为什么零线在三相平衡时不带电,不平衡时带电,零线的粗细选择是依据什么条件?
最近总有类似问题出现,既然如此,我来给大家科普一下。
第一:粗略地了解一下直流电与交流电的不同之处。
我们来看下图:
图1的是直流电。我们看到图1中有电池电动势E1,有电源内阻r,有外电阻也即负载电阻R,当然还有路端电压U。
对于图1而言,有如下关系:
,
现在我们再来看图2。图2的电路基本上和图1类似,只是它的电源换成交流电源E2。那么上述关系是否存在?答案是肯定的。图2电路中有如下关系:
不过,这里的U和E2都要用交流电的有效值来表征。
上式中,我在符号的右上方加上了波浪形标记,用以表示它是交流电压或者电流的有效值。下同。
第二:关于电压波形图
我们来看下图:
此图是电池供电的直流电压波形图和交流供电的波形图。所谓波形图,它的横坐标是时间,纵坐标是电压或者电流。
从图中看到,电池供电的电压是稳定的,它的电压波形不会出现大幅度的波动。
当然,随着时间的推移,电压值由原先的Up慢慢地降低,其原因是电池内阻会加大。
再看单相交流线路的电压波形图。我们看到,此图的电压波形是正弦波,与电池供电的波形图完全不同了。电压波形会有规律地上下波动,有正半周和负半周。电压的大小和方向时刻在变。
设电压波形的最大值是Um,于是电压波形的表达式是:。
上式中,Um是电压的最大值,是角频率,而t是时间。
注意:
从负载电阻R看电源,我们发现电源电压的大小和方向时时刻刻都在变,但供电的两条线是平权的,除了电压波形相反以外,没有什么不同。
这也是许多知友们无法理解零线和相线的原因。那么到底问题出在哪儿?我们继续往下看。
第三:配电网和安全用电带来的问题
1.我们知道发电机和电力变压器都是三相的,且每个绕组的空间角度相差120度。如果我们把这三个独立绕组所发的电能单独对用户供电,那么就需要6根线。
2.现在我们把三个绕组的末端都连接在一起,构成中性点,并且从中性点引出一条单独的线,这样一来就能节省了两根线,降低了成本。
这根从中性点引出的线叫做中性线。注意,中性线的符号是N,也即N线,但它不是零线!!!
那么中性线上是否有电压或者电流?
要解答这个问题,我们要用到中学里的三角学知识。如下:
因为:,
并且:
所以有:
同时,我们还可以推出,当三相电流平衡时,
原来,当三相平衡时,中性线上的电压为零,电流为零。
第四:零线的定义
中性线既然有这个好处,如果我们把负载的外壳接到中性线上,当负载外壳一旦碰到相线或者发生漏电时,因为中性线电压为零,所以负载的外壳电压亦为零,这样就能保护人身安全了?
答案是否定的。问题有三:
1.当三相不平衡时,中性线电压不为零,电流也不为零。
2.当中性线断开后,断点后部的电压瞬时会发生改变。
3.如果把负载的外壳接在中性线上,当发生上述第一条和第二条时,有可能会危及人身安全。怎么办?
这下国际标准和国家标准出现了。在标准中做了如下两条重要规定:
第一条,把发电机或者变压器的中性点直接接地,然后再引出。这样一来,中性线的电压被强制性地箝位到大地的零电位,确保中性线的零电位不会因为三相不平衡而发生改变。
这条在始端接了地的中性线有了一个名字,叫做保护中性线,也就是本文讨论的主角——零线。
现在,我们的零线终于有了自己的大名和定义了。
第二条,把用电设备的外壳也即外露导电部分接到零线上,确保了用电时的人身安全。国际标准IEC60364(对应的国家标准是GB16895)中,把这种接地形式称为TN-C接地系统。
我们来看一下IEC60364中有关TN-C的标准图:
下面来解释一下:
我们先看左上角。我们看到了三个绕组,这是变压器低压侧的三相绕组,它们引出的线被分别定义为L1、L2和L3。
我们看到,三相绕组的中性点首次接地(在最左边)。这里的接地叫做中性点接地,它的用途就是上述第一条。
由于中性点已经接地,因此从中性点引出的线叫做保护中性线PEN,也即零线。
接着,我们看到PEN线在接到负载前再次重复接地。这里的重复接地目的也很明确:由于电源到用电设备中间隔着配电线路,重复接地可以避免零线断裂而出现高电压,避免因为零线电流较大而出现零线电位改变。重复接地可以确保零线具有零电位。
在负载侧,我们看到PEN线首先引至设备的外壳,然后再引至设备的电源输入端子。这也充分说明了PEN线保护优先的性质。见上述第二条。
第五:线路图分析
我们来看下图,此图是百度上下载的:
我们看到,这张图绘制的是居家配电系统。这张图绘制得正确吗?
答案是:此图存在错误。
我们从上图的左上角看起:
我们看到,左上角引入了两根线,分别是零线和火线。
根据定义,我们已经知道,零线是绝对不允许断路的。但图中把零线输入给一个两极的断路器,可不就是把零线给开断了吗?因此,这里肯定有某种规范在起作用。
我们来看下图:
这张图还是摘自于IEC60364标准。注意看PEN线在引入第二个用电设备时,它分开了,一条是PE线,也即保护线,而另一条是N线,也即中性线。同时,注意到PEN线在分开前,它做了重复接地。
这张图当然与上面的TN-C接地系统不一样,所以这张图对应的接地叫做TN-C-S接地系统。
在TN-C-S接地系统下,入户后零线PEN已经不复存在,而是变成了N和PE。这样做有什么好处?
