电气线路设中性线工况分析——现代住宅电气安全设计.doc

电气线路设中性线工况分析现代住宅电气安全设计代继红（ 红塔集团动力车间生活作业区 邮编：653100 ） 摘要文章阐述了低压配电系统线的电流、电压工况及其保护，并详细分析了线的断线与安全用电及线隔离与检修安全的机理；结合我国居民生活用电的不断增长，从现代住宅电气主干线路、分支回路数的设计及导线选型等方面，阐述了现代住宅电气线路的科学、合理的设计思想。关键词:线电压 线电流 线隔离主干线路 分支回路 导线选型导线选型： 、线的电流工况将电源的中性点（简称点）引出来构成的中性线（简称线），是国内通用的电压系统，既可以是副绕组接线变压器的线，也可以是绕组接线低压发电机的线。在正常运行工况下，三相负载平衡，线上是没有电流的。当有单相负载时，用电网络的设计者会力图使三相负荷平衡。在企业的用电设计中，当单相电热装置容量较大而数量较少时，电热设备电力装置设计规范第条介绍了减少三相不平衡度应该采取的措施，但难以作到三相绝对平衡。另一种情况，如住宅中的家用单相电器，数量大而单个容量较小，采用了设计中平衡措施后，因住宅用电是随机的，也会造成严重的三相不平衡。还有一类特殊情况与谐波有关，如即使电源电压基本上是正弦波，但负载是非线性的，此时线上三次谐波将是各相线上的上述谐波之和，再加上基波的不平衡电流，线上的电流有效值有可能接近或甚至超过相电流。就短路状况而言，相线与线短路构成的单相短路，当变压器绕组接线组别为、时，其零序阻抗较大，即使直接短路，其短路电流也不能满足三相短路保护装置的灵敏度，这也是变压器接线推荐为、的重要因素之一。如果是单相接地短路，短路电流经过大地回到电源点，并不经过线，漏电保护器根据剩余电流原理而动作，所以它是和相线与线短路不同的，但都受变压器零序阻抗的影响。由于负荷有可能不平衡，低压一般不用零序保护作为单相接地保护而用漏电保护器。 、线的过流保护是规定线路过流保护的标准。其中关于中性线过流保护的条文都规定：“不论中性线粗细，只需断开有关相线，不必断开中性线。”这是因为断开有关相线后中性线电流自然消失，中性线过流问题不复存在，而少一个中性线触头就少一个潜在的事故隐患。大家知道相线触头导电不良故障易于发现及时处理，而中性线的触头导电不良难以发现，往往成为“断零”而导致烧坏大量单相用电设备的事故，因此应尽量减少中性线上的触头或刀闸的数量，用于中性线过流保护的可装可不装的触头就不必装设。是规定防电击措施的标准，但在该规定中没有因系统线过流，导致线过大的电压降和过大的设备外壳对地电压而规定断开中性线防电击措施。道理很简单，在电气设计中对线路的电压降都有限制，低压线路上的电压降一般取为不大于回路标称电压的，即相线和线、中性线的电压降总共不超过，因此设备外壳上不可能出现大于或的对地电压。所以为防人身电击而断开中性线也是不必要的。 线的电压工况当在电源点直接接地且三相负载完全平衡的正常情况下，线对地电压为：。式中：为通过电源接地点的各相对地漏电流向量和，为点接地电阻，按规程为。可见，当负载平衡且忽略漏电流时，。但在下列两种情况下，可能较大或很大。、 线断线断线后的取决于线断点后面的三相负载平衡度，最严重时只有一相有负载，断点后的可达相电压，三相平衡负载可使，通常介于，称之为中性点电压漂移。 线完好但负载不平衡位置靠近负载点的线，对地电压，它随着线电流和阻抗的大小而变化，在正常运行状态下，可以通过精心设计使尽量小，并使小一些。这样，可以控制在一个安全电压范围内。通常，设定线有的电压损失，其值围，此时用电负载端电压在相导线没有一点电压损失的前提下只有而成为不正常的工况。假定相线和线各有的电压损失，如单相负载回路，不过。相对线短路和接地短路故障，应该也能够通过设置可靠的保护断开来加以排除。 