电气小卫士
我们用国家标准来解读,这部标准是:GB/T 16895.1-2008《低压电气装置 第1部分:基本原则、一般特性评估和定义》,封面如下:
图1:标准的封面
以下把GB/T 16895.1-2008用标准来简称。
我们这就开始。
1.关于中性点和中性线
我们看下图:
图2:中性线是连接电源和负载三相中性点的线
图2的左侧是电力变压器的低压侧三相绕组,它们的公共点就是中性点。我们看到,电源的中性点与负载侧的中性点用导线连接起来,这条线就是中性线,符号是N。
我们来看三相电流与中性线电流的关系:
设三相电流为:
ia=2Iasinωt 、 ib=2Ibsin(ωt+120∘) 、 ic=2Icsin(ωt+240∘) ,
中性线的电流为三相电流之和,即:
in=ia+ib+ic=2Iasinωt+2Ibsin(ωt+120∘)+2Icsin(ωt+240∘)
当三相平衡时,有 Ia=Ib=Ic ,我们令 Ia=Ib=Ic=I ,则有:
in=ia+ib+ic=2Isinωt+2Isin(ωt+120∘)+2Isin(ωt+240∘)=2I[sinωt+sin(ωt+120∘)+sin(ωt+240∘)]=0
由于三相不平衡是常态的,故中性线电流In接近于零但不等于零。
注意1:当三相负载平衡时,中性线N(总线)的电流等于零。
注意2:不管三相总线的中性线N电流是否等于零,但单相支线电路中的中性线电流与相线电流大小相等方向相反。
2.零电位参考点(零点)和零线,以及相关的知识
我们首先弄清楚零电位参考点也即题主所谓的零点的意义。我们看下图:
图3:零电位参考点的意义
图3是一个单片机直流电源系统,我们看到了+5V和±15V的电源系统。注意:在图3的左下角有参考地的标识,说明此点的电位是零,也即全电路的零电位参考点。
我们注意到图3下侧导线因为有零电位参考点,故此线就是地线,它的电位为零。我们看到地线的电流有15A,且与地线的零电位无关。
我们看标准中有关TN-C接地系统的图,图中我添加了标注:
图4:国家标准中的TN-C接地系统
图4是TN-C接地系统。这里的T表示电力变压器中性点直接接地;N表示用电设备的外壳不直接接地,而是接到来自电源侧的保护线上;“-C”表示保护线与中性线是合体的。
图4的左上侧是电力变压器的低压侧绕组,它们的中性点直接接地,然后随同三条相线引出。这条首端接地的中性线叫做保护中性线,符号是PEN,俗称就是零线。
注意3:在TN-C接地系统中,三条相线叫做三相火线,保护中性线叫做零线。
注意4:零线只存在于TN-C接地系统中,其它接地系统是不存在零线的。特别地,具有地线的配电系统中没有零线只有中性线,有零线处没有地线,零线与地线不可能共存。
零线的用途有两个,其一是实现负载侧用电设备金属外壳的保护接零,其二是实现中性线功能。
在图4中的用电设备处,我们看到三条火线和零线。我们注意到零线首先引至用电设备的金属外壳,然后再引至电源引入处。可见,零线的保护作用优先于它的中性线作用。
我们看下图:
图4:当TN-C接地系统中用电设备处发生单相接地故障时,会发生什么?
