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如何理解三相四線制和三相五線制?

 zsok 2016-01-10

首先要明白什么叫做線制,也即三相四線制的定義。這個定義可以參見IEC 60364和GB 16895系列標準,標準的統(tǒng)一名稱是“建筑物電氣裝置”。注意這里所指的系列標準,是因為此標準號下有幾十個標準,例如IEC 60364.1、IEC 60364.2、……、等等。

三相我們很容易理解,就是發(fā)電機的三個繞組,它們之間的電角度是120度?!熬€”,按GB 16895中規(guī)定,指的是三相配電系統(tǒng)中在正常運行中有電流流過的導線叫做“線”。三條相線,在正常運行時是有電流流過的,它們當然屬于線的范疇。中性線,在正常運行狀態(tài)下,由于三相不一定平衡,因此中性線也有電流流過,因而也被稱為“線”。那么接地線PE呢?它在正常運行時是沒有電流流過的,因此接地線不叫做“線”。

1)如果電力變壓器的中性點直接接地,然后把中性線N和接地線PE合在一起以PEN的型式接入電路,這在IEC 60364和GB 16895中被定義為TN-C系統(tǒng)。注意PEN的稱呼,叫做保護中性線,或者叫做保護接地線。見下圖:

此圖是IEC 60364對TN-C的權(quán)威定義。我們看到三條相線L1、L2、L3,還有保護接地線PEN此圖是IEC 60364對TN-C的權(quán)威定義。我們看到三條相線L1、L2、L3,還有保護接地線PEN注意:TN-C是三相四線制。請?zhí)貏e注意:PEN線在引入用電設(shè)備時,首先接到用電設(shè)備的外露導電部分,也即用電設(shè)備的金屬外殼,然后才接到用電設(shè)備的中性線接入端子。

這種接線方法有兩重意義:

第一說明PEN線的功能以保護為優(yōu)先,

第二說明PEN線具有中性線的特性。

在討論接地系統(tǒng)時,保障人身安全永遠是第一位的。因為PEN線是以保護為主要目的,但我們看到,當PEN線引入負載時在某處斷線,則斷點后側(cè)的PEN線上的電壓會因為負載不平衡而上升,最高可能會升至相電壓。因此,IEC 60364和GB 16895規(guī)定:TN-C系統(tǒng)可用于三相不平衡的系統(tǒng),但不得用于具有火災隱患的場所。例如油庫、礦山、港口等等。同時,還強制性地要求TN-C系統(tǒng)的PEN必須多點接地。

2)如果電力變壓器的中性點直接接地,然后把中性線N和接地線PE分別引出,這在IEC60364和GB16895中被定義為TN-接地系統(tǒng)。見下圖:

此圖是IEC 60364對TN-S的權(quán)威定義。我們看到三條相線、一條中性線N和一條接地線PE此圖是IEC 60364對TN-S的權(quán)威定義。我們看到三條相線、一條中性線N和一條接地線PE注意:TN-S是三相四線制,不是三相五線制!TN-S接地系統(tǒng)中,N和PE被分開了,兩者的功能也單一化了。值得注意的是:PE線在負載側(cè)是可以再次接地的。IEC 60364并沒有限制PE線的接地次數(shù)。但是,PE線和N線不得再次合并,兩者必須相互絕緣。利用PE線的重復接地,我們可以實現(xiàn)用電設(shè)備處的等電位連接技術(shù)。所謂等電位連接,是指把相關(guān)的若干用電設(shè)備的外露導電部分相互連接起來,再一點接地。當然,PE線在這里也被再次接地。這樣的好處是:若發(fā)生了相線的碰殼事故,由于有了等電位連接的保護,人身安全得到了有效的保障。

根據(jù)IEC 60364和GB 16895,根本就不存在所謂三相五線制這種說法。這種三相五線制的稱呼是我們中國人自己發(fā)明的。一旦走出國門,甚至只是到了香港或者臺灣,若我們對當?shù)氐碾姎夤ぷ髡哒f三相五線制,會被別人恥笑?。。。。。。。?!

3)如果低壓配電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)是TN-C,但在電源入戶前,把PEN再次接地,然后分開為PN和N,這種接地系統(tǒng)被IEC 60364或者GB 16895稱為TN-C-S。見下圖:

此圖是IEC 60364對TN-C-S的權(quán)威定義。此圖是IEC 60364對TN-C-S的權(quán)威定義。這種接線方式也是我們家中配電箱中的最主要接線方法。指的注意的是:PE和N一旦分開后,不得再次合并。PE和N兩者之間必須絕緣。

