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电工电气:零线和中性线的区别
点击次数:154次 发布时间:2019/4/24 19:45:03 返回列表

零线就是接了地的三相交流配电系统的中性线。

以下来分别讨论零线问题。

1.直流多电源系统的公共线与零电位

我们来想象一下:我们有一套单片机系统,它的工作电源输出的是5V直流电压;我们还有与单片机系统配套的输入输出系统,它们的工作电源输出的是正15V和负15V直流电压。如果我们把这三个电源组合在一起,显见,我们需要有一个电压为零的零电位公共参考点。见图1:

树上鸟教育电气设计

图1中,我们看到三组电源有一个公共线,它的下方标注有参考地的接地符号,表面此线的电位为零,也即电压的参考点。

我们来看看这条零电位参考点的公共线有何特点:

(1)D点连同公共线其实是同一个节点,也即D点;

(2)根据节点定律(基尔霍夫第一定律),我们知道公共线的电压为零,但它的电流是15A。

这告诉我们一个很基本的事实:公共点的零电位是人为给定的,它不遵循欧姆定律。

2.电力变压器的低压侧三相绕组的中性线与零线

我们看图2:

树上鸟教育电气设计

图2中,我们把图1中的三个直流电源换成电力变压器的三相绕组,也即A相绕组、B相绕组和C相绕组。

注意1:图2中的中性线,其实就是三相绕组的公共端。公共端其实相当于一个节点,也即D节点。

注意2:图2中性线的接地符号与图1不同,此符号表示接大地。接大地的符号有两重性质,其一是接地点具有零电位,其二因为大地的容量极大,因此接地后的中性线具有保护人身安全性质。

注意3:由注意2可知,变压器中性线直接接地后,也有两重意义:其一是中性线的电压为零,其二是中性线具有人身安全防护的保护线性质。

在国际电工委员会IEC60364标准中,把中性线叫做N线,把地线叫做PE线,把接了地的中性线叫做PEN线。PEN线就是零线。

中性线和零线一样,它们的电压为零,但电流不一定为零。也就是说,中性线和零线的电压是人为规定的,它是节点电压,并且不符合欧姆定律。

3.利用零线实现人身安全防护——保护接零措施

我们已经知道,零线的源头是接地的,我们可以利用零线的这个性质来用电电器的实现人身安全防护。

首先,我们来认识IEC60364规定的TN-C接地系统:

树上鸟教育电气设计

在图3中,我们看到了中性线在离开变压器后直接进行系统接地,并就此生成零线PEN。接着零线在入户前,再次重复接地。零线接入用电负荷时,首先被引到用电负荷的外壳上,实现保护接零,然后再引至零线接线端子上。由此可见,零线担任了保护人身安全的重任。

但这种保护是存在问题的。问题在于,零线一旦断裂,断裂点后部的零线立即成为负载侧的中性线,负载侧未接地中性线的电压UNfz是不定的,当三相不平衡时,UNfz的电压可能会上升,最高会上升至相电压220V。又因为负载侧用电负荷的外壳做了保护接零,可想而知人触及这些用电电器的外壳时必然会发生电击伤害。见图4:

树上鸟教育电气设计

从图4中我们看到,零线断裂点后部的零线事实上就是负载侧的中性线Nfz,并且断裂点后部的用电设备外壳还做了保护接零。如果因为三相不平衡的原因使得中性线Nfz的电压UNfz上升,则会对人体产生伤害事故。

所以,IEC要求在使用TN-C接线方式时,必须多点重复接地,尽量避免上述现象出现。

4.中性线和零线的电流

设TN-C系统下,三条相线的电流分别为、和。我们来看看这三个电流合并后会有什么现象:

也就是说,如果三相是平衡的,也即Ia=Ib=Ic,则中性线电流In或者零线电流Ipen是等于零的。

不过,这种现象仅仅出现在中性线或者零线的总线上。在中性线或者零线的分支线上的电流并不等于零。

我们来看图5:

树上鸟教育电气设计

我们看到系统中接入了6只灯泡,每相两只,所以三相负荷是平衡的。

注意到零线的分支电流:Ipen1、Ipen2和Ipen3并不等于零,它们的电流与各自的火线(相线)电流大小相等方向相反。只有在零线的总线上,才有Ipen=0。

5.零线中的PE保护功能和中性线N功能可以再次分开吗?

答案是肯定的。这就是IEC60364推荐的TN-C-S接地系统。见图6:

树上鸟教育电气设计

图6中,第一个负载是在TN-C接地系统下,它的外壳是保护接地。在第一个负载的右侧,我们看到零线开始分开为保护线PE线和中性线N,然后入户。第二个负载的外壳接PE线,它的电源则引入N线。

这样做有什么好处?

第一:从此不再有零线断裂出现用电负载外壳高压伤人的事故。

第二:即便中性线断裂,三相不平衡出现的Unpe高电压也不会伤及人身。

不过,此时的PE必须确保是连续的,中间不能有任何断裂点。一旦出现断裂点,其后部的保护功能就会失效。

另外,TN-C-S接地系统下,PE线和N线不得再次合并,两者必须保持彻底的绝缘。

TN-C-S接地系统是当前城镇民居最主要的接线方式。不管是学校也好,是办公楼也好,当然也包括居家配电(还有我家),都以此方式为主。

在TN-C-S接地系统下,居家内是可以使用漏电保护装置的,而在TN-C下使用没有太大的意义,即使使用了也无效。

下图是已经发布过的一张图片,供大家参考:

树上鸟教育电气设计

在这张图中,左上侧是外部的TN-C接地系统。我们看到了在入户前PEN做了重复接地,然后PEN零线被分开为保护PE线和中性线N,从此以后,零线就不存在了。

事实上,在TN-C-S接地系统下,我们的家里根本就没有零线!

我们看到,零线被分开为N线和PE线后,相线和N线被引入到电度表中,然后入户。

在户内,相线和中性线被接到开关箱的双极主开关中,此开关又叫做2P开关,这里的P是英文Pole(极)的首字母。

我们看到,主开关的下部安装有漏电保护器RCD,对户内出现的漏电现象实施保护。

6.在TN-C接地系统下,可以使用4极开关或者2极开关吗?

答案是否定的。

由于零线不得以任何形式断开,因此零线不能进任何开关,也不得接入保险丝。

所以,在TN-C接地系统中,只能使用普通的3P开关和1P开关。

最后的结论也就是开头的结论:零线就是做了系统接地的中性线,它具有保护的性质,所以零线又叫做保护中性线PEN。

我觉得,这篇东西可能对于许多人是颠覆性的。由此可见,国际标准和国家标准是何种重要。但不管怎么说,期望大家还是把中性线与零线的关系厘清为好。

本文不涉及漏电保护问题,也不涉及其它接地系统的问题。原因很简单,这些问题与主题无关。

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