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【摘 要】 笔者在2013年除夕经历一次停电事故，所居区域一台10KV柱上配电变压器烧毁，中性线烧断，并有若干住户家用电器烧毁。事故的起因较为隐蔽但后果严重，分析过程中涉及到了供电三相不平衡现象以及谐波对配电线路的影响，指出此次事故并非仅由单一的过负荷引起，而是存在多元化因素的，对避免相似事故有一定的积极作用。
【关键词】 停电;10KV;配电变压器;中性线;烧毁;谐波
1 事故经过
2013年除夕23时左右，家中电视机画面弹出警告（该电视机有电压保护功能）：“当前电压超过275V，设备即将关闭！”，我立刻关闭电视机，大约1分钟后家中停电，没过多时已有多人聚集到街上。人群议论时闻到有电线皮烧焦的气味，有人用手电照射变压器后发现变压器一侧外表发黑，而且有烟气冒出，便立即拨打区域供电所电话。半小时后检修人员前来检查，发现变压器烧毁，且中性线连接处已烧断，需要更换。供电在新年初一凌晨1时左右恢复。
2 原因分析
2.1电器是如何烧毁的
当停电事故发生后，从街边议论的人群中了解到一些情况，有的家中毫无征兆便断电，有的家中则烧毁电视机、冰箱等日常家用电器。
检修人员拆下的变压器型号为S9-10＼50KVA＼Dyn11，更换后型号为S9-10＼100KVA＼Dyn11，均为10/0.4KV柱上变压器（以下我们所谈变压器均为此型号）。变压器总出线为四根聚氯乙烯绝缘铝芯电缆，截面均为35mm2，更换为35mm2铜芯电缆。
此变压器供电区域为三个，分别由三相来供电（简以A、B、C来代指，其中笔者处于A区，每区20户左右），笔者当时与人群交谈时，发现存在烧毁电器现象的住户较为集中，如下表所示：
由表1可知，电器烧毁现象集中在C区，即C相所带负荷烧毁现象严重。可得到第一个结论：事故发生时C相电压高于A、B两相。笔者对此进行如下分析。
表1 电器烧毁数量统计表
供电区域
烧毁电器 A B C
电视机 0 0 5
冰箱 0 0 2
照明灯 0 3 16
我们知道，变压器对外供电时最好的情况是三相平衡，这样中性线电流为0，三相负载电压相同为额定相电压，但是这是理想情况，实際运行时不可能有此情况，那么我们就需要对三相系统作一个数学模型来定量计算一下实际运行时的状态。如下图所示：
图1 三相四线配电简化电路图
变压器配电为三相四线制，星形连接负载，电源对称，三个负荷阻抗分别为，中性线阻抗为，由节点电压法可以写出中性线两接点之间的线电压：
①
根据基尔霍夫定律可以写出各相负载的电压为：
②
2.1.1三相负荷平衡时
当，由①式得，所以，即中性线无电流通过，但是在民用配电线路中，此情况不存在。
2.1.2三相负荷不平衡时
当互不相等时，负载电路是不对称的，电路的分析根据中性线运行状况可分为两种情况
情况一，中性线可靠连接：
此时若足够小，则可强使=0。尽管电路是不对称的，但在这条件下，各相仍保持独立性，各相的工作互不影响，因而各相可以分别独立计算，能确保各相负载在相电压下安全工作。
情况二，中性线断开：
此时式①改为
③
由于负载不对称，一般情况下≠0，即N’点和N点电位不同了。从图2的相量关系可以清楚得看出，N’点和N点不重合，即中性点位移。在电源对称的前提下，可以根据中性点位移的大小判断负载端不对称的程度。当中性点位移较大时，会造成负载端的电压严重的不对称，从而可能使负载的工作不正常。
图2 相量图
为了解电压不对称的程度，我们不妨用具体数值进行计算，且为方便计算，假设负载均为电阻性负载，其中，，，设电源三相对称，其中，，。则将上述数据带入式③可得，那么再由式②可依次算出负载端，，。
