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接地系統(tǒng)原理解析，電力人知識

閱讀：8發(fā)布時間：2025-3-17

提到接地系統(tǒng)，可以說一直是工程中的難點。對于其中的原理，很多工程師未必能吃透，今天我們就一起來深入了解接地系統(tǒng)的原理。

有人問：為什么回路電流走零線不走地線，而漏電流走地線不走零線，零線地線原理是什么？

圖片

如圖所示， 一直搞不清楚地線和零線的原理， 地線的兩端分別是什么，保護中性線的兩端是什么。漏電流為什么走的地線而回線的電流不走地線？
這個問題很有典型，對保護中性線錯誤的認識表述很到位，的確是許多人的認知盲區(qū)。零線的準確名稱是保護中性線。
先說答案：這個主題本身就是錯的。要知道，保護中性線是中性線與地線的合并線，保護中性線包括了地線功能在內(nèi)。
那應(yīng)該怎么看？我們看圖1：
注意到圖1中還未出現(xiàn)保護中性線，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N線的電壓均為220V，相線之間的電壓則為380V。
我們知道，交流電壓的表達式為：
而交流電流的表達式為： 圖片 。
注意到一個事實，當三相平衡時，中性線總線上的電壓和電流有如下特性：
圖片
在圖1中，具有此特性的只有標注了N字樣的中性線總線，而中性線支線是不具有此特性的。
對于中性線支線來說，流過中性線的電流與相線電流大小相等方向相反。
我們再來看圖1。圖1中的中性線發(fā)生了斷裂，于是在斷裂點的前方，中性線的電壓依舊為零，但斷裂點的后方若三相平衡時，它的電壓為零；但若三相不平衡，則斷裂點后方的中性線電壓會上升，會升到相電壓。
事實上，我們發(fā)現(xiàn)，只要三相不平衡，盡管中性線并未斷裂，但中性線的電壓也會上升。
我們看圖2和圖3：
圖2中，在變壓器的中性點做了接地，此接地在國家標準和規(guī)范中，被稱為系統(tǒng)接地。注意，這里的接地符號是接大地的意思。
系統(tǒng)接地的意義有兩個：
**個意義：系統(tǒng)接地使得變壓器的中性線的電位被強制性地鉗制在大地的零點位；
第二個意義：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線因為有了工作接地，所以它的符號也變了，變成PEN，也就是題主主題中的保護中性線。
保護中性線在這里，保護優(yōu)先于中性線功能。
通過前面的論述我們已經(jīng)知道，若保護中性線斷裂，由于保護性中性線具有中性線功能，所以斷裂點后部的保護性中性線電壓可能會上升。
事實上，保護性中性線斷裂點后部的由電壓由下式?jīng)Q定：
可以看出，如果、圖片和 圖片各不相同，則三相電壓就不平衡，保護性中性線電壓當然也不等于零。
同理，我們可以看到保護性中性線斷裂點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)保護性中性線PEN中采取多點接地的方法，以避免出現(xiàn)保護性中性線斷裂點后部電壓上升的情況。
注意哦，圖2對應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C，而圖3對應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C-S。
看到現(xiàn)在，我們可以回答問題了。
我們來看圖4：
零線的準確名稱是保護中性線
圖4中，變壓器中性點接地，而用電設(shè)備的外殼直接接地。
正常運行時，我們看到，用電設(shè)備的外殼根本就不會有任何電流流過。
現(xiàn)在，我們來分析L3相對用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼事故的情況。
我們首先遇見的是外殼接地電阻有多大這個基礎(chǔ)參數(shù)。在國家標準GB50054《低壓配電設(shè)計規(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，一般認為接地極電阻為0.8歐。
其次，我們需要知道保護性中性線電纜的電阻是多少。這個值可以根據(jù)具體線路參數(shù)來考慮。方便起見，不妨先規(guī)定這條保護性中性線電纜的長度是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：
有了這兩個數(shù)據(jù)，我們就可以來進行實際計算了。
我們看圖4的下圖，我們發(fā)現(xiàn)當L3相對用電設(shè)備的外殼短路時，保護性中性線中有電流流過，地網(wǎng)中也有電流流過。
注意到保護性中性線電阻和地網(wǎng)電阻其實是并聯(lián)的，按照中學(xué)的電學(xué)物理知識，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：
圖片----------------式1
由式1我們看到，地網(wǎng)電流與保護性中性線電阻和地網(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：
圖片 。
