讨论爆炸危险环境2区照明系统N线分断的问题

论文摘要：石油化工企业生产装置多为爆炸危险环境，对于单相负荷，系统维护检修时分断N线是否必要便成为一个争议的焦点。由于相关设计规范并没有明文规定爆炸危险环境2区下N线是否必须分断，本文阐述了N线必须分断的原因以及如何分断。 
关键词：单相负荷 谐波电流 N线电流

一、引言

　　进入二十一世纪，随着我国经济驶入快车道，石油化工这一基础行业也得到了快速发展。许多石油化工企业的生产装置均为爆炸危险环境，而作为电气照明等单相负荷则占有很大比重，根据相关石油化工设计规范，爆炸危险环境0区、1区中，系统检修时为避免N线产生电火花引起危险而需要将其分断，而对2区则没有具体要求，那么爆炸危险环境2区中系统检修时是否也需要分断N线呢？下面我们就来讨论这个问题。

二、TN-S/TN-C系统中的N线

　　大多数石化企业生产装置的单相供电系统基本上是基于TN-S系统，或者基于TN-C-S系统，电源进户后N线与PE线绝缘隔离，N线不再与“地”（0电势）有连接，户内实际上也成为TN-S系统。目前大家对在爆炸危险环境2区下，该系统在分断单相回路时，N线是否也要分断存在争议。我们知道，在工厂动力配电系统中，一般采用TN-C系统，正常运行时其三相是平衡的，N线是不带电的。然而这就很容易让人误解，认为TN-S系统中的N线等同于TN-C系统中的N线不会带电，即使带电也只是微电量，触及N线没有关系，不会对人造成危险。这是一种非常错误，也非常危险的想法，因为，在TN-C系统中，如果三相不均衡，N线也会带电。根据规范，为防止电火花引起爆炸，防爆电器必须断电后才能解体检修，那么分断相线时是否也需要分断N线？

　　我们首先分析一下在TN-S系统中N线带有那些成分的电流。

　　第一种成分的电流是谐波电流。各种生产装置里一般都设有各种各样的直流电子设备和大量的荧光灯，他们产生的高次谐波电流除了会造成电源污染外，还会给N线带来电流尤其是三次谐波电流。按理论分析发生的三次谐波电流会在N线上叠加，叠加后的电流是相当可观的，有时N线上的三次谐波电流甚至会大于相线电流。因此，一般在照明回路中采用四根芯线截面相等的电缆或电线供电。

　　第二种成分的电流是单相工作电流。N线上的这种电流和相线上的电流一样大。随着设备容量的变大，照度标准提高，单相工作电流也越来越大，这是不容忽视的。

　　第三种成分的电流是三相不平衡电流。这是大量存在的单相负荷供电系统中必然发生的现象。对于配电设计，要使三相负荷绝对平衡或几乎平衡是很困难的，即使能够做到，在系统实际运行中又是另外一回事了。含有大量单相负荷的供电系统中肯定会出现三相不平衡，而这种不平衡则是时间函数，不断变化。因此N线上流过的三相不平衡电流是必须重视的，从某种意义上来说TN-S系统供电就是针对三相负荷不平衡情况来制定的，否则就完全可以使用TN-C系统来供电。

　　由此可以肯定，上述三种成分电流混合后在N线上通过，其绝对值不会太小，另一方面N线上存在阻抗，导线越长阻抗越大，加上中间的一些连接点阻抗，N线上累积的阻抗不可忽视，尤其接近末端，阻抗更大，N线上的电流经过阻抗必然产生对地电压降，而且不同的N线上有不同的电压降，同一N线上的电压降随时间段变化，例如N线上某点流经的电流是250A，该点的阻抗只要0.2欧姆，就可以产生50V的电压降（安全电压36V，最大安全电压50V），因此TN-S系统在正常运行时N线带电，不仅可以产生电火花还有可能发生电击危险。

　　鉴于上述一些情况，IEC规定TN-S系统正常运行过程中在断开相线时，N线也必须断开，而且还规定在分断时，先分断相线，再分断N线；接通时，先接通N先，再接通相线，次序不可颠倒。

　　通过分析，可以认为在TN-S系统的单相回路中必须安装两极开关，在分断相线时，N线也必须分断，断开回路后检修时，可以防止人员触及N线时发生电击危险，也可以防止在碰触N线时产生电火花引起爆炸。

三、相线电流的平衡关系

　　TN-S系统中安装两级开关，相线电流的平衡关系怎样呢？下面就分析这个问题。为了较好的讨论，先来举个例子：从变压器到总配出柜，再从总配出柜中引一路分支干线，数干式配电有三个配出箱，每个配出箱的三相负荷分别为：

　　　　　1＃　IA=10A　IB=20A　IC=30A

　　　　　2＃　IA=20A　IB=30A　IC=10A

　　　　　3＃　IA=30A　IB=10A　IC=20A

图1

图2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　IC

　　IA

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　IB

图3

三相负荷按相别相加，则有：

IA=10 20 30=60A

IB=20 30 10=60A

IC=30 10 20=60A

　　各项负荷相等，矢量和等于零，见图3，N线上有无电流？回答是这样的，1＃箱到变压器之间的N线上无电流，而1＃箱到2＃箱，2＃箱到3＃箱之间的N线上有电流。这是因为1＃箱到变压器之间三相负荷平衡而1＃箱后局部三相负荷不平衡，这可以对1＃、2＃、3＃箱进行矢量计算后得出。

下面分几种负荷方式来分析：

• 1＃、2＃、3＃箱全用电时，1＃箱到变压器之间N线上电流为0，2＃箱之间N线上有17.3A电流，1＃箱—2＃箱之间N线上电流应为2＃和3＃箱的向量和，即：

IN2-3#=17.3A

• 只有其中一个箱用电例如3＃箱，那么1＃箱到3＃箱之间N线上电流为17.3A
• 1＃箱到变压器之间N线上电流应该是1＃IN＋3＃IN=j17.3A

IN=17.3A同样可以分析其他情况。

　　显然，可以由此得出结论：

• N线上最大负荷并不是越靠近变压器端越大，有时恰恰相反；
• 只要存在三相不平衡，不论哪一段N线均会带电。

四、结论

　　根据以上推理，TN-S系统中的单相回路中需要安装两级开关，在分断相线时必须把N线分断。

　　应该说明的是，在TN-S系统中装设的两极开关，仅仅是指在供电系统正常运行的情况下，避免触及带电的N线而受到电击危险或N线产生电火花引起爆炸或火灾危险，这只是安全用电的措施之一，而不能解决所有安全用电的问题。