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如何理解三相四线制和三相五线制?
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今生缘 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2020-01-03 12:40:56 楼主

首先要明白什么叫做线制,也即三相四线制的定义。这个定义可以参见IEC 60364和GB 16895系列标准,标准的统一名称是“建筑物电气装置”。注意这里所指的系列标准,是因为此标准号下有几十个标准,例如IEC 60364.1、IEC 60364.2、……、等等。

三相我们很容易理解,就是发电机的三个绕组,它们之间的电角度是120度。“线”,按GB 16895中规定,指的是三相配电系统中在正常运行中有电流流过的导线叫做“线”。三条相线,在正常运行时是有电流流过的,它们当然属于线的范畴。中性线,在正常运行状态下,由于三相不一定平衡,因此中性线也有电流流过,因而也被称为“线”。那么接地线PE呢?它在正常运行时是没有电流流过的,因此接地线不叫做“线”。

1)如果电力变压器的中性点直接接地,然后把中性线N和接地线PE合在一起以PEN的型式接入电路,这在IEC 60364和GB 16895中被定义为TN-C系统。注意PEN的称呼,叫做保护中性线,或者叫做保护接地线。见下图:

此图是IEC 60364对TN-C的权威定义。我们看到三条相线L1、L2、L3,还有保护接地线PEN此图是IEC 60364对TN-C的权威定义。我们看到三条相线L1、L2、L3,还有保护接地线PEN注意:TN-C是三相四线制。请特别注意:PEN线在引入用电设备时,首先接到用电设备的外露导电部分,也即用电设备的金属外壳,然后才接到用电设备的中性线接入端子。

这种接线方法有两重意义:

第一说明PEN线的功能以保护为优先,

第二说明PEN线具有中性线的特性。

在讨论接地系统时,保障人身安全永远是第一位的。因为PEN线是以保护为主要目的,但我们看到,当PEN线引入负载时在某处断线,则断点后侧的PEN线上的电压会因为负载不平衡而上升,最高可能会升至相电压。因此,IEC 60364和GB 16895规定:TN-C系统可用于三相不平衡的系统,但不得用于具有火灾隐患的场所。例如油库、矿山、港口等等。同时,还强制性地要求TN-C系统的PEN必须多点接地。

2)如果电力变压器的中性点直接接地,然后把中性线N和接地线PE分别引出,这在IEC60364和GB16895中被定义为TN-接地系统。见下图:

此图是IEC 60364对TN-S的权威定义。我们看到三条相线、一条中性线N和一条接地线PE此图是IEC 60364对TN-S的权威定义。我们看到三条相线、一条中性线N和一条接地线PE注意:TN-S是三相四线制,不是三相五线制!TN-S接地系统中,N和PE被分开了,两者的功能也单一化了。值得注意的是:PE线在负载侧是可以再次接地的。IEC 60364并没有限制PE线的接地次数。但是,PE线和N线不得再次合并,两者必须相互绝缘。利用PE线的重复接地,我们可以实现用电设备处的等电位连接技术。所谓等电位连接,是指把相关的若干用电设备的外露导电部分相互连接起来,再一点接地。当然,PE线在这里也被再次接地。这样的好处是:若发生了相线的碰壳事故,由于有了等电位连接的保护,人身安全得到了有效的保障。

根据IEC 60364和GB 16895,根本就不存在所谓三相五线制这种说法。这种三相五线制的称呼是我们中国人自己发明的。一旦走出国门,甚至只是到了香港或者台湾,若我们对当地的电气工作者说三相五线制,会被别人耻笑!!!!!!!!!