也就是說，地網(wǎng)電流只相當于保護性中性線電流的3%~15%而已！我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有保護性中性線電流的6%。
現(xiàn)在，我來提個問題：
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，與保護性中性線電流相比，幾乎可以忽略不計，那么用電設(shè)備的外殼帶電將長期存在。如此一來，必然會出現(xiàn)人身傷害事故。
那么，在實際接線中，我們是如何來保護人身安全的？
提示：這個問題的涉及面有點廣，與低壓配電網(wǎng)的接地形式有關(guān)，與用電設(shè)備的保護接零及保護接地有關(guān)，與TN-C系統(tǒng)下到底采用斷路器保護還是采用漏電開關(guān)保護也有關(guān)。
解答：從以上描述中我們看到，當發(fā)生單相接地故障時，地網(wǎng)電流很小，根本不足以推動斷路器或者熔斷器執(zhí)行保護。怎么辦呢？
國際電工委員會IEC提出了解決方案，這就是接地系統(tǒng)。
在具體描述之前，我們先明確幾個概念：
**個概念，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接地，用T來表示，沒有就用I來表示。
第二個概念，什么叫做保護接地？
保護接地指的是用電設(shè)備的外殼直接接地，用T表示。若外殼接到來自電源的保護性中性線或者地線，則用N表示。
第三個概念，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TN-C、TN-S和TN-C-S。
知曉這幾個概念后，我們來看看IEC給出的有關(guān)TN-C和TT系統(tǒng)的原圖。注意，這兩幅圖是不容置疑的，是有關(guān)接地系統(tǒng)的解釋。
**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，但負載外殼沒有直接接地，而是通過保護性中性線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保護性中性線。注意到保護性中性線的左側(cè)有兩次接地，**次在變壓器的中性點，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保護性中性線斷裂后其后部保護性中性線的電壓上升。
值得注意的是負載。我們看到中間的負載PEN首先引到外殼，然后再引到保護性中性線接線端子。這說明，保護性中性線PEN是保護優(yōu)先的。
值得注意的是：我們在前面已經(jīng)描述過了，當發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)地網(wǎng)的電流實際上只有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TN要小得多。
有了接地系統(tǒng)的解釋，我們就可以回答問題了。
1.需要適當?shù)胤糯蠼拥仉娏?/span>
適當?shù)胤糯蠼拥仉娏?，使得用電設(shè)備的前接斷路器可以執(zhí)行過電流保護操作，這就是具有大接地電流的TN系統(tǒng)。
2.加裝漏電保護裝置RCD。
我們來看圖5：
圖5中，我們看到變壓器的中性點直接接地，然后分開為N和PE，并且PE一直延伸到負載側(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)。
當用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，PE線的電阻當然小于地網(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N的短路電流，則距離用電設(shè)備最近的上游斷路器會執(zhí)行過電流跳閘保護。
圖5中，我們還看到從二級配電用四芯電纜引了三條相線和N線到負載側(cè)，PE線被切斷了，而用電設(shè)備的外殼直接接地。于是當用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，接地電流只能通過地網(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下通過地網(wǎng)的接地電流很小，所以IEC和國家標準都規(guī)定了必須安裝漏電保護裝置RCD。
RCD的原理如下：
未發(fā)生單相接地故障時，三相電流合并N線電流后的相量和為零。當發(fā)生漏電后，某相電流會增加，并且漏電流經(jīng)過地網(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出現(xiàn)磁通，其測量繞組中當然會出現(xiàn)電流，并驅(qū)動檢測和控制部件使得前接斷路器執(zhí)行漏電保護動作。
RCD的動作電流可以在30毫安以下，有效地保護了人身安全。
這篇文章信息量比較大，但都是接地系統(tǒng)經(jīng)典理論的實際應(yīng)用，值得收藏多讀幾遍！




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