编者:汪进进
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深圳市高斯宝电气技术有限公司新能源事业部

 

 

引言:
不搞电力系统的电子工程师、电气工程师、电力电子行业的工程师,对电网线制(接地系统)一头雾水。车企里充电相关的工程师对这个话题更是淡然。

 

对于电力电子行业的工程师,对电网知识完全无知是说不过去的,于是我们曾组织研发同事集体学习了王厚余老先生的经典著作《低压电气装置的设计安装和检验》的第三章。学习完之后,我们居然不知道这个选择题的答案:“我们这个研发实验室的电是怎么来的?  A、TN-C-S B、TN-C   C,TN-S  D、TT”
 
倪老师告诉我,即使搞明白了各种线制的含义, 也仍然不知道你的实验室的电是怎么接进来的。这是可以理解的! 

谢谢倪老师的理解!

 

在GB/T 18487.1  8.2中规定,对于连接方式A、B、C,都要接入中性线(N线)。这个规定似乎是多余的,对于交流充电系统,220V单相供电,只能接入电网的L、N线。 没有N线的单相电有吗? 

N线就是中性线,N是英文Neutral 的第一个字母。王老先生的书中说,N取自法文,是法文Neutre的第一个字母。 

在我遥远的童年记忆中,小时候是煤油灯,等到了初中,村里才有了电。农村人对“火线”和“零线”印象深刻。那是农村电工普及的功劳。 水泥钢筋混凝土做成的电线杆上只有两根线,电工叔叔告诉我,一根是火线,一根是零线。 火线是红色的,零线是蓝色的。只有两根线,没有第三根线:充电系统中少不了的PE线。

在那遥远的改革开放初年、物质匮乏的时代,为了节省成本,农村供电的线制是TN-C。后来经济发达了,开始用TN-S的多。但是TN-S的成本高,实用的是混合制的TN-C-S。 倪老师最熟悉电网制式这套东西,他告诉我,中国现在一般TT线制只用于园林景观路灯等长线路供电的设施。以前一些老旧和农村地区也可能还有TT这种配电方式。

书上说,在矿井,医院或易燃易爆的环境下使用IT线制。

在讨论怎么确保充电设备一定是牢牢接在“大地”上时,大家的焦点变成了怎么可以检测到充电设备是否牢固接地了。这就涉及到不同的电网线制,使用相同的检测方法未必都能适用。 

对各种线制的理解,关键点是对中性线的理解

在GB/T 29001.1-2008 《电工术语 基本术语》中, 定义了中性点,Neutral Point,“多相系统星形联结的公共点,或单相系统的接地中间点”。在GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中,对N线定义为:“电气上与中性点连接并能用于配电的导体”。

这个定义让人费解?  知乎上有位名作者叫老帕,Patrick,中文全名张白帆,他在知乎上有关于接地的系列文章,十几篇,讲得非常到位。分文章被收录在他的书中, 书名叫《老帕讲低压电器技术》。 大家可以搜搜这些文章来科普一下。

Patrick找了个电力变压器的图片,如下图所示。N点就是电力变压器的低压侧三根火线汇集的点。这一下子就好懂了。 在单相系统中,N线承载电流,和L1、L2、L3分别构成了回路。

 

N线和PE线合在一起的线叫PEN线(所谓的“零线”)。 共用接地系统叫TN-C,不共用的叫TN-S,开始共用,然后再分开的叫TN-C-S。 C是Combine的第一个字母,S是Separate的第一个字母。 这样就好记住了。在GB/T 16895.1 《低压电气装置 第1部分:基本规则,一般特性评估和定义》中,给出了各种接地系统的详细说明。网络上关于这方面的文档长篇累犊。 
 

不过,“零线”是一个过时的名词了,应废弃掉。王老先生在书中指出:

“零线”这一名词含糊不清,难以适应现时多种接地系统中的不同要求。IEC标准不用这个名词。IEC将载荷三相不平衡电流的导线称作中性线(N线),兼作PE线的保护中性线(PEN线)。在我国有些设计文件以至电气规范中仍因循旧习,沿用“零线”或“接零”这类模糊和过时的名词,导致将中性线误为PEN线,错误地将其重复接地,引起杂散电流和一些电气事故的发生。因此,在设计文件和电气规范中,应采用国际上通用的IEC标准规定的名词,诸如“零线”,“接零”等不规范名词应停止使用。

Patrick给出的几张图会使大家理解起来更加轻松。虽然是基本的知识点,但炒饭炒得好的是Patrick。

在此请允许我引用Patrick对这几种接地形式的介绍:
 