3)如果低压配电系统的接地系统是TN-C,但在电源入户前,把PEN再次接地,然后分开为PN和N,这种接地系统被IEC 60364或者GB 16895称为TN-C-S。见下图:

此图是IEC 60364对TN-C-S的权威定义。此图是IEC 60364对TN-C-S的权威定义。这种接线方式也是我们家中配电箱中的最主要接线方法。指的注意的是:PE和N一旦分开后,不得再次合并。PE和N两者之间必须绝缘。

我们来看看什么叫做接地。接地有两类,一类叫做工作接地,一类叫做保护接地。例如TN-S系统下的变压器,我们看到变压器的中性点接地,它的用途是为变压器的中性点建立工作电位,所以叫做工作接地。再例如TN-S系统下的负载侧,我们看到它的外露导电部分与PE线接在一起,以此实现对人身的安全防护,所以这种接地叫做保护接地。低压配电系统的接地型式有IT、TT、TN等三种,其中TN又分为TN-S、TN-C和TN-C-S。TN的意思是:变压器中性点直接接地,负载的外露导电部分通过PE线或者PEN线接地。

几个概念重复性地总结一下:

第一,关于TN-C对于TN-C,我们从图中看到,它的PEN是合并的。这条PEN线的名称叫做保护中性线,也叫做零线。从零线的功能性来说,它的保护功能是第一位的,中性线功能是第二位的。因此当零线接入负载侧时,首先要接入保护端子,然后再引入到中性线端子。这一点,我们从IEC 60364的TN-C的负载侧图中可以明确地看到。TN-C因为少了一根线,在工程施工是具有很大的成本优势,因此为很多工程项目所采用。值得注意的是:若PEN线断线,则断点的前方其电位接近于零(要看线路长度),而断点后方的PEN线,其电位会迅速升高。其原因很简单,断点后方的PEN线电压等于负载侧三相电压的相量和。在极端情况下,断点后方的电压会上升到相电压。因此,TN-C接地系统的PEN线必须多点接地。同时,TN-C系统不允许用在有爆炸可能的环境中,例如煤矿、油库、危险品仓库等等。

第二,关于TN-C-S对于居家和办公用电当然可以使用TN-C接地系统。IEC 60364规定,当PEN线引到入户处时,必须接地,然后分开为PE线和N线。这就是TN-C-S接地系统。我们再次认真地看看TN-C-S接地系统,如下:

注意第一个负载接在TN-C系统中,所以PEN线首先引到负载的保护端子,然后再引到中性线端子;第二个负载接在TN-C-S系统中,所以PE线引到保护端子,而N线则引到中性线端子。注意第一个负载接在TN-C系统中,所以PEN线首先引到负载的保护端子,然后再引到中性线端子;第二个负载接在TN-C-S系统中,所以PE线引到保护端子,而N线则引到中性线端子。在TN-C-S接地系统中,一旦PE和N分开,就不得再次合并。在实际使用时,如果变压器与低压一级配电设备(低压进线和馈电开关柜)的进线回路距离比较近,可以取消变压器中性点的接地。变压器引三条相线和一条N线到开关柜中,在开关柜的进线回路中统一接地。由此可以看出:真正的TN-S其实是不存在的。绝大多数低压配电网的接地系统都是TN-C-S。

第三,关于中性线电流是三相电流的矢量和这种说法在讨论接地系统时,中性线的电流不是等于三相的矢量和,而是相量和。我们知道,力是典型的矢量,我们把力乘以力臂,再乘以它们夹角的正弦,得到的是力矩。力矩仍然是矢量;我们把电流相量乘以电压相量,再乘以它们夹角的正弦,得到是无功功率。无功功率是标量,既不是相量也不是矢量。所以在电学中,我们讨论的对象都是相量,不是矢量。

第四,关于三相X线的说法尽量不要用三相X线这个名词来描述低压配电网的接地系统,代之以TN-C、TN-S和TN-C-S。也尽量不要用零线这个称呼,代之以PEN线。这样做是与IEC标准靠拢,与国家标准靠拢。事实上,在国家强制性标准中,已经看不见零线这个称呼。三相X线的称呼来自于前苏联。我国早先的国家标注是按苏联的,后来全面转向了IEC标准。苏联标准在许多方面确实存在诸多缺陷。由于人们的习惯用语具有惯性,许多人也习惯于三相五线制这种说法,还有零线和火线,并且还代代相传。为了与IEC标准靠拢,也为了我们自身的理论水平和工作实践需要,请纠正这种说法。

接地系统的讨论是永恒的话题,这方面的书籍、杂志和网上的帖子多的无法计数。哪怕只是一位小电工,都可以讲出一本书的内容出来。尽管如此,真正能够解析透彻的并不多。


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