三相四线制零线电流引发火灾事故探析及预防

彭得麟

彭得麟

摘要：在三相四线制的配电系统中，理论上如果三相负荷平衡，零线中的电流应该为零，这是电力业内人士的共识，但是在现实中，零线电流是客观存在的，而且不光存在，甚至还能引发火灾。本文就零线电流的产生的原因机理、引发火灾事故的原因进行分析，从而对预防零线电流过大引发火灾事故提出相应的防范措施。

关键词：零线电流  火灾事故  预防

2020年度我国电气故障引发火灾事故约为8.5万，占火灾总起数的33.6%，从具体火灾原因来分析，因短路、过负荷、接触不良等线路问题引发的占总数的68.9%。从笔者参与的火灾事故调查来看，发生短路、过负荷、接触不良等问题的线路全是火线，未接触到任何一起电气火灾是由零线产生的。但是近期，某小区经理向笔者反映该小区地下停车场的LED灯线路经常烧断，电工在排查线路时发现零线电流居然大于火线电流，类似的情况在该小区商业综合体也存在。特别是近年来，国家大力推广新能源汽车，对电网的容量提出了更高的要求，电气线路的火灾防控压力更大。以广西为例，截止到2020年底，新能源汽车累计推广应用15.69万辆，建成公共充电基础设施3.05万个。仅2021年上半年，广西新增新能源汽车4.1万辆，根据《广西新能源汽车充电基础设施规划（2021-2025）》，“十四五”期间新能源汽车推广目标新增52.2万辆，新增充电基础设施22.7万个。充电设施中的快充、超快充对供电电压、线路质量提出了更高的要求，火灾危险性随之升高。

一、零线电流产生的原因分析

（一）三相负载不平衡影响产生零线电流。电流本身是矢量，是有方向和大小的。在三相四线制电路系统中任意两相之间的夹角为120度。根据零线电流计算公式n=，当三相负载分配平衡时，三相负载各自形成的电流大小相同，即==，此时的零线上不会产生电流，即n=0，见图1-1-1。当三相负载分配不平衡时，首先三相负载各自形成的电流大小不相同，导致三相电流矢量和不为零，此时的零线上就会产生电流，见图1-1-2。在三相没有断线的情况下，我们假设3==，通过计算n=1.73，n，可见，零线电流是会大于某项电流的。

（二）谐波的影响产生零线电流。

1.谐波的释义。交流非正弦信号可以分解为不同频率的正弦分量的线性组合。当正弦波分量的频率与原交流信号的频率相同时，称为基波。谐波，从狭义上讲，是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。

2.谐波的产生对零线电流的影响。我国现在用的交流电是50HZ频率的正弦交流电，见图1-2-1。很多情况下，正弦交流电里是参杂了谐波的，见图1-2-2。谐波主要是由非线性负载产生，现阶段常用的镇流器、整流器、UPS、开关电源、变频器、直流充电器、逆变器等单相整流产品，在整流过程中导致原有正弦波形畸变，在中线上叠加起来的脉冲是相互错开的，无法抵消，而零线的电流却是叠加的。特别是三次谐波，它们在零线上叠加起来，可能会让零线电流上升到正常值的几倍。

   

 

二、零线电流引发火灾事故分析

（一）零线过热引发火灾。根据焦耳定律Q=Rt，当零线存在电流时，就会产生热量，与电流的平方、电阻和时间成正比，在温升过程中，热量会不断蓄积，在散热不良的情况下，可能会导致绝缘层失效、破损，当热量值蓄积达到物质燃点时，直接引燃周边可燃物继而引发火灾事故。

（二）零线电流引发负载电压异常，导致电气设备故障引发火灾。由于零线本身存在着阻抗，当零线上存在电流时，会造成零点飘移，零点向着负荷大的一相负载方向位移，从而导致各相负载电压发生变化，负荷大的一相负载电压降低，负荷小的一相负载电压升高。负载的不平衡度越高，压差越大，负荷小的一相负载电压升高过大的话，就会出现电气设备击穿烧损，从而引发火灾。

（三）零线电流过大导致断零引发火灾。零线起着控制负载端电压对称度的重要作用，当零线熔断后，由于三相负载不平衡，会产生较大的零点飘移，造成从断点处往负载侧的各相负载电压变化，容易导致过电压故障引发火灾。还有一种情况就是过电压会引起过电流，过电流也会导致电气线路过热，或者电气线路的薄弱点产生故障继而引发火灾。

三、预防零线电流引发火灾事故分析

（一）三相负载保持平衡。虽然说三相负载保持平衡只是理想状态，但是在现实中我们还是有办法可以尽可能的保持平衡，特别是在用电设计、安装上对单相负荷进行统一规划，让单相负荷均匀分布于三相系统中，尽量做到三相电流平衡。对于单项负荷功率较大的，也可以考虑采用单独的单相变压器对其供电。除此以外，通过外加干预，安装三相平衡设备，也能保证三相负载保持平衡。