图4中左侧的用电设备发生了单相接地故障,也即C相火线在用电设备内部出现碰壳。由于用电设备的外壳是保护接零的,故障电流近似为火线对零线的短路电流,线路中的保护装置(断路器或者熔断器)会执行短路保护并切断线路。
注意5:我们把这种漏电保护方式叫做间接防护方式,它是TN系统的特征。
我们把单相接地故障电流被放大为近似短路电流的接地系统叫做大电流接地系统。三种TN接地系统(TN-C、TN-C-S和TN-S)均为大电流接地系统,而TT和IT则为小电流接地系统。小电流接地系统发生单相接地故障后必须通过漏电保护器来切断电源线路,这也是IEC在TT中首推实用漏电保护器的原因。
注意6:正因为零线具有保护线功能,所以零线不得断裂,也不得进开关。
我们看下图:
图5:TN-C居家配电系统中的主进线开关不得使用2P开关
图5中,我们看到接地系统属于TN-C,这里的低压进线主开关是2P的,它切断了零线,故是错误的。此外,当用电设备处发生单相接地故障(漏电故障)时,接在TN-C接地系统中的漏电保护器不会动作,只有当人体触及带电体且电击电流经过大地返回电源时,漏电保护器才会动作。
注意7:类似图5的TN-C居家配电系统很少见,当前只有在农村和城市老旧小区能看到,一般都是TN-C-S接地系统。
图6:标准中的TN-C-S接地系统
图7:居家配电的TN-C-S接地系统
我们从图7中看到,居家配电系统中不存在零线,只有相线、中性线和地线。可见,地线与零线不可能共存。
事实上,我们从TN-S接地系统中能更加清晰地看到这一点:
图8:标准中给出的TN-S接地系统
我们从图8中看到,这里有系统接地(零电位参考点),有中性线N,有地线PE,但没有零线PEN。可见,零线PEN与地线PE是不可能共存的。原因很简单:零线是中性线N与地线PE的合体。
3.结论
现在,我们可以给出题主问题的结论了:
(1)中性点(提问中写成中线点):指电力变压器低压三相绕组的中性点。
(2)中性线(提问中写成中心线):指电力变压器低压侧三相绕组中性点引出的线。
(3)零电位参考点(提问中写成零点):指的是电力变压器中性点直接接地的接地极处,此处是配电系统的大地零电位参考点。
(4)零线:就是TN-C接地系统中的保护中性线PEN,见GB/T 16895.1-2008对TN-C接地系统的定义。
建议题主的用词要准确。查询这些问题时,最好直接看国家标准为好。
最后,给大家提四个问题:
第一个问题:我们已经知道零线不得断裂,也不得进开关和熔断器。试问中性线是否可以断裂?是否可以进开关?地线是否可以断裂?是否可以进开关?
第二个问题:我们已经知道TN-C接地系统中的用电负荷采取保护接零措施,也即用电设备的外壳接零线。如果我们把TN-C接地系统中的用电设备(例如电机)外壳直接接地,而不保护接零,这样做可以吗?如果可以,必须配套何种措施才行?
第三个问题:已知居家配电系统属于TN-C,零线直接入户。试问:如果我们在居家配电系统中安装了漏电保护器,当发生用电设备漏电时漏电保护器是否会动作?当发生人体电击时漏电保护器是否会动作?
第四个问题:我们已经知道了在TN-C接地系统下电力变压器的中性点需要直接接地,以实现电源侧的工作接地。我们还知道,零线需要多点重复接地。试问:零线多点重复接地的目的和意义是什么?
第一个问题的答案:
零线不能断裂的关键是因为它具有保护特性。零线一旦断裂,断裂点后部的零线会因为三相不平衡的原因出现电压漂移,最严重时断裂点后部的零线电位会上升到相电压。又因为TN-C接地系统中的用电负荷采取保护接零措施,故用电设备的外壳会带电,严重威胁到用电安全。故零线不得断裂,也不得进任何开关及熔断器。
对于中性线,我们不可能把它接到用电设备的外壳上。虽然中性线断裂后其断点后部的中性线电位也会发生漂移,但不会影响到用电安全,故中性线当然可以进开关和熔断器。
对于地线PE,它出现在TN-S接地系统和TN-C-S的“-S”系统中,用电设备的外壳均接地线,地线的任务就是保护人身安全。由此可见,地线不得进开关和熔断器,必须确保地线保护导体的连续性。
第二个问题的答案:
这叫做TN系统下的TT系统。
我们看下图,此图是TN-S下的TT系统:
图9:TN-S下的TT接地系统
由于TT是小电流接地系统,故系统中必须安装漏电保护器RCD。
对于TN-C下的TT接地系统,也必须安装漏电保护器,以实现单相接地故障发生时漏电保护器启动并驱动前接断路器执行跳闸保护。
第三个问题的答案:
在TN-C接地系统下用电设备内部发生单相接地故障时,若系统安装了漏电保护器,则漏电保护器不会动作,见下图:
图10:TN-C接地系统下漏电保护器的动作原理
图10的左侧我们看到了用电设备发生单相接地故障,用电设备的外壳保护接零,故漏电电流经由零线返回电源,则穿过漏电保护器零序电流互感器的电流是平衡的,零序电流互感器铁芯(磁芯)中不会出现磁通,故漏电保护器不会动作。
图10的右侧我们看到了L1相火线对大地发生了漏电,或者通过人体对地产生电击电流,此时流过漏电保护器零序电流互感器的电流是不平衡的,零序电流互感器磁芯(铁芯)中会出现磁通。若漏电流超过漏电保护器动作门限,则漏电保护器会动作。
第四个问题的答案:
零线多点接地后,确保零线各处具有大地的零电位。即使零线断裂,断裂点后部的零线电位依然为零,采取保护接零措施的用电设备外壳不会因此而带电。
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