 2002-06

[2] IEC 60364-4-44, Protection for safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances, 2001-08

[3] 何亨文，谌承志 . TT 供电系统负荷侧中性点位移问题的分析与研究 . 电信科学 . 2003.12