零線(xiàn)、地線(xiàn)原理是什么？

很多人對零線(xiàn)的認識是錯誤的，究竟零線(xiàn)、地線(xiàn)的原理是什么？且聽(tīng)老師細細道來(lái)。我們先來(lái)看圖1：

圖1中還未出現零線(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N線(xiàn)的電壓均為220V，相線(xiàn)之間的電壓則為380V。
交流電壓的表達式為：

交流電流的表達式為：

請注意，當三相平衡時(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。
我們再來(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，只要三相不平衡，盡管中性線(xiàn)并未斷裂，中性線(xiàn)的電壓也會(huì )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，此接地在國家標準和規范中，被稱(chēng)為系統接地。注意，這里的接地符號是接大地的意思。
系統接地的意義有兩個(gè)：
第一個(gè)意義：系統接地使得變壓器的中性線(xiàn)的電位被強制性地鉗制在大地的零點(diǎn)位。
第二個(gè)意義：給系統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)因為有了工作接地，所以它的符號也變了，變成PEN，也就是通常所說(shuō)的零線(xiàn)。
零線(xiàn)，它的準確名稱(chēng)是保護中性線(xiàn)。在這里，保護優(yōu)先于中性線(xiàn)功能。
通過(guò)前面的論述我們已經(jīng)知道，若零線(xiàn)斷裂，由于零線(xiàn)具有中性線(xiàn)功能，所以斷裂點(diǎn)后部的零線(xiàn)電壓可能會(huì )上升。
事實(shí)上，零線(xiàn)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(xiàn)電壓當然也不等于零。
同理，我們可以看到零線(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)現零線(xiàn)PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現零線(xiàn)斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。
注意，圖2對應的接地系統叫做TN-C，而圖3對應的接地系統叫做TN-C-S。

我們來(lái)看圖4：

圖4中，變壓器中性點(diǎn)接地，而用電設備的外殼直接接地。
正常運行時(shí)，我們看到，用電設備的外殼根本就不會(huì )有任何電流流過(guò)。
現在，我們來(lái)分析L3相對用電設備的外殼發(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)基礎參數。在國家標準GB50054《低壓配電設計規范》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，我們需要知道零線(xiàn)電纜的電阻是多少。這個(gè)值可以根據具體線(xiàn)路參數來(lái)考慮。方便起見(jiàn)，不妨先規定這條零線(xiàn)電纜的長(cháng)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)數據，我們就可以來(lái)進(jìn)行實(shí)際計算了。
我們看圖4的下圖，我們發(fā)現當L3相對用電設備的外殼短路時(shí)，零線(xiàn)中有電流流過(guò)，地網(wǎng)中也有電流流過(guò)。
注意到零線(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，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(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)電流只相當于零線(xiàn)電流的3%~15%而已！我們取為中間值，則地網(wǎng)電流只有零線(xiàn)電流的6%。

現在，我來(lái)提個(gè)問(wèn)題：
用電設備的外殼發(fā)生碰殼故障后，地網(wǎng)電流如此之小，與零線(xiàn)電流相比，幾乎可以忽略不計，那么用電設備的外殼帶電將長(cháng)期存在。如此一來(lái)，必然會(huì )出現人身傷害事故。
那么，在實(shí)際接線(xiàn)中，我們是如何來(lái)保護人身安全的？
下面給大家普及一些基本概念：
什么叫做系統接地或者工作接地？
系統接地（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。
什么叫做保護接地？
保護接地指的是用電設備的外殼直接接地，用T表示。若外殼接到來(lái)自電源的零線(xiàn)或者地線(xiàn)，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T(mén)N-C、TN-S和TN-C-S。

第一幅圖：TN-C接地系統和TN-S系統

由于電路中有系統接地，但負載外殼沒(méi)有直接接地，而是通過(guò)零線(xiàn)PEN間接接地，所以該接地系統叫做TN-C。
圖中左上角就是變壓器低壓側繞組，我們看到它引出了三條相線(xiàn)L1/L2/L3和一條PEN零線(xiàn)。注意到零線(xiàn)的左側有兩次接地，第一次在變壓器的中性點(diǎn)，這叫做系統接地，第二次在中間某處，叫做重復接地。重復接地的意義就是防止零線(xiàn)斷裂后其后部零線(xiàn)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，然后再引到零線(xiàn)接線(xiàn)端子。這說(shuō)明，零線(xiàn)PEN是保護優(yōu)先的。也因此，零線(xiàn)的準確名稱(chēng)是保護中性線(xiàn)。
下圖是TN-S系統：

第二幅圖：TN-C-S接地系統

TN-C-S區別于TN-C，就在于PEN在重復接地后分開(kāi)為N中性線(xiàn)和PE保護線(xiàn)。
注意到TN-C-S的-S側負載的外殼是接在PE線(xiàn)上的，而TN-C-S的-C側則是接在PEN線(xiàn)上，因此前者是保護接地，后者是保護接零。兩者相比，零線(xiàn)不能中斷，而PE線(xiàn)同樣也不能中斷。
在居家配電系統和學(xué)校、企事業(yè)單位配電系統中，TN-C-S非常普遍。
第三幅圖：TT接地系統
從符號代碼看，TT接地系統有系統接地，但它的保護接地采取直接接地的方式實(shí)現的。

TT接地系統變壓器的中性點(diǎn)直接接地，而用電負載的外殼也獨立直接接地。構成保護接地。
值得注意的是：我們在前面已經(jīng)描述過(guò)了，當發(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系統下發(fā)生的單相接地故障電流相對TN要小得多。
現在我們來(lái)對比TN系統和TT系統的異同點(diǎn)：
1.對于TN系統和TT系統來(lái)說(shuō)，由于首字母都是T，說(shuō)明這兩個(gè)系統都有系統接地；
2.由于TN系統的N線(xiàn)與PE線(xiàn)在系統接地處或者重復接地處是連在一起的，PEN則*合并在一起，而用電設備的外殼直接與PE或者PEN連在一起，因此發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流會(huì )比較大，近似于相線(xiàn)對N線(xiàn)的短路。所以，TN系統又叫做大電流接地系統；
TT的系統接地與保護接地*獨立，單相接地故障電流要返回電源，必須通過(guò)地網(wǎng)，并且電流較小。所以，TT系統又叫做小電流接地系統。

有了接地系統的解釋?zhuān)覀兙涂梢曰卮饐?wèn)題了。
1.適當地放大接地電流
適當地放大接地電流，使得用電設備的前接斷路器可以執行過(guò)電流保護操作，這就是具有大接地電流的TN系統。
2.加裝漏電保護裝置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一直延伸到負載側并接到用電設備的外殼上。所以，此接地方式屬于TN-S接地系統。
當用電設備發(fā)生碰殼事故后，PE線(xiàn)的電阻當然小于地網(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N的短路電流，則距離用電設備最近的上游斷路器會(huì )執行過(guò)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(xiàn)和N線(xiàn)到負載側，PE線(xiàn)被切斷了，而用電設備的外殼直接接地。于是當用電設備發(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。
由于TT下通過(guò)地網(wǎng)的接地電流很小，所以IEC和國家標準都規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(shí)，三相電流合并N線(xiàn)電流后的相量和為零。當發(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 )出現磁通，其測量繞組中當然會(huì )出現電流，并驅動(dòng)檢測和控制部件使得前接斷路器執行漏電保護動(dòng)作。
RCD的動(dòng)作電流可以在30毫安以下，有效地保護了人身安全。