接地系統(tǒng)原理解析，電力人必備知識(shí)

提到接地系統(tǒng)，可以說一直是工程中的難點(diǎn)。對(duì)于其中的原理，很多工程師未必能吃透，今天我們就一起來深入了解接地系統(tǒng)的原理。

有人問：為什么回路電流走零線不走地線，而漏電流走地線不走零線，零線地線原理是什么？

注意到圖1中還未出現(xiàn)保護(hù)中性線，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(duì)N線的電壓均為220V，相線之間的電壓則為380V。

我們知道，交流電壓的表達(dá)式為：

而交流電流的表達(dá)式為： 。

注意到一個(gè)事實(shí)，當(dāng)三相平衡時(shí)，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(duì)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?cè)賮砜磮D1。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(shí)，它的電壓為零；但若三相不平衡，則斷裂點(diǎn)后方的中性線電壓會(huì)上升，最高會(huì)升到相電壓。

事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)，只要三相不平衡，盡管中性線并未斷裂，但中性線的電壓也會(huì)上升。

我們看圖2和圖3：

圖2中，在變壓器的中性點(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(hào)是接大地的意思。

系統(tǒng)接地的意義有兩個(gè)：

第一個(gè)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(gè)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?，所以它的符?hào)也變了，變成PEN，也就是題主主題中的保護(hù)中性線。

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，若保護(hù)中性線斷裂，由于保護(hù)性中性線具有中性線功能，所以斷裂點(diǎn)后部的保護(hù)性中性線電壓可能會(huì)上升。

事實(shí)上，保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部的由電壓完全由下式?jīng)Q定：

可以看出，如果、和 各不相同，則三相電壓就不平衡，保護(hù)性中性線電壓當(dāng)然也不等于零。

同理，我們可以看到保護(hù)性中性線斷裂點(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)保護(hù)性中性線PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現(xiàn)保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。

注意哦，圖2對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C，而圖3對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C-S。

我們來看圖4：

零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線

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(shí)，我們看到，用電設(shè)備的外殼根本就不會(huì)有任何電流流過。

現(xiàn)在，我們來分析L3相對(duì)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(gè)基礎(chǔ)參數(shù)。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB50054《低壓配電設(shè)計(jì)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，我們需要知道保護(hù)性中性線電纜的電阻是多少。這個(gè)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)定這條保護(hù)性中性線電纜的長度是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(gè)數(shù)據(jù)，我們就可以來進(jìn)行實(shí)際計(jì)算了。

我們看圖4的下圖，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)L3相對(duì)用電設(shè)備的外殼短路時(shí)，保護(hù)性中性線中有電流流過，地網(wǎng)中也有電流流過。

注意到保護(hù)性中性線電阻和地網(wǎng)電阻其實(shí)是并聯(lián)的，按照中學(xué)的電學(xué)物理知識(shí)，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：

----------------式1

由式1我們看到，地網(wǎng)電流與保護(hù)性中性線電阻和地網(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)于保護(hù)性中性線電流的3%~15%而已！我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有保護(hù)性中性線電流的6%。

現(xiàn)在，我來提個(gè)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，與保護(hù)性中性線電流相比，幾乎可以忽略不計(jì)，那么用電設(shè)備的外殼帶電將長期存在。如此一來，必然會(huì)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？

由于電路中有系統(tǒng)接地，但負(fù)載外殼沒有直接接地，而是通過保護(hù)性中性線PEN間接接地，所以該接地系統(tǒng)叫做TN-C。

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)。

未發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(huì)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(huì)出現(xiàn)磁通，其測(cè)量繞組中當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)電流，并驅(qū)動(dòng)檢測(cè)和控制部件使得前接斷路器執(zhí)行漏電保護(hù)動(dòng)作。

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