零線、地線原理是什么？

很多人對零線的認(rèn)識是錯誤的，究竟零線、地線的原理是什么？且聽老師細(xì)細(xì)道來。我們先來看圖1：

圖1中還未出現(xiàn)零線，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。
交流電壓的表達(dá)式為：

交流電流的表達(dá)式為：

請注意，當(dāng)三相平衡時，中性線總線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(diǎn)的前方，中性線的電壓依舊為零，但斷裂點(diǎn)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(diǎn)后方的中性線電壓會上升，最高會升到相電壓。
事實(shí)上，只要三相不平衡，盡管中性線并未斷裂，中性線的電壓也會上升。

我們看圖2和圖3：

在圖2中，變壓器的中性點(diǎn)做了接地，此接地在國家標(biāo)準(zhǔn)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：
第一個意義：系統(tǒng)接地使得變壓器的中性線的電位被強(qiáng)制性地鉗制在大地的零點(diǎn)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?yàn)橛辛斯ぷ鹘拥兀运姆栆沧兞耍兂蒔EN，也就是通常所說的零線。
零線，它的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。在這里，保護(hù)優(yōu)先于中性線功能。
通過前面的論述我們已經(jīng)知道，若零線斷裂，由于零線具有中性線功能，所以斷裂點(diǎn)后部的零線電壓可能會上升。
事實(shí)上，零線斷裂點(diǎn)后部的由電壓*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，零線電壓當(dāng)然也不等于零。
同理，我們可以看到零線斷裂點(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)零線PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現(xiàn)零線斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。
注意，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。

我們來看圖4：

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，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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為接地極電阻為0.8歐。
其次，我們需要知道零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)定這條零線電纜的長度是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(jìn)行實(shí)際計算了。
我們看圖4的下圖，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)L3相對用電設(shè)備的外殼短路時，零線中有電流流過，地網(wǎng)中也有電流流過。
注意到零線電阻和地網(wǎng)電阻其實(shí)是并聯(lián)的，按照中學(xué)的電學(xué)物理知識，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：

由上面的公式可以看到，地網(wǎng)電流與零線電阻和地網(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：

也就是說，地網(wǎng)電流只相當(dāng)于零線電流的3%~15%而已！我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有零線電流的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，與零線電流相比，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(shí)際接線中，我們是如何來保護(hù)人身安全的？
下面給大家普及一些基本概念：
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來表示，沒有就用I來表示。
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。若外殼接到來自電源的零線或者地線，則用N表示。
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。

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)載外殼沒有直接接地，而是通過零線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零線。注意到零線的左側(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零線斷裂后其后部零線的電壓上升。
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，然后再引到零線接線端子。這說明，零線PEN是保護(hù)優(yōu)先的。也因此，零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。
下圖是TN-S系統(tǒng)：

第二幅圖：TN-C-S接地系統(tǒng)

TN-C-S區(qū)別于TN-C，就在于PEN在重復(fù)接地后分開為N中性線和PE保護(hù)線。
注意到TN-C-S的-S側(cè)負(fù)載的外殼是接在PE線上的，而TN-C-S的-C側(cè)則是接在PEN線上，因此前者是保護(hù)接地，后者是保護(hù)接零。兩者相比，零線不能中斷，而PE線同樣也不能中斷。
在居家配電系統(tǒng)和學(xué)校、企事業(yè)單位配電系統(tǒng)中，TN-C-S非常普遍。
第三幅圖：TT接地系統(tǒng)
從符號代碼看，TT接地系統(tǒng)有系統(tǒng)接地，但它的保護(hù)接地采取直接接地的方式實(shí)現(xiàn)的。

TT接地系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)直接接地，而用電負(fù)載的外殼也獨(dú)立直接接地。構(gòu)成保護(hù)接地。
值得注意的是：我們在前面已經(jīng)描述過了，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)地網(wǎng)的電流實(shí)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。
現(xiàn)在我們來對比TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的異同點(diǎn)：
1.對于TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)來說，由于首字母都是T，說明這兩個系統(tǒng)都有系統(tǒng)接地；
2.由于TN系統(tǒng)的N線與PE線在系統(tǒng)接地處或者重復(fù)接地處是連在一起的，PEN則*合并在一起，而用電設(shè)備的外殼直接與PE或者PEN連在一起，因此發(fā)生單相接地故障時，故障電流會比較大，近似于相線對N線的短路。所以，TN系統(tǒng)又叫做大電流接地系統(tǒng)；
TT的系統(tǒng)接地與保護(hù)接地*獨(dú)立，單相接地故障電流要返回電源，必須通過地網(wǎng)，并且電流較小。所以，TT系統(tǒng)又叫做小電流接地系統(tǒng)。

有了接地系統(tǒng)的解釋，我們就可以回答問題了。
1.適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?br data-darkmode-color-16599429100761="rgb(163, 163, 163)" data-darkmode-original-color-16599429100761="#fff|rgb(51, 51, 51)" data-darkmode-bgcolor-16599429100761="rgb(25, 25, 25)" data-darkmode-original-bgcolor-16599429100761="#fff|rgb(255, 255, 255)" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏鳎沟糜秒娫O(shè)備的前接斷路器可以執(zhí)行過電流保護(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線的電阻當(dāng)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(hù)。
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(fù)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(dāng)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(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，三相電流合并N線電流后的相量和為零。當(dāng)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(dāng)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(hù)動作。
RCD的動作電流可以在30毫安以下，有效地保護(hù)了人身安全。