究竟零線、地線的原理是什么？

很多人對(duì)零線的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的，究竟零線、地線的原理是什么?且聽(tīng)老師細(xì)細(xì)道來(lái)。

01 我們先來(lái)看圖1：

圖1中還未出現(xiàn)零線，只有三條相線L1/L2/L3，以及三條相線的中性線N。三條相線對(duì)N線的電壓均為220V，相線之間的電壓則為380V。

交流電壓的表達(dá)式為：

交流電流的表達(dá)式為：

請(qǐng)注意，當(dāng)三相平衡時(shí)，中性線總線上的電壓和電流有如下特性：

在圖1中，具有此特性的只有標(biāo)注了N字樣的中性線總線，而中性線支線是不具有此特性的。

對(duì)于中性線支線來(lái)說(shuō)，流過(guò)中性線的電流與相線電流大小相等方向相反。

我們?cè)賮?lái)看圖1。圖1中的中性線發(fā)生了斷裂，于是在斷裂點(diǎn)的前方，中性線的電壓依舊為零，但斷裂點(diǎn)的后方若三相平衡時(shí)，它的電壓為零;但若三相不平衡，則斷裂點(diǎn)后方的中性線電壓會(huì)上升，最高會(huì)升到相電壓。

事實(shí)上，只要三相不平衡，盡管中性線并未斷裂，中性線的電壓也會(huì)上升。

02 我們看圖2和圖3：

在圖2中，變壓器的中性點(diǎn)做了接地，此接地在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，被稱為系統(tǒng)接地。注意，這里的接地符號(hào)是接大地的意思。

系統(tǒng)接地的意義有兩個(gè)：

第一個(gè)意義：系統(tǒng)接地使得變壓器的中性線的電位被強(qiáng)制性地鉗制在大地的零點(diǎn)位。

第二個(gè)意義：給系統(tǒng)的接地電流提供了一條通道。

值得注意的是：圖2中的N線因?yàn)橛辛斯ぷ鹘拥?，所以它的符?hào)也變了，變成PEN，也就是通常所說(shuō)的零線。

零線，它的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。在這里，保護(hù)優(yōu)先于中性線功能。

通過(guò)前面的論述我們已經(jīng)知道，若零線斷裂，由于零線具有中性線功能，所以斷裂點(diǎn)后部的零線電壓可能會(huì)上升。

事實(shí)上，零線斷裂點(diǎn)后部的由電壓完全由下式?jīng)Q定：

可以看出，如果、和 各不相同，則三相電壓就不平衡，零線電壓當(dāng)然也不等于零。

同理，我們可以看到零線斷裂點(diǎn)后部的電流也與三相不平衡有關(guān)。

再看圖3，我們發(fā)現(xiàn)零線PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現(xiàn)零線斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。

注意，圖2對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C，而圖3對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C-S。

03 我們來(lái)看圖4：

圖4中，變壓器中性點(diǎn)接地，而用電設(shè)備的外殼直接接地。

正常運(yùn)行時(shí)，我們看到，用電設(shè)備的外殼根本就不會(huì)有任何電流流過(guò)。

現(xiàn)在，我們來(lái)分析L3相對(duì)用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼事故的情況。

我們首先遇見(jiàn)的是外殼接地電阻有多大這個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50054《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中，把外殼接地后的電阻以及地網(wǎng)電阻合并叫做接地極電阻，并規(guī)定它的值不得大于4歐。但在工程上，一般認(rèn)為接地極電阻為0.8歐。

其次，我們需要知道零線電纜的電阻是多少。這個(gè)值可以根據(jù)具體線路參數(shù)來(lái)考慮。方便起見(jiàn)，不妨先規(guī)定這條零線電纜的長(zhǎng)度是100米，電纜芯線截面是16平方毫米，它的工作溫度是30攝氏度，則它的電阻為：

有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)，我們就可以來(lái)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算了。

我們看圖4的下圖，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)L3相對(duì)用電設(shè)備的外殼短路時(shí)，零線中有電流流過(guò)，地網(wǎng)中也有電流流過(guò)。

注意到零線電阻和地網(wǎng)電阻其實(shí)是并聯(lián)的，按照中學(xué)的電學(xué)物理知識(shí)，我們知道并聯(lián)電路的電流與電阻的阻值成反比，也即：

由此推得：

由上面的公式可以看到，地網(wǎng)電流與零線電阻和地網(wǎng)電阻的比值有關(guān)。我們把接地極電阻按4歐取值，把具體參數(shù)代入，得到地網(wǎng)電流為：

即便我們按工程慣例接地極電阻取為0.8歐，得到地網(wǎng)電流為：

也就是說(shuō)，地網(wǎng)電流只相當(dāng)于零線電流的3%~15%而已!我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有零線電流的6%。

04 現(xiàn)在，我來(lái)提個(gè)問(wèn)題：

用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼故障后，地網(wǎng)電流如此之小，與零線電流相比，幾乎可以忽略不計(jì)，那么用電設(shè)備的外殼帶電將長(zhǎng)期存在。如此一來(lái)，必然會(huì)出現(xiàn)人身傷害事故。

那么，在實(shí)際接線中，我們是如何來(lái)保護(hù)人身安全的?

下面給大家普及一些基本概念：

什么叫做系統(tǒng)接地或者工作接地?

系統(tǒng)接地(工作接地))指的是電力變壓器中性點(diǎn)接地，用T來(lái)表示，沒(méi)有就用I來(lái)表示。

什么叫做保護(hù)接地?

