編者:汪進進
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深圳市高斯寶電氣技術有限公司新能源事業部

 

 

引言:
不搞電力系統的電子工程師、電氣工程師、電力電子行業的工程師,對電網線制(接地系統)一頭霧水。車企里充電相關的工程師對這個話題更是淡然。

 

對于電力電子行業的工程師,對電網知識完全無知是說不過去的,于是我們曾組織研發同事集體學習了王厚余老先生的經典著作《低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗》的第三章。學習完之后,我們居然不知道這個選擇題的答案:“我們這個研發實驗室的電是怎么來的?  A、TN-C-S B、TN-C   C,TN-S  D、TT”
 
倪老師告訴我,即使搞明白了各種線制的含義, 也仍然不知道你的實驗室的電是怎么接進來的。這是可以理解的! 

謝謝倪老師的理解!

 

在GB/T 18487.1  8.2中規定,對于連接方式A、B、C,都要接入中性線(N線)。這個規定似乎是多余的,對于交流充電系統,220V單相供電,只能接入電網的L、N線。 沒有N線的單相電有嗎? 

N線就是中性線,N是英文Neutral 的第一個字母。王老先生的書中說,N取自法文,是法文Neutre的第一個字母。 

在我遙遠的童年記憶中,小時候是煤油燈,等到了初中,村里才有了電。農村人對“火線”和“零線”印象深刻。那是農村電工普及的功勞。 水泥鋼筋混凝土做成的電線桿上只有兩根線,電工叔叔告訴我,一根是火線,一根是零線。 火線是紅色的,零線是藍色的。只有兩根線,沒有第三根線:充電系統中少不了的PE線。

在那遙遠的改革開放初年、物質匱乏的時代,為了節省成本,農村供電的線制是TN-C。后來經濟發達了,開始用TN-S的多。但是TN-S的成本高,實用的是混合制的TN-C-S。 倪老師最熟悉電網制式這套東西,他告訴我,中國現在一般TT線制只用于園林景觀路燈等長線路供電的設施。以前一些老舊和農村地區也可能還有TT這種配電方式。

書上說,在礦井,醫院或易燃易爆的環境下使用IT線制。

在討論怎么確保充電設備一定是牢牢接在“大地”上時,大家的焦點變成了怎么可以檢測到充電設備是否牢固接地了。這就涉及到不同的電網線制,使用相同的檢測方法未必都能適用。 

對各種線制的理解,關鍵點是對中性線的理解

在GB/T 29001.1-2008 《電工術語 基本術語》中, 定義了中性點,Neutral Point,“多相系統星形聯結的公共點,或單相系統的接地中間點”。在GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中,對N線定義為:“電氣上與中性點連接并能用于配電的導體”。

這個定義讓人費解?  知乎上有位名作者叫老帕,Patrick,中文全名張白帆,他在知乎上有關于接地的系列文章,十幾篇,講得非常到位。分文章被收錄在他的書中, 書名叫《老帕講低壓電器技術》。 大家可以搜搜這些文章來科普一下。

Patrick找了個電力變壓器的圖片,如下圖所示。N點就是電力變壓器的低壓側三根火線匯集的點。這一下子就好懂了。 在單相系統中,N線承載電流,和L1、L2、L3分別構成了回路。

 

N線和PE線合在一起的線叫PEN線(所謂的“零線”)。 共用接地系統叫TN-C,不共用的叫TN-S,開始共用,然后再分開的叫TN-C-S。 C是Combine的第一個字母,S是Separate的第一個字母。 這樣就好記住了。在GB/T 16895.1 《低壓電氣裝置 第1部分:基本規則,一般特性評估和定義》中,給出了各種接地系統的詳細說明。網絡上關于這方面的文檔長篇累犢。 
 

不過,“零線”是一個過時的名詞了,應廢棄掉。王老先生在書中指出:

“零線”這一名詞含糊不清,難以適應現時多種接地系統中的不同要求。IEC標準不用這個名詞。IEC將載荷三相不平衡電流的導線稱作中性線(N線),兼作PE線的保護中性線(PEN線)。在我國有些設計文件以至電氣規范中仍因循舊習,沿用“零線”或“接零”這類模糊和過時的名詞,導致將中性線誤為PEN線,錯誤地將其重復接地,引起雜散電流和一些電氣事故的發生。因此,在設計文件和電氣規范中,應采用國際上通用的IEC標準規定的名詞,諸如“零線”,“接零”等不規范名詞應停止使用。

Patrick給出的幾張圖會使大家理解起來更加輕松。雖然是基本的知識點,但炒飯炒得好的是Patrick。

在此請允許我引用Patrick對這幾種接地形式的介紹:
 