由上述计算数据可见，A相电压最小，C相最大，故阻抗大小与所承受电压大小成反比关系。由于功率，所以所带负载功率越大，则承受电压越小，反之所带负载功率越小，则承受电压越大。现在我们再看表1，则可判定事故发生时C区负荷最小，A区负荷最大。后经考察，C区为新建住宅，有一部分尚未入住，而A、B两区为老宅，住户集中。故可判断中性线烧断后，由于C区负荷小，其承受的电压却最大，因此烧毁了若干电器，B区电压应介于A、C区之间，且升压不大，所以烧毁电器数量很少，仅有3盏照明灯。
至此，似乎事故原因已经查清，但是笔者发现烧断的中性线与各相线截面一致，那么中性线烧断意味着其流过的电流已超过相线电流，因此我们要进行深一步的探讨。
2.2中性线是如何先烧断的
因为本事故涉及到了电缆，故笔者翻阅了《电力工程电缆设计规范》，其中3.7.9条指出：
“1kV以下电源中性点直接接地时，三相四线制系统的电缆中性线截面，不得小于按线路最大不平衡电流持续工作所需最小截面;有谐波电流影响的回路，尚宜符合下列规定：
1.气体放电灯为主要负荷的回路，中性线截面不宜小于相芯线截面。
2.除上述情况外，中性线截面不宜小于50%的相芯线截面。”
由此可见，中性线的截面并不是只跟随相线的截面大小而定，也有一定的要求。在《工业与民用配电设计手册（第三版）》第494页，第六条第（3）则指出：
“三相平衡系统中，有可能存在谐波电流，影响最显著的是三次谐波电流，中性线三次谐波电流值等于相线谐波电流的3倍。选择导线截面时，应计入谐波电流的影响。” “……当谐波电流大于10%时，中性线的线芯截面不应小于相线。例如气体放电灯为主的照明线路、变频调速设备、计算机及直流电源设備等的供电线路。”
手册里举了一个例子，正常负载电流39A，当谐波含有率达50%时，中性线电流有将会达到58.5A，远高于正常负载的相电流，因此，三次谐波的影响不可忽略，尤其是农村负荷中照明负荷占大多数，而且气体放电灯占到绝大多数。
笔者走访了若干住户，每户均有10盏以上的节能灯，功率都不大于25W，主要原因是气体放电灯光效高，小功率即可满足需求。但是这样就带来了一个问题，在标准《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》里有这样的规定：“对于有功功率不大于25W的放电灯，应符合下列两项要求之一：谐波电流不超过表3第2栏中与功率相关的限值;或用基波电流百分数表示的3次谐波电流应不超过86%，5次谐波不超过61%……”。由此可见气体放电灯功率不超过25W时将会有大量的三次谐波存在，这对于主要负荷是照明的变压器来说无疑是个大负担。在除夕这样的节日里，照明用电会达到全年顶峰，加上电视机在此时是主负荷，而且电视机的3次谐波含有量也很高。假设总的3次谐波含有率是60%，容易得到50KVA的配电变压器额定电流是72A，按《工业与民用配电设计手册（第三版）》第495页的例子来计算，可知此时导线截面应按中性线电流来选择，且。对于35mm2铝芯电缆，其最大载流量在117A左右，所以在60%谐波情况下就远不能承受了。
3 事故追溯
根据上述分析，可推断此事故发生过程如下：由于除夕主要负荷为照明和电视机，谐波含量较高且总功率较大，因而变压器处于满载甚至过负荷状态，其中性线电流大于相线电流。变压器的出线端存在接触电阻导致此处为中性线最薄弱处，被过电流烧断，随后引起三相电压不平衡，负荷最小的C区电压升高烧毁若干电器，随之变压器终因过负荷运行时间较长而烧毁。
4 事故反思
在这个事故中，我们应吸取教训，首先是中性线是三相负荷电压对称的重要条件，一旦断线，后果相当严重;其次是中性线的选择不能仅靠简单计算变压器电流，而应引入谐波的影响。从这个层面上来看，正确选择中性线并保证其安全运行是至关重要的;最后值得一提的是，对气体放电灯的使用时需要对小功率（不大于25W）产品的使用率有所限制，不宜区域性大规模使用，其产生的谐波是相当大的。
参考文献：
[1]任元会主编.工业与民用配电设计手册.3版.北京：中国电力出版社，2005.