线的过压保护过压是相对的，对线来说，也就是电位偏移。由于用于线的保护装置的技术问题，其保护作用基本难以有效实现。所以一些发达国家采取了对线线路截面、机械保护和连接质量提出了许多的严格要求，使得断线事故大大减少，过压（断线）保护已非必要。 线的隔离与断开在常用的电源直接接地的、系统内，正常情况下中性线的电位基本上是大地的电位，但由于种种原因它可能带危险对地电位，例如电源回路一相接地导致中性线对地电位升高，但因中性线包有绝缘，还不致引起事故。为了避免公用电网内大量低压用户停电，这种故障一般不跳闸，只作为事故隐患潜伏下来。又如当变电所内高压侧发生接地故障时，由于接地装置电位的升高同样也可使中性线带故障电压，因不接地网络的接地故障不跳闸只作用于信号，这个可达百伏左右的故障电压在中性线上也是持续存在的，它只在电气检修时对检修人员构成危险，因此在电气检修时，应在隔离相线的同时也隔离中性线。现时一些城市将网络由不接地系统改为经小电阻接地系统，上述故障电压可达千伏以上，虽然这时继电保护可切断电源，但其动作时间长达，依然要危及检修人员。另外，检修时的电击危险还来自沿系统电源线路导入的雷电过电压，其持续时间以微秒计，电压极高，足以致人死命。其对带电导体的隔离还有触头间空气间隙距离提出了要求（对工频以下电压无此要求）。这需视海拔高度、空气污染程度以及触头形状等因素而定。英国标准电气安装规范第条规定低压断路器可兼作隔离电器，说明其断路器的触头间的空气气隙是符合隔离要求的。对于各种沿中性线导入的危险电压引起的电气检修时电击事故的防范，别无他法，只能用在隔离相线的同时隔离中性线的方法来防范。并非所有建筑物电气装置都要求中性线和相线一起隔离才能保证检修安全，这需要视接地系统类别和建筑物内有无总等电位联结而定。标准第条规定“在系统中（注包括系统中户内部分）中性线不需要隔离和开关”。英国标准电气安装规范第条也规定在电源进线处除单相回路外、系统三相回路应断开全部相线而不要求断开中性线。所以如此规定其原由是，系统电气装置设有总等电位联结。在标准和我国有关防电击标准中，建筑物内的总等电位联结都规定为各种接地系统内必不可少的基本防电击措施。当进行电气检修时，即使中性线没有隔离而带有从电源侧传导来的对地故障电压，但由于存在总等电位联结的缘故，所有外露导电部分和装置外导电部分都处于同一电位水平上而不存在电位差，检修人员接触中性线时自然无由遭受电击，甚至连触电的感觉都没有。因此在有总等电位联结的系统建筑物内不必为电气检修安全而隔离中性线。上述第条不隔离中性线的规定未提及系统，说明系统内应隔离中性线。英国标准电气安装规范第条则规定系统（也包括系统）电气装置内的电气隔离应隔离所有带电导体，其中包括中性线。建筑物虽然作了总等电位联结，但系统的中性线与地绝缘而未与建筑物的总等电位联结导通，它与地间存在故障电压引起的电位差，此电位差将对电气检修人员构成电击危险。因此在系统（也包括不常用的系统）建筑物内，必须在总电源进线处和有需要的局部场所电源进线处将中性线和相线同时隔离。由于我国较多采用系统，如果按和标准的规定，不在系统建筑内装用四极开关，只在系统建筑物内装用四极开关，则四极开关的装用可大大减少，这对提高电气安全水平和节约建设投资都是有好处的。除了为电气检修安全隔离中性线外，系统内的漏电保护器（以下简称）为保护出现两个故障后的电气安全也要求隔离中性线。系统因发生接地故障而使中性线带故障电压。因中性线包有绝缘，这一故障并不直接引起事故。但如果再发生第二个故障，如相线碰外壳的设备接地故障，则瞬即跳闸。如果未隔离中性线，跳闸后故障电压将通过设备绕组和绝缘损坏的故障点传导至设备外壳上而导致电击事故。这当然是很不安全的，因此为防这种两个故障引起的电击事故，系统内在断开相线时必须同时断开中性线以隔离的传导。