(1)TN-S接地系統

電力變壓器的中性點N直接接地,第一個字母是T。T為 Terre 之意。N點接地后,分開為N和PE兩條線同時引出。N與PE之間必須絕緣。TN-S的負載側外露導電部分沒有直接接地,因此第二個字母是N。PE線在任何情況下不得斷開。一旦PE線斷開,則負載外殼帶電后,是會發生人身傷害事故的。 TN-S接地系統的PE線可以多點重復接地。但PE線與N線在分開后,必須確保兩者不會再次合并。N線是可以斷開的。因此,TN-S系統可以使用4極開關來合分N線。

TN-S的三相系統中,電纜芯線數是5芯;TN-S的單相系統中,電纜芯線數是3芯。很可能,這也是人們習慣把TN-S接地系統叫做“三相五線制”的原因。

TN-S接地系統在企事業單位中使用得非常廣泛。
(2)TN-C接地系統

電力變壓器的中性點N直接接地,因此第一個字母是T。N點接地后,以PEN的形式引出。PEN線有一個非常著名的名稱,叫做零線。對應地,相線又被稱為火線。有意思的是,太多人把N線也叫做零線,卻完全不知道零線是不允許切斷的。負載側的外露導電部分未直接接地,因此第二個字母是N。

 
值得注意的是:由于PEN線以保護為主,因此TN-C接地系統中,在任何情況下PEN線不得斷開。一旦PEN線斷開,則負載外殼帶電后,是會發生人身傷害事故的。因此,TN-C接地系統的PEN線必須多點重復接地。在任何情況下,TN-C接地系統不得使用4極開關來合分PEN線。同理,對于單相兩線制的TN-C系統,PEN線也即零線不允許被切斷,PEN線絕對不允許進開關。TN-C的三相系統中,電纜芯線數是4芯;TN-C的單相系統中,電纜芯線數是2芯。TN-C接地系統不得用于油庫、港口、機場、礦井等易燃易爆的場所。

(3)TN-C-S接地系統

TN-C-S的前半段是TN-C接地系統,后半段是TN-S接地系統。

我們看到,PEN線在中間再次接地,然后分開為N和PE。從此以后,N和PE就不能再次合并。

TN-C-S接地系統是居家配電中的主力軍。

值得注意的是:TN-C-S的前半段中有零線PEN,它不允許被切斷。TN-C-S的后半段已經沒有了零線PEN,只有N線和PE線。在這里,N線是可以被切斷的,因此采用1P+N之類的開關用于主進線。不過,這里的PE線是不允許切斷的,若切斷了PE,將會導致很嚴重的人身傷害事故。

現在,我們來看看TN系統的共同特征是什么?

TN系統具有工作接地,因此在TN系統下一旦發生單相接地故障,故障電流經過PEN線或者PE線返回電源,并且其電流近似等于相對N的短路電流。所以,TN系統又被稱為大電流接地系統。

我們來看下圖:

此圖是典型的TN-S接地系統。主進線斷路器是4極的,并且配套了過載保護和短路保護。過載保護和短路保護統稱為過電流保護裝置。左邊的用電設備配套了三極斷路器,而右邊的用電設備則配套了漏電斷路器。

區別TN-C,TN-S,TN-C-S的一個重要點是:外殼是否接N線。 TN-C的外殼接了PEN,就是接到了N線上。

(4)TT接地系統

變壓器的中性點處有工作接地,因此它的首字母是T;用電設備的外露導電部分直接接地,形成保護接地,所以它的第二字母是T。這就是TT接地系統的由來。

如果用電設備處出現了單相接地故障,這時接地電流該如何返回電源,即電力變壓器次級的中性點處?接地電流只能沿著接地網返回。

這樣一來,接地電流就小多了。這也是TT系統被稱為小電流接地系統的原因。
 

IEC60364首先在TT系統中推薦使用RCD漏電保護器,其原因就在于此。
TT系統一般用于臨時配電。例如馬路上挖溝的配電系統,或者建筑工地的臨時配電系統等等。不過,污水處理廠一般都采用TT系統。另外,許多農村居家配電也采用TT接地系統。

事實上,在許多城市小區,也有按TT接地系統來配套的。

(5)IT接地系統

圖中變壓器中性點經過高阻Z0接地,或者懸空不接地。這樣一來,當用電設備處發生單相接地故障時,接地電流沒有了返回電源的通道,因此接地電流很小。事實上,接地電流只有導線間的分布電容電流而已。也因此,IT系統在發生單相接地故障時,可以繼續運行2個小時。

圖中的上圖是首次單相接地故障,我們知道它的電流很小。下圖是發生異相二次單相接地故障,從圖中可以看到,事實上接地電流就是相間短路電流。這時要用過電流保護裝置快速地切斷線路。

為了能在首次單相接地故障時快速地給出報警信息,在低壓進線側要安裝絕緣監測裝置。

IT系統的最典型應用就是纜車:

若纜車牽引電機發生單相接地故障,它不會立即停車,而是把纜車都送到安全地帶后再停電檢修。

還有醫院的手術室,也是IT接地系統。

另外,配電電器的控制回路,也常常采用IT系統。若發生了單相接地故障,控制系統照樣工作,不會因此而讓系統停止運行。