（二）合理选择零线截面。

1.《全国民用建筑工程设计技术措施》电气分册中对零线截面积大小是有明确规定的，见表3-1。但是该表只是适用于正常的电气回路，并未考虑到三相电流不平衡和谐波电流影响，根据实际三相不平衡电流和谐波电流影响，结合该表，也可以参考出选择零线横截面积的范围。

表3-1  中性线、保护线选择（）

电气装置中相导体的截面S	相应保护导体的最小截面S
S≤16	S
16	16
S>35	S/2

2.对于三相四线制，当配电线路为以气体放电流为主的配电线路、三相配电回路、可控硅调光回路、计算机电源回路时，零线的截面应不小于相线截面。

3.电线电缆截面大小的选择应当考虑到谐波电流的影响。三相四线制中的零线电流应当为三相不平衡电流和三相谐波电流总和，经计算，当零线电流大于相线电流时，按零线电流选择截面大小。

4.在三相平衡系统中，当三相回路的3次谐波电流大于10%时，零线截面不应小于相线截面。4芯和5芯电力电缆存在谐波电流时，电线截面还要考虑校正系数，校正系数选择见表3-2。在三相不平衡系统中，最大相电流大于零线电流时，按最大相电流选择电线截面。

表3-2  4芯和5芯电力电缆存在谐波电流的校正系数

3次谐波分量（%）	校正系数
	按相电流选择截面	按零线电流选择截面
0～15	1.0	—
15～33	0.86	—
33～45	—	0.86
>45	—	1.0

（三）抑制谐波，减少谐波电流。

1.在配电系统的设计上要考虑谐波电流，从源头上限制易产生谐波电流的设备安装。首先，应该了解将要使用的电气设备所产生的谐波情况，如果有条件的话，可以使用谐波仪对运行中的配电系统进行谐波检测，并做好统计分析，最好还对实际负载进行测量。按照预算的负载电流结合配电系统可能产生谐波的情况进行设计。尽可能的减少每一条回路插座的数量，以防治谐波引起的额外电压降。

2.安装滤波器，有效抑制谐波的产生。滤波器原理是通过测试、计算三相电流的变化情况，快速响应，在器件内部制造出大小相等、方向相反的磁通和原有谐波产生的磁通进行抵消，从而滤除谐波电流，进而消除零线电流。滤波器可分为两类，一类是调谐滤波器，它的特点是可以在某一频率上调谐变成该次谐波的低阻通路，一般多用于过滤幅值比较大的谐波。在某两个特定频率之间也可以只设置一个滤波器，调谐于这两个平频率之间，这样可以节约投入成本。第二类是高通滤波器，它不是消除某个指定次数的谐波，是一个范围，一般用于消除比某个次数高的谐波，或者低的谐波。

（四）加强管理

1.加强电气设施安全建设的监督管理，加强电气产品生产、质量检验、销售环节的管控工作，从源头抓起，充分利用信用信息平台，及时曝光违法违规企业和不合格电器产品名单，进一步完善电器产品质量源头监管机制，提高管理能力，规范生产秩序。

2.加强用电管理。规范电气设计、施工、验收，严禁私拉乱接电线、擅自增设用电设备，严禁使用劣质电线及质量不合格电器产品。完善用电安全管理制度。

3.加强日常维护。配备具有相关电气资格证书的人员或聘请具有相关资质的技术服务机构对电气安全情况进行全面检测，同时，将电气安全作为日常防火巡查、检查的重要内容，定期开展电气系统定期维护保养及检测，开展自查自纠工作。对于低压配电系统中的变压器和配电箱，建议每月至少进行一次三相线及零线的电流和温度检测，最好是在负荷高峰期间检测。

4.加强探索推广用电安全技防、物防措施。探索安装使用“智慧用电”等电气火灾监控系统、“农村电气火灾监控大数据平台”等先进技术，使用智慧用电安全管理，通过物联网技术，对电气设备导线过热、过载、短路、漏电等引发火灾的主要因素不间断的数据跟踪和统计分析，实时发现电气线路和用电设备存在的异常情况和安全隐患，从根本上提高防范电气火灾的能力。

5.加强消防安全宣传。结合电气火灾案例，宣传电气火灾的危险性，强化公众对电气火灾隐患的认知和排查能力。加强对用电单位消防安全负责人和管理人员电气火灾预防法规和基本知识的培训教育，提高预防电气火灾的管理水平。对电气设计、安装、维护等专业人员，加大电气火灾基础理论、预防技术、防治措施的培训、考核力度，进行零线电流产生原理进行分析培训，让相关人员掌握零线电流和谐波的检测方法，提高对电气火灾隐患的认知能力和预防、检查整改技术水平。

1彭得麟，男，1986年1月出生，广西柳州人，玉林市消防救援支队防火监督科专业技术干部，专业技术三级指挥长消防救援衔。