你能說清楚零線和中性線的區別嗎?

零線就是接了地的三相交流配電系統的中性線。

以下來分別討論零線問題。

1.直流多電源系統的公共線與零電位

我們來想象一下:我們有一套單片機系統,它的工作電源輸出的是5V直流電壓;我們還有與單片機系統配套的輸入輸出系統,它們的工作電源輸出的是正15V和負15V直流電壓。如果我們把這三個電源組合在一起,顯見,我們需要有一個電壓為零的零電位公共參考點。見圖1:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?


圖1中,我們看到三組電源有一個公共線,它的下方標註有參考地的接地符號,表面此線的電位為零,也即電壓的參考點。

我們來看看這條零電位參考點的公共線有何特點:

(1)D點連同公共線其實是同一個節點,也即D點;

(2)根據節點定律(基爾霍夫第一定律),我們知道公共線的電壓為零,但它的電流是15A。

這告訴我們一個很基本的事實:公共點的零電位是人為給定的,它不遵循歐姆定律。

2.電力變壓器的低壓側三相繞組的中性線與零線

我們看圖2:

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圖2中,我們把圖1中的三個直流電源換成電力變壓器的三相繞組,也即A相繞組、B相繞組和C相繞組。

注意1:圖2中的中性線,其實就是三相繞組的公共端。公共端其實相當於一個節點,也即D節點。

注意2:圖2中性線的接地符號與圖1不同,此符號表示接大地。接大地的符號有兩重性質,其一是接地點具有零電位,其二因為大地的容量極大,因此接地後的中性線具有保護人身安全性質。

注意3:由注意2可知,變壓器中性線直接接地後,也有兩重意義:其一是中性線的電壓為零,其二是中性線具有人身安全防護的保護線性質。

在國際電工委員會IEC60364標準中,把中性線叫做N線,把地線叫做PE線,把接了地的中性線叫做PEN線。PEN線就是零線。

中性線和零線一樣,它們的電壓為零,但電流不一定為零。也就是說,中性線和零線的電壓是人為規定的,它是節點電壓,並且不符合歐姆定律。

3.利用零線實現人身安全防護——保護接零措施

我們已經知道,零線的源頭是接地的,我們可以利用零線的這個性質來用電電器的實現人身安全防護。

首先,我們來認識IEC60364規定的TN-C接地系統:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?


在圖3中,我們看到了中性線在離開變壓器後直接進行系統接地,並就此生成零線PEN。接著零線在入戶前,再次重複接地。零線接入用電負荷時,首先被引到用電負荷的外殼上,實現保護接零,然後再引至零線接線端子上。由此可見,零線擔任了保護人身安全的重任。

但這種保護是存在問題的。問題在於,零線一旦斷裂,斷裂點後部的零線立即成為負載側的中性線,負載側未接地中性線的電壓UNfz是不定的,當三相不平衡時,UNfz的電壓可能會上升,最高會上升至相電壓220V。又因為負載側用電負荷的外殼做了保護接零,可想而知人觸及這些用電電器的外殼時必然會發生電擊傷害。見圖4:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?


從圖4中我們看到,零線斷裂點後部的零線事實上就是負載側的中性線Nfz,並且斷裂點後部的用電設備外殼還做了保護接零。如果因為三相不平衡的原因使得中性線Nfz的電壓UNfz上升,則會對人體產生傷害事故。

所以,IEC要求在使用TN-C接線方式時,必須多點重複接地,儘量避免上述現象出現。

4.中性線和零線的電流

設TN-C系統下,三條相線的電流分別為

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我們來看看這三個電流合併後會有什麼現象:

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也就是說,如果三相是平衡的,也即Ia=Ib=Ic,則中性線電流In或者零線電流Ipen是等於零的。

不過,這種現象僅僅出現在中性線或者零線的總線上。在中性線或者零線的分支線上的電流並不等於零。

我們來看圖5:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?


我們看到系統中接入了6只燈泡,每相兩隻,所以三相負荷是平衡的。

注意到零線的分支電流:Ipen1、Ipen2和Ipen3並不等於零,它們的電流與各自的火線(相線)電流大小相等方向相反。只有在零線的總線上,才有Ipen=0。

5.零線中的PE保護功能和中性線N功能可以再次分開嗎?

答案是肯定的。這就是IEC60364推薦的TN-C-S接地系統。見圖6:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?


圖6中,第一個負載是在TN-C接地系統下,它的外殼是保護接地。在第一個負載的右側,我們看到零線開始分開為保護線PE線和中性線N,然後入戶。第二個負載的外殼接PE線,它的電源則引入N線。

這樣做有什麼好處?

第一:從此不再有零線斷裂出現用電負載外殼高壓傷人的事故。

第二:即便中性線斷裂,三相不平衡出現的Unpe高電壓也不會傷及人身。

不過,此時的PE必須確保是連續的,中間不能有任何斷裂點。一旦出現斷裂點,其後部的保護功能就會失效。

另外,TN-C-S接地系統下,PE線和N線不得再次合併,兩者必須保持徹底的絕緣。

TN-C-S接地系統是當前城鎮民居最主要的接線方式。不管是學校也好,是辦公樓也好,當然也包括居家配電(還有我家),都以此方式為主。

在TN-C-S接地系統下,居家內是可以使用漏電保護裝置的,而在TN-C下使用沒有太大的意義,即使使用了也無效。

下圖是已經發布過的一張圖片,供大家參考:

你能說清楚零線和中性線的區別嗎?

在這張圖中,左上側是外部的TN-C接地系統。我們看到了在入戶前PEN做了重複接地,然後PEN零線被分開為保護PE線和中性線N,從此以後,零線就不存在了。

事實上,在TN-C-S接地系統下,我們的家裡根本就沒有零線!

我們看到,零線被分開為N線和PE線後,相線和N線被引入到電度表中,然後入戶。

在戶內,相線和中性線被接到開關箱的雙極主開關中,此開關又叫做2P開關,這裡的P是英文Pole(極)的首字母。

我們看到,主開關的下部安裝有漏電保護器RCD,對戶內出現的漏電現象實施保護。

6.在TN-C接地系統下,可以使用4極開關或者2極開關嗎?

答案是否定的。

由於零線不得以任何形式斷開,因此零線不能進任何開關,也不得接入保險絲。

所以,在TN-C接地系統中,只能使用普通的3P開關和1P開關。

最後的結論也就是開頭的結論:零線就是做了系統接地的中性線,它具有保護的性質,所以零線又叫做保護中性線PEN。

我覺得,這篇東西可能對於許多人是顛覆性的。由此可見,國際標準和國家標準是何種重要。但不管怎麼說,期望大家還是把中性線與零線的關係釐清為好。

本文不涉及漏電保護問題,也不涉及其它接地系統的問題。原因很簡單,這些問題與主題無關。



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