但在系统内（包括系统的户内部分）却不存在这种危险。这是因为在系统中中性线和线互相导通而电位接近，而线又纳入等电位联结内，这使整个建筑物处于同一。电位水平上而不出现电位差，无由发生电击事故，自然不要求断开中性线。因此标准和标准都对系统和系统内的刀极数规定了不同的要求。如第条规定“必须保证被保护回路所有带电导体的断开。在系统中，如供电条件认可中性线为可靠地电位，则中性线不需要断开。”需要说明，在户外地电位是指大地的电位，在有总等电位联结的户内，地电位是指总等电位联结接地母排处的参考电位。英国和美国、日本广泛采用系统，因此上述英国标准第条规定“应能同时断开回路全部相线。”而不要求断开中性线。德、法等欧洲大陆国家广泛采用系统，因此他们生产的几乎全部为四极或二极的。单相回路内如果中性线开关触头导电不良不会出现上述三相回路中因“断零”烧坏用电设备的问题。因此为了提高电气安全水平，单相双极开关得到较多的应用。例如住宅楼的单相总电源进线开关和每户的单相电源进线开关，不论其接地系统为何种类型，都应将中性线隔离，即采用双极开关，这样做可以提高电气安全水平，防止因设备相线、中性线接错而引起的事故，而不会招致“断零”引起的危险。对此上述英国标准第条规定“任何”接地系统的单相电源进线总开关或总断路器应能将两根带电导体都分断。我国是个生活用电急剧增长的发展中国家。据有关专家估计，年我国居民用电量将达到亿，为年的倍，我国发电装机容量和发电量均居世界第二位。但来自电力部门的数据和事实表明，近几年电力供应出现了供大于求的局面。目前，我国供电部门已经开始走向市场经济，为增加社会用电量，于年初废除了限制用电的各项规定，并表示在今后的几年内将逐步取消用电贴费。其实无论从节能、环保、经济的角度来看，电都是最佳能源。随着我国经济的发展，居民对电的需求将越来越高，已从简单照明型转入了改善居住环境用电型。例如现今空调已步入普通百姓家庭，一户拥有两、三部空调的现象已很普遍。另一些大功率家用电器设备正逐步被百姓所认识，相信今后也将跃入主流家电行列。诸如电灶、电热水系统、电取暖系统，它们具有安全、方便、节能、卫生、经济、环保和功率大等特点，而受到广大家庭欢迎。然而我国一些地区的电气线路设计往往片面强调节约，线路容量的设计偏低，就象瓶颈一样制约着居民的用电，更谈不上适应居民用电负荷增长的需要。现在我国的人均用电量仅相当于世界平均用电水平。近年来，由于居民夏季使用空调，一些楼房的线路不堪重负，频繁跳闸，给居民的生活和工作带极大的不便。更严重的是电气线路长期过载，导致绝缘下降，电气事故不断发生。更不可忽视的是在每天发生的火灾中，因电气事故引起的火灾呈上升趋势，据统计我国电气火灾已跃居火灾起因的第一位。现代住宅的电气线路的敷设方式以暗敷设为主，因暗埋电气线路是难以更换或增加的，它必须一步到位，来满足远期负荷的需要。由于生活水平的提高和家用电器的不断增多和更新，远期负荷是很难估算的，我们只能借鉴国外经验并结合国情来合理设计我国住宅的电气线路。、住宅电气主干线路设计现代住宅电气线路设计要求所设计的线路应具有安全性、功能性、舒适性和可适应发展性，在对现代住宅电气线路设计还要有一定的超前意识。在正常工作情况下，以电流持续期间产生的热效应为条件，提供导体和绝缘体的合理寿命，还要考虑到其它方面的影响来选择导体截面积的，诸如电击保护、过流保护、电压降及导体所连接设备的端子的温度限值等方面。因此，如何科学合理的使用电缆、电线，准确地选择电缆、电线的载流量，合理规范的进行管理和维护是至关重要的。针对以往电气设计标准中存在的问题，新的国家标准住宅设计规范于年月日起正式施行，它在某些条款上有了很大提高，如它明确要求：“电气线路应采用符合安全和防火要求的敷设方式配线，导线应采用铜线，每套住宅进户线截面不应小于，分支回路截面不应小于”；“每套住宅的空调电源插座、电源插座与照明，应分路设计，厨房电源插座和卫生间电源插座宜设置独立回路”；“卫生间宜作局部等电位联结”等。