我們來看看什么叫做接地。接地有兩類,一類叫做工作接地,一類叫做保護接地。例如TN-S系統(tǒng)下的變壓器,我們看到變壓器的中性點接地,它的用途是為變壓器的中性點建立工作電位,所以叫做工作接地。再例如TN-S系統(tǒng)下的負載側(cè),我們看到它的外露導電部分與PE線接在一起,以此實現(xiàn)對人身的安全防護,所以這種接地叫做保護接地。低壓配電系統(tǒng)的接地型式有IT、TT、TN等三種,其中TN又分為TN-S、TN-C和TN-C-S。TN的意思是:變壓器中性點直接接地,負載的外露導電部分通過PE線或者PEN線接地。

幾個概念重復性地總結(jié)一下:

第一,關(guān)于TN-C對于TN-C,我們從圖中看到,它的PEN是合并的。這條PEN線的名稱叫做保護中性線,也叫做零線。從零線的功能性來說,它的保護功能是第一位的,中性線功能是第二位的。因此當零線接入負載側(cè)時,首先要接入保護端子,然后再引入到中性線端子。這一點,我們從IEC 60364的TN-C的負載側(cè)圖中可以明確地看到。TN-C因為少了一根線,在工程施工是具有很大的成本優(yōu)勢,因此為很多工程項目所采用。值得注意的是:若PEN線斷線,則斷點的前方其電位接近于零(要看線路長度),而斷點后方的PEN線,其電位會迅速升高。其原因很簡單,斷點后方的PEN線電壓等于負載側(cè)三相電壓的相量和。在極端情況下,斷點后方的電壓會上升到相電壓。因此,TN-C接地系統(tǒng)的PEN線必須多點接地。同時,TN-C系統(tǒng)不允許用在有爆炸可能的環(huán)境中,例如煤礦、油庫、危險品倉庫等等。

第二,關(guān)于TN-C-S對于居家和辦公用電當然可以使用TN-C接地系統(tǒng)。IEC 60364規(guī)定,當PEN線引到入戶處時,必須接地,然后分開為PE線和N線。這就是TN-C-S接地系統(tǒng)。我們再次認真地看看TN-C-S接地系統(tǒng),如下:

注意第一個負載接在TN-C系統(tǒng)中,所以PEN線首先引到負載的保護端子,然后再引到中性線端子;第二個負載接在TN-C-S系統(tǒng)中,所以PE線引到保護端子,而N線則引到中性線端子。注意第一個負載接在TN-C系統(tǒng)中,所以PEN線首先引到負載的保護端子,然后再引到中性線端子;第二個負載接在TN-C-S系統(tǒng)中,所以PE線引到保護端子,而N線則引到中性線端子。在TN-C-S接地系統(tǒng)中,一旦PE和N分開,就不得再次合并。在實際使用時,如果變壓器與低壓一級配電設(shè)備(低壓進線和饋電開關(guān)柜)的進線回路距離比較近,可以取消變壓器中性點的接地。變壓器引三條相線和一條N線到開關(guān)柜中,在開關(guān)柜的進線回路中統(tǒng)一接地。由此可以看出:真正的TN-S其實是不存在的。絕大多數(shù)低壓配電網(wǎng)的接地系統(tǒng)都是TN-C-S。

第三,關(guān)于中性線電流是三相電流的矢量和這種說法在討論接地系統(tǒng)時,中性線的電流不是等于三相的矢量和,而是相量和。我們知道,力是典型的矢量,我們把力乘以力臂,再乘以它們夾角的正弦,得到的是力矩。力矩仍然是矢量;我們把電流相量乘以電壓相量,再乘以它們夾角的正弦,得到是無功功率。無功功率是標量,既不是相量也不是矢量。所以在電學中,我們討論的對象都是相量,不是矢量。

第四,關(guān)于三相X線的說法盡量不要用三相X線這個名詞來描述低壓配電網(wǎng)的接地系統(tǒng),代之以TN-C、TN-S和TN-C-S。也盡量不要用零線這個稱呼,代之以PEN線。這樣做是與IEC標準靠攏,與國家標準靠攏。事實上,在國家強制性標準中,已經(jīng)看不見零線這個稱呼。三相X線的稱呼來自于前蘇聯(lián)。我國早先的國家標注是按蘇聯(lián)的,后來全面轉(zhuǎn)向了IEC標準。蘇聯(lián)標準在許多方面確實存在諸多缺陷。由于人們的習慣用語具有慣性,許多人也習慣于三相五線制這種說法,還有零線和火線,并且還代代相傳。為了與IEC標準靠攏,也為了我們自身的理論水平和工作實踐需要,請糾正這種說法。

接地系統(tǒng)的討論是永恒的話題,這方面的書籍、雜志和網(wǎng)上的帖子多的無法計數(shù)。哪怕只是一位小電工,都可以講出一本書的內(nèi)容出來。盡管如此,真正能夠解析透徹的并不多。王厚余的書是值得看的,此書能讓我們理解什么叫做接地系統(tǒng)。

 

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