保護(hù)接地指的是用電設(shè)備的外殼直接接地，用T表示。若外殼接到來(lái)自電源的零線或者地線，則用N表示。

什么叫做接地形式?

接地形式有三種，分別是TN、TT和IT。TN下又分為T(mén)N-C、TN-S和TN-C-S。

第一幅圖：TN-C接地系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)

由于電路中有系統(tǒng)接地，但負(fù)載外殼沒(méi)有直接接地，而是通過(guò)零線PEN間接接地，所以該接地系統(tǒng)叫做TN-C。

圖中左上角就是變壓器低壓側(cè)繞組，我們看到它引出了三條相線L1/L2/L3和一條PEN零線。注意到零線的左側(cè)有兩次接地，第一次在變壓器的中性點(diǎn)，這叫做系統(tǒng)接地，第二次在中間某處，叫做重復(fù)接地。重復(fù)接地的意義就是防止零線斷裂后其后部零線的電壓上升。

值得注意的是負(fù)載。我們看到中間的負(fù)載PEN首先引到外殼，然后再引到零線接線端子。這說(shuō)明，零線PEN是保護(hù)優(yōu)先的。也因此，零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。

下圖是TN-S系統(tǒng)：

第二幅圖：TN-C-S接地系統(tǒng)

TN-C-S區(qū)別于TN-C，就在于PEN在重復(fù)接地后分開(kāi)為N中性線和PE保護(hù)線。

注意到TN-C-S的-S側(cè)負(fù)載的外殼是接在PE線上的，而TN-C-S的-C側(cè)則是接在PEN線上，因此前者是保護(hù)接地，后者是保護(hù)接零。兩者相比，零線不能中斷，而PE線同樣也不能中斷。

在居家配電系統(tǒng)和學(xué)校、企事業(yè)單位配電系統(tǒng)中，TN-C-S非常普遍。

第三幅圖：TT接地系統(tǒng)

從符號(hào)代碼看，TT接地系統(tǒng)有系統(tǒng)接地，但它的保護(hù)接地采取直接接地的方式實(shí)現(xiàn)的。

TT接地系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)直接接地，而用電負(fù)載的外殼也獨(dú)立直接接地。構(gòu)成保護(hù)接地。

值得注意的是：我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)描述過(guò)了，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)地網(wǎng)的電流實(shí)際上只有N線電流的6%左右。因此，TT系統(tǒng)下發(fā)生的單相接地故障電流相對(duì)TN要小得多。

現(xiàn)在我們來(lái)對(duì)比TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的異同點(diǎn)：

1.對(duì)于TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于首字母都是T，說(shuō)明這兩個(gè)系統(tǒng)都有系統(tǒng)接地;

2.由于TN系統(tǒng)的N線與PE線在系統(tǒng)接地處或者重復(fù)接地處是連在一起的，PEN則完全合并在一起，而用電設(shè)備的外殼直接與PE或者PEN連在一起，因此發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流會(huì)比較大，近似于相線對(duì)N線的短路。所以，TN系統(tǒng)又叫做大電流接地系統(tǒng);

TT的系統(tǒng)接地與保護(hù)接地完全獨(dú)立，單相接地故障電流要返回電源，必須通過(guò)地網(wǎng)，并且電流較小。所以，TT系統(tǒng)又叫做小電流接地系統(tǒng)。

05 有了接地系統(tǒng)的解釋?zhuān)覀兙涂梢曰卮饐?wèn)題了。

1.適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?/p>

適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?，使得用電設(shè)備的前接斷路器可以執(zhí)行過(guò)電流保護(hù)操作，這就是具有大接地電流的TN系統(tǒng)。

2.加裝漏電保護(hù)裝置RCD

我們來(lái)看圖5：

圖5中，我們看到變壓器的中性點(diǎn)直接接地，然后分開(kāi)為N和PE，并且PE一直延伸到負(fù)載側(cè)并接到用電設(shè)備的外殼上。所以，此接地方式屬于TN-S接地系統(tǒng)。

當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，PE線的電阻當(dāng)然小于地網(wǎng)電阻，并且PE的最前端還與N線相連，接地電流被放大到接近相對(duì)N的短路電流，則距離用電設(shè)備最近的上游斷路器會(huì)執(zhí)行過(guò)電流跳閘保護(hù)。

圖5中，我們還看到從二級(jí)配電用四芯電纜引了三條相線和N線到負(fù)載側(cè)，PE線被切斷了，而用電設(shè)備的外殼直接接地。于是當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，接地電流只能通過(guò)地網(wǎng)返回電源。此接地方式屬于TN-S下的TT接地系統(tǒng)。

由于TT下通過(guò)地網(wǎng)的接地電流很小，所以IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了必須安裝漏電保護(hù)裝置RCD。

RCD的原理如下：

未發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相電流合并N線電流后的相量和為零。當(dāng)發(fā)生漏電后，某相電流會(huì)增加，并且漏電流經(jīng)過(guò)地網(wǎng)返回電源，則N線電流依然與先前一致。于是，零序電流互感器的磁路中會(huì)出現(xiàn)磁通，其測(cè)量繞組中當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)電流，并驅(qū)動(dòng)檢測(cè)和控制部件使得前接斷路器執(zhí)行漏電保護(hù)動(dòng)作。

RCD的動(dòng)作電流可以在30毫安以下，有效地保護(hù)了人身安全。

審核編輯：湯梓紅