好处之一:尽管N线中存在不平衡电流,或者它出现断裂,但N线上的电压改变不会影响到负载的外壳接地,因为负载的外壳是接在PE线上的。
好处之二:在户外零线再次接地,确保零线上的电位为零电位。入户后分开为N和PE,PE线上的电压为零。
上面的那张图,错误的地方有:
从入户零线进双极开关来看,接地系统是TN-C-S无疑,否则零线就不得进开关。
入户后,就必须分开为PE和N。我们看到,入户后仍然是零线,说明绘图者连零线的基本概念都没有弄清。
其次,我们在图中未见到任何PE线的影子。天知道绘图者打算如何保护人身安全。
因此这张图对于行家来说让人十分疑惑,对于外行来说又等效于误导,是一张很不好的图。
有了这些知识储备,我们就可以讨论一些有趣的问题了。
问题1:零线是什么线?它的功能是什么?
回答:零线是保护中性线。它的功能首要是保护人身和设备安全,其次才是履行中性线功能。
问题2:零线中有电流流过,它怎么会没有电压呢?
回答:零线是有电压的,但它的电压非常接近于地电位。
问题3:户内到底有没有零线?
回答:如果是按TN-C-S接线,那么户内就没有零线,只有N线和PE线;如果是按TN-C接线,那么户内就有零线。
问题4:零线可以被切断吗?可以经过开关吗?
回答:对于TN-C,必须确保零线未被切断,并且要确保零线不经过开关。
问题5:只有TN-C系统才有零线吗?
回答:是的,只有TN-C系统下才有零线。
问题6:三相五线制下有零线吗?
回答:X相X线叫做线制,其中的线指的是在正常运行状态下有电流流过的线路。相线当然是线,N线也是线,PEN线也是线,但PE不是线。
所以,三相五线制是不存在的,只有三相四线制。TN系统一般都是三相四线制,也有单相两线制。我们已经知道,TN-C是三相四线制,它有零线,也只有它才有零线。
问题7:零线中的电压波形和电流波形是什么样的?
回答:和相线中一致,也是正弦波。见本文的第二条说明。只是,零线的电压幅值极低,而电流幅值就高多了。
问题8:零线电流与电网电流频率有关吗?
回答:我们知道,在配电网中不存在偶次谐波。
对于奇数次谐波,比较特殊的是3K次谐波,其中K等于1,3,5,7,9,……等等。3K次谐波的特点是,三相之间的相位差为零,所以零线中的3K次谐波电流等于各相电流的代数和。这样一来,零线中的3K次谐波电流就很大。
凡是有调光设备的场所,也就是3次谐波的重灾区。在这里,零线(包括N线)会剧烈发热。例如影视中心,演播大厅等等。在此情况下,系统中必须配套3次谐波的滤波器,同时零线(包括N线)的线径必须与相线等截面。
问题9:零线可以摸吗?不会触电吗?
回答:零线如果做好了重复接地,当然可以去摸它。
对于TN-C-S,我们已经知道在入户前零线需要再次重复接地。入户后,它分开为N线和PE线,而用电设备的外壳均接到PE线上。因此,用电设备的外壳通过PE线在入户源头与零线相接,当然与MEB地线也直接相接。
换句话说,我们天天都在摸零线,似乎也不会有什么异常感觉。
问题10:居家配电中保护线PE和漏电断路器RCD的保护措施有何异同?
回答:这个问题很基本。
从以上描述中,我们已经知道低压配电网的两类接地,其一是工作接地,其二是保护接地。
我们看到,PE线其实是把电源侧的工作接地延伸到用电设备附近,只要把用电设备的外壳也即外露导电部分与PE线相接,就此实现了保护接地。
考虑到线路压降,因此工作接地提倡多点重复接地。有时,还配套等电位联结技术,以便在用电设备周围构建一个电位为零的空间环境,使得人体不至于发生触摸性电击。
当出现碰壳事故时,由于接地极的电阻很小,标注中规定是4欧,实际上只有0.2欧,于是接地电流在接地极电阻上产生了接地电压。标准规定,接地电压的最大值不得超过50V。这里的50V电压又被称为安全电压。
相信知友们一定听说过36V的安全电压,不过,36V安全电压是苏联的遗产。IEC规定的安全电压是50V。
线路中涉及到人身安全的过电流保护,就是以50V安全电压来考虑的。
那么RCD又是怎么回事?
我们来看下图:
我们看到,图中从电源引出了L3相和零线到住家附近。在入户前,电冰箱1接在TN-C接地系统线路中,并且漏电开关RCD的零序电流互感器测量的是相线电流与零线电流之和。由前面的有关TN-C接地形式的IEC图可知,电冰箱的外壳是接在PEN线也即零线上的。
现在电冰箱1发生了碰壳事故,那么零序电流互感器的测量值等于多少呢?测量值为零!!!
换句话说,在具有零线的系统中,漏电断路器是一个摆设,什么用处也没有。
再看右边的电冰箱2。我们看到入户前PEN接地,然后分开为N和PE,PE接在电冰箱2的外壳上。当电冰箱2发生了碰壳事故,此时相线电流由两部分构成:其一是流经N线的电流,其二是流经PE线的接地电流,于是零序电流互感器的测量值不为零,RCD能够实现漏电保护。
一般地,漏电动作值为30毫安,小于人体能够接受的最大电流值。
结论是:只有在TN-C-S的TN-S系统中,漏电开关才能起作用。
现在,我们可以得出结论了:PE线的目的是实现人体的触摸性防护,它会将发生漏电后的用电设备外壳电压限制在50V安全电压的范围之内;漏电断路器RCD的目的是实现漏电电流防护,防止人体承受过长时间的电击电流。
最后,我们再来看看那张错误图:在错误图的户内,我们看到的是零线,根本就没有PE线的影子。可想而知,图中的漏电开关能否起作用。
因此,这张图的错误属于致命性的严重错误。
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