[2]邱关源，罗先觉主编.电路.5版.北京：高等教育出版社，2006.5
[3]电力工程电缆设计规范.（GB50217-2007）[S]
[4]电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）.（GB17625.1-2012）[S]
【关键词】 停电;10KV;配电变压器;中性线;烧毁;谐波
1 事故经过
2013年除夕23时左右，家中电视机画面弹出警告（该电视机有电压保护功能）：“当前电压超过275V，设备即将关闭！”，我立刻关闭电视机，大约1分钟后家中停电，没过多时已有多人聚集到街上。人群议论时闻到有电线皮烧焦的气味，有人用手电照射变压器后发现变压器一侧外表发黑，而且有烟气冒出，便立即拨打区域供电所电话。半小时后检修人员前来检查，发现变压器烧毁，且中性线连接处已烧断，需要更换。供电在新年初一凌晨1时左右恢复。
2 原因分析
2.1电器是如何烧毁的
当停电事故发生后，从街边议论的人群中了解到一些情况，有的家中毫无征兆便断电，有的家中则烧毁电视机、冰箱等日常家用电器。
检修人员拆下的变压器型号为S9-10＼50KVA＼Dyn11，更换后型号为S9-10＼100KVA＼Dyn11，均为10/0.4KV柱上变压器（以下我们所谈变压器均为此型号）。变压器总出线为四根聚氯乙烯绝缘铝芯电缆，截面均为35mm2，更换为35mm2铜芯电缆。
此变压器供电区域为三个，分别由三相来供电（简以A、B、C来代指，其中笔者处于A区，每区20户左右），笔者当时与人群交谈时，发现存在烧毁电器现象的住户较为集中，如下表所示：
由表1可知，电器烧毁现象集中在C区，即C相所带负荷烧毁现象严重。可得到第一个结论：事故发生时C相电压高于A、B两相。笔者对此进行如下分析。
表1 电器烧毁数量统计表
供电区域
烧毁电器 A B C
电视机 0 0 5
冰箱 0 0 2
照明灯 0 3 16
我们知道，变压器对外供电时最好的情况是三相平衡，这样中性线电流为0，三相负载电压相同为额定相电压，但是这是理想情况，实際运行时不可能有此情况，那么我们就需要对三相系统作一个数学模型来定量计算一下实际运行时的状态。如下图所示：
图1 三相四线配电简化电路图
变压器配电为三相四线制，星形连接负载，电源对称，三个负荷阻抗分别为，中性线阻抗为，由节点电压法可以写出中性线两接点之间的线电压：
①
根据基尔霍夫定律可以写出各相负载的电压为：
②
2.1.1三相负荷平衡时
当，由①式得，所以，即中性线无电流通过，但是在民用配电线路中，此情况不存在。
2.1.2三相负荷不平衡时
当互不相等时，负载电路是不对称的，电路的分析根据中性线运行状况可分为两种情况
情况一，中性线可靠连接：
此时若足够小，则可强使=0。尽管电路是不对称的，但在这条件下，各相仍保持独立性，各相的工作互不影响，因而各相可以分别独立计算，能确保各相负载在相电压下安全工作。
情况二，中性线断开：
此时式①改为
③
由于负载不对称，一般情况下≠0，即N’点和N点电位不同了。从图2的相量关系可以清楚得看出，N’点和N点不重合，即中性点位移。在电源对称的前提下，可以根据中性点位移的大小判断负载端不对称的程度。当中性点位移较大时，会造成负载端的电压严重的不对称，从而可能使负载的工作不正常。
图2 相量图
为了解电压不对称的程度，我们不妨用具体数值进行计算，且为方便计算，假设负载均为电阻性负载，其中，，，设电源三相对称，其中，，。则将上述数据带入式③可得，那么再由式②可依次算出负载端，，。
由上述计算数据可见，A相电压最小，C相最大，故阻抗大小与所承受电压大小成反比关系。由于功率，所以所带负载功率越大，则承受电压越小，反之所带负载功率越小，则承受电压越大。现在我们再看表1，则可判定事故发生时C区负荷最小，A区负荷最大。后经考察，C区为新建住宅，有一部分尚未入住，而A、B两区为老宅，住户集中。故可判断中性线烧断后，由于C区负荷小，其承受的电压却最大，因此烧毁了若干电器，B区电压应介于A、C区之间，且升压不大，所以烧毁电器数量很少，仅有3盏照明灯。
