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從接地系統(tǒng)的一個(gè)小問(wèn)題入手，掌握最全的接地知識(shí)！值得多看幾遍

文章出處：http://www.han-ling.com.cn/責(zé)任編輯：消防檢測(cè)儀器設(shè)備人氣：737發(fā)表時(shí)間：2020-08-06 15:50:19

提到接地系統(tǒng)，可以說(shuō)一直是大部分弱電從業(yè)者的難點(diǎn)。一方面是接地系統(tǒng)更多用于強(qiáng)電中，另一方面在弱電實(shí)際工程中很多人接觸接地系統(tǒng)也不多。但是對(duì)于接地的原理我們應(yīng)該是要掌握的。

有人問(wèn)：為什么回路電流走零線(xiàn)不走地線(xiàn)，而漏電流走地線(xiàn)不走零線(xiàn)，零線(xiàn)地線(xiàn)原理是什么？

如圖所示， 一直搞不清楚地線(xiàn)和零線(xiàn)的原理， 地線(xiàn)的兩端分別是什么，保護(hù)中性線(xiàn)的兩端是什么。漏電流為什么走的地線(xiàn)而回線(xiàn)的電流不走地線(xiàn)？

這個(gè)問(wèn)題很有典型，對(duì)保護(hù)中性線(xiàn)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)表述很到位，的確是許多人的認(rèn)知盲區(qū)。零線(xiàn)的準(zhǔn)確名稱(chēng)是保護(hù)中性線(xiàn)。

先說(shuō)答案：這個(gè)主題本身就是錯(cuò)的。要知道，保護(hù)中性線(xiàn)是中性線(xiàn)與地線(xiàn)的合并線(xiàn)，保護(hù)中性線(xiàn)包括了地線(xiàn)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(hù)中性線(xiàn)，只有三條相線(xiàn)L1/L2/L3，以及三條相線(xiàn)的中性線(xiàn)N。三條相線(xiàn)對(duì)N線(xiàn)的電壓均為220V，相線(xiàn)之間的電壓則為380V。

我們知道，交流電壓的表達(dá)式為：  ，

而交流電流的表達(dá)式為：  。

注意到一個(gè)事實(shí)，當(dāng)三相平衡時(shí)，中性線(xiàn)總線(xiàn)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(xiàn)總線(xiàn)，而中性線(xiàn)支線(xiàn)是不具有此特性的。

對(duì)于中性線(xiàn)支線(xiàn)來(lái)說(shuō)，流過(guò)中性線(xiàn)的電流與相線(xiàn)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(xiàn)發(fā)生了斷裂，于是在斷裂點(diǎn)的前方，中性線(xiàn)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(xiàn)電壓會(huì)上升，最高會(huì)升到相電壓。

事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)，只要三相不平衡，盡管中性線(xiàn)并未斷裂，但中性線(xiàn)的電壓也會(huì)上升。

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我們看圖2和圖3：

 

圖2中，在變壓器的中性點(diǎn)做了接地，此接地在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，被稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)因?yàn)橛辛斯ぷ鹘拥兀运姆?hào)也變了，變成PEN，也就是題主主題中的保護(hù)中性線(xiàn)。

保護(hù)中性線(xiàn)在這里，保護(hù)優(yōu)先于中性線(xiàn)功能。

通過(guò)前面的論述我們已經(jīng)知道，若保護(hù)中性線(xiàn)斷裂，由于保護(hù)性中性線(xiàn)具有中性線(xiàn)功能，所以斷裂點(diǎn)后部的保護(hù)性中性線(xiàn)電壓可能會(huì)上升。

事實(shí)上，保護(hù)性中性線(xiàn)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，保護(hù)性中性線(xiàn)電壓當(dāng)然也不等于零。

同理，我們可以看到保護(hù)性中性線(xiàn)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)保護(hù)性中性線(xiàn)PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現(xiàn)保護(hù)性中性線(xiàn)斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。

注意哦，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。

看到現(xiàn)在，我們可以回答問(wèn)題了。

我們來(lái)看圖4：

零線(xiàn)的準(zhǔn)確名稱(chēng)是保護(hù)中性線(xiàn)

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，我們需要知道保護(hù)性中性線(xiàn)電纜的電阻是多少。這個(gè)值可以根據(jù)具體線(xiàn)路參數(shù)來(lái)考慮。方便起見(jiàn)，不妨先規(guī)定這條保護(hù)性中性線(xiàn)電纜的長(zhǎng)度是100米，電纜芯線(xiàn)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)，保護(hù)性中性線(xiàn)中有電流流過(guò)，地網(wǎng)中也有電流流過(guò)。

注意到保護(hù)性中性線(xiàn)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：

----------------式1

由式1我們看到，地網(wǎng)電流與保護(hù)性中性線(xiàn)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)于保護(hù)性中性線(xiàn)電流的3%~15%而已！我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有保護(hù)性中性線(xiàn)電流的6%。

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，與保護(hù)性中性線(xiàn)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(xiàn)中，我們是如何來(lái)保護(hù)人身安全的？

提示：這個(gè)問(wèn)題的涉及面有點(diǎn)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(hù)接零及保護(hù)接地有關(guān)，與TN-C系統(tǒng)下到底采用斷路器保護(hù)還是采用漏電開(kāi)關(guān)保護(hù)也有關(guān)。

解答：從以上描述中我們看到，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，地網(wǎng)電流很小，根本不足以推動(dòng)斷路器或者熔斷器執(zhí)行保護(hù)。怎么辦呢？

國(guó)際電工委員會(huì)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(gè)概念：

第一個(gè)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。

第二個(gè)概念，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)自電源的保護(hù)性中性線(xiàn)或者地線(xiàn)，則用N表示。

第三個(gè)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T(mén)N-C、TN-S和TN-C-S。

知曉這幾個(gè)概念后，我們來(lái)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)的權(quán)威解釋。

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)保護(hù)性中性線(xiàn)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(xiàn)L1/L2/L3和一條PEN保護(hù)性中性線(xiàn)。注意到保護(hù)性中性線(xiàn)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保護(hù)性中性線(xiàn)斷裂后其后部保護(hù)性中性線(xiàn)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，然后再引到保護(hù)性中性線(xiàn)接線(xiàn)端子。這說(shuō)明，保護(hù)性中性線(xiàn)PEN是保護(hù)優(yōu)先的。

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(xiàn)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。

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

1.需要適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?/span>

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(xiàn)的電阻當(dāng)然小于地網(wǎng)電阻，并且PE的最前端還與N線(xiàn)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(xiàn)和N線(xiàn)到負(fù)載側(cè)，PE線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

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(shí)際應(yīng)用，值得收藏多讀幾遍！

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