但应注意到，这个标准依然是住宅电气设计中电气安全的最低要求。有鉴于此，全国建筑物电气装置标准化委员会，已提出编制计划，上报国家技术监督局，将国际电工委员会标准等同采用为国家标准。目前我国一些住宅电气线路截面选用过小，除对远期负荷估计不足外，还有以下一些原因：（）我国迄今没有电缆电线载流量标准，而一些制造商提供的载流量则偏大，较国际电工标准的载流量约大，而设计中又多未考虑多回线路并列暗敷时相互发热而导致载流量的降低，这些因素使所选的线路截面更加偏小；（）家用电器中的非线性负荷产生的高次谐波（如微波炉、气体放电灯、电子镇流器等）日益增多，直接影响供电的电压质量。消除谐波危害的有效措施是减少回路阻抗，国外采用增大截面线路可以减少回路阻抗。我国家庭中非线性负荷家用电器的应用较晚，还不够普及，经验还不多，尚未充分认识谐波在住宅用电中的危害；（）对住宅线路截面过小引起线路阻抗增大，影响电压质量，这点在高层建筑内问题尤为突出。线路截面过小的后果是电线发热加剧，绝缘老化加速，易导致线间短路和接地故障，引起电气火灾和人身电击事故。而负载电流中谐波份量过大又使一些对谐波敏感的家用电器（例如家用电脑和某些电子设备）产生损坏或工作不正常，也能使家用电器内的电动机、变压器等发热加剧而缩短寿命，它还能使电气线路上的断路器频繁跳闸、熔断器经常熔断，给家庭生活带来许多不便。所以住宅电气线路设计必须对住宅电气安全要作全面和长期的考虑。、分支回路的设计我国每户住宅内照明和插座的分支回路数过少。由于分支回路少，每回路所带的负荷增大，实际等于减少了线路截面，其结果同样是线路温升的增加。我们知道线路载流量是指某一敷设方式和环境温度条件下线路在允许工作温度时通过的电流。此允许工作温度是相对于其正常绝缘寿命而言的。例如绝缘的允许工作温度为，工作温度超过，线路绝缘并不损坏，只是绝缘寿命相对缩短而已。有一经验数字显示，绝缘工作温度每超过允许工作温度，其使用寿命约减少一半。但并非绝缘的最合适的温度，我们在使用中如减少负荷，降低其工作温度，则其绝缘老化延缓，使用寿命可以相应延长，这对减少电气线路事故是十分有利的。分支回路数量的增加，相当于减少每回路的阻抗，这对降低住宅谐波电压，减少谐波危害、提高供电质量也是十分有利的。住宅内有足够的分支回路数量，就有条件将产生谐波的非线性负荷电器和对谐波敏感的电器做到分回路供电。这样非线性负荷谐波电流在其分支回路的阻抗上产生的谐波电压降就不可能危害另一回路的敏感电器。如家用电脑等对谐波敏感的电器应采用独立的分支回路供电，当分支回路如果较多，当一线路进行检修或因故跳闸时，停电的范围小，对家庭生活造成不便的影响也较小。在住宅电气线路的设计中必须及早注意这一问题。、导线选型现时我国大部分的住宅中均使用铜导线，但还有部分地区依然有在住宅中使用铝导线的现象。我国于年月日实施的国家强制性标准住宅设计规范明确要求住宅内应使用铜导线。因铝导体的特性决定了铝线较铜线易于引起起火灾，据美国消费品安全委员会（）统计的火灾发生率，铝线为铜线的倍，铝线起火多的原因不在铝线本身而在铝线的接头，铝导线的连接部位易引起电气火灾的主要原因有： 铝线表面极易氧化如将铝线表面的氧化层刮净，它能在几秒钟内又形成新的氧化层，虽然厚度极薄，却具有很高的电阻，且能随时间的增长而增大。当大电流通过铝线接头时，所产生的热量易发生异常高温而引燃近旁可燃物质。当线路绝缘损坏发生短路时，这一铝线接头的高电阻又能限制短路电流，使线路上的断路器、熔断器等过流保护电器不能及时切断电源，这又增加了线路短路起火的危险性。 铝与铜的不同膨胀系数当将铝线与设备的铜质接线端子相连