至此，似乎事故原因已经查清，但是笔者发现烧断的中性线与各相线截面一致，那么中性线烧断意味着其流过的电流已超过相线电流，因此我们要进行深一步的探讨。
2.2中性线是如何先烧断的
因为本事故涉及到了电缆，故笔者翻阅了《电力工程电缆设计规范》，其中3.7.9条指出：
“1kV以下电源中性点直接接地时，三相四线制系统的电缆中性线截面，不得小于按线路最大不平衡电流持续工作所需最小截面;有谐波电流影响的回路，尚宜符合下列规定：
1.气体放电灯为主要负荷的回路，中性线截面不宜小于相芯线截面。
2.除上述情况外，中性线截面不宜小于50%的相芯线截面。”
由此可见，中性线的截面并不是只跟随相线的截面大小而定，也有一定的要求。在《工业与民用配电设计手册（第三版）》第494页，第六条第（3）则指出：
“三相平衡系统中，有可能存在谐波电流，影响最显著的是三次谐波电流，中性线三次谐波电流值等于相线谐波电流的3倍。选择导线截面时，应计入谐波电流的影响。” “……当谐波电流大于10%时，中性线的线芯截面不应小于相线。例如气体放电灯为主的照明线路、变频调速设备、计算机及直流电源设備等的供电线路。”
手册里举了一个例子，正常负载电流39A，当谐波含有率达50%时，中性线电流有将会达到58.5A，远高于正常负载的相电流，因此，三次谐波的影响不可忽略，尤其是农村负荷中照明负荷占大多数，而且气体放电灯占到绝大多数。
笔者走访了若干住户，每户均有10盏以上的节能灯，功率都不大于25W，主要原因是气体放电灯光效高，小功率即可满足需求。但是这样就带来了一个问题，在标准《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》里有这样的规定：“对于有功功率不大于25W的放电灯，应符合下列两项要求之一：谐波电流不超过表3第2栏中与功率相关的限值;或用基波电流百分数表示的3次谐波电流应不超过86%，5次谐波不超过61%……”。由此可见气体放电灯功率不超过25W时将会有大量的三次谐波存在，这对于主要负荷是照明的变压器来说无疑是个大负担。在除夕这样的节日里，照明用电会达到全年顶峰，加上电视机在此时是主负荷，而且电视机的3次谐波含有量也很高。假设总的3次谐波含有率是60%，容易得到50KVA的配电变压器额定电流是72A，按《工业与民用配电设计手册（第三版）》第495页的例子来计算，可知此时导线截面应按中性线电流来选择，且。对于35mm2铝芯电缆，其最大载流量在117A左右，所以在60%谐波情况下就远不能承受了。
3 事故追溯
根据上述分析，可推断此事故发生过程如下：由于除夕主要负荷为照明和电视机，谐波含量较高且总功率较大，因而变压器处于满载甚至过负荷状态，其中性线电流大于相线电流。变压器的出线端存在接触电阻导致此处为中性线最薄弱处，被过电流烧断，随后引起三相电压不平衡，负荷最小的C区电压升高烧毁若干电器，随之变压器终因过负荷运行时间较长而烧毁。
4 事故反思
在这个事故中，我们应吸取教训，首先是中性线是三相负荷电压对称的重要条件，一旦断线，后果相当严重;其次是中性线的选择不能仅靠简单计算变压器电流，而应引入谐波的影响。从这个层面上来看，正确选择中性线并保证其安全运行是至关重要的;最后值得一提的是，对气体放电灯的使用时需要对小功率（不大于25W）产品的使用率有所限制，不宜区域性大规模使用，其产生的谐波是相当大的。
参考文献：
[1]任元会主编.工业与民用配电设计手册.3版.北京：中国电力出版社，2005.
[2]邱关源，罗先觉主编.电路.5版.北京：高等教育出版社，2006.5
[3]电力工程电缆设计规范.（GB50217-2007）[S]
[4]电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）.（GB17625.1-2012）[S]