(1)TN-S接地系统

电力变压器的中性点N直接接地,第一个字母是T。T为 Terre 之意。N点接地后,分开为N和PE两条线同时引出。N与PE之间必须绝缘。TN-S的负载侧外露导电部分没有直接接地,因此第二个字母是N。PE线在任何情况下不得断开。一旦PE线断开,则负载外壳带电后,是会发生人身伤害事故的。 TN-S接地系统的PE线可以多点重复接地。但PE线与N线在分开后,必须确保两者不会再次合并。N线是可以断开的。因此,TN-S系统可以使用4极开关来合分N线。

TN-S的三相系统中,电缆芯线数是5芯;TN-S的单相系统中,电缆芯线数是3芯。很可能,这也是人们习惯把TN-S接地系统叫做“三相五线制”的原因。

TN-S接地系统在企事业单位中使用得非常广泛。
(2)TN-C接地系统

电力变压器的中性点N直接接地,因此第一个字母是T。N点接地后,以PEN的形式引出。PEN线有一个非常著名的名称,叫做零线。对应地,相线又被称为火线。有意思的是,太多人把N线也叫做零线,却完全不知道零线是不允许切断的。负载侧的外露导电部分未直接接地,因此第二个字母是N。

 
值得注意的是:由于PEN线以保护为主,因此TN-C接地系统中,在任何情况下PEN线不得断开。一旦PEN线断开,则负载外壳带电后,是会发生人身伤害事故的。因此,TN-C接地系统的PEN线必须多点重复接地。在任何情况下,TN-C接地系统不得使用4极开关来合分PEN线。同理,对于单相两线制的TN-C系统,PEN线也即零线不允许被切断,PEN线绝对不允许进开关。TN-C的三相系统中,电缆芯线数是4芯;TN-C的单相系统中,电缆芯线数是2芯。TN-C接地系统不得用于油库、港口、机场、矿井等易燃易爆的场所。

(3)TN-C-S接地系统

TN-C-S的前半段是TN-C接地系统,后半段是TN-S接地系统。

我们看到,PEN线在中间再次接地,然后分开为N和PE。从此以后,N和PE就不能再次合并。

TN-C-S接地系统是居家配电中的主力军。

值得注意的是:TN-C-S的前半段中有零线PEN,它不允许被切断。TN-C-S的后半段已经没有了零线PEN,只有N线和PE线。在这里,N线是可以被切断的,因此采用1P+N之类的开关用于主进线。不过,这里的PE线是不允许切断的,若切断了PE,将会导致很严重的人身伤害事故。

现在,我们来看看TN系统的共同特征是什么?

TN系统具有工作接地,因此在TN系统下一旦发生单相接地故障,故障电流经过PEN线或者PE线返回电源,并且其电流近似等于相对N的短路电流。所以,TN系统又被称为大电流接地系统。

我们来看下图:

此图是典型的TN-S接地系统。主进线断路器是4极的,并且配套了过载保护和短路保护。过载保护和短路保护统称为过电流保护装置。左边的用电设备配套了三极断路器,而右边的用电设备则配套了漏电断路器。

区别TN-C,TN-S,TN-C-S的一个重要点是:外壳是否接N线。 TN-C的外壳接了PEN,就是接到了N线上。

(4)TT接地系统

变压器的中性点处有工作接地,因此它的首字母是T;用电设备的外露导电部分直接接地,形成保护接地,所以它的第二字母是T。这就是TT接地系统的由来。

如果用电设备处出现了单相接地故障,这时接地电流该如何返回电源,即电力变压器次级的中性点处?接地电流只能沿着接地网返回。

这样一来,接地电流就小多了。这也是TT系统被称为小电流接地系统的原因。
 

IEC60364首先在TT系统中推荐使用RCD漏电保护器,其原因就在于此。
TT系统一般用于临时配电。例如马路上挖沟的配电系统,或者建筑工地的临时配电系统等等。不过,污水处理厂一般都采用TT系统。另外,许多农村居家配电也采用TT接地系统。

事实上,在许多城市小区,也有按TT接地系统来配套的。

(5)IT接地系统

图中变压器中性点经过高阻Z0接地,或者悬空不接地。这样一来,当用电设备处发生单相接地故障时,接地电流没有了返回电源的通道,因此接地电流很小。事实上,接地电流只有导线间的分布电容电流而已。也因此,IT系统在发生单相接地故障时,可以继续运行2个小时。

图中的上图是首次单相接地故障,我们知道它的电流很小。下图是发生异相二次单相接地故障,从图中可以看到,事实上接地电流就是相间短路电流。这时要用过电流保护装置快速地切断线路。

为了能在首次单相接地故障时快速地给出报警信息,在低压进线侧要安装绝缘监测装置。

IT系统的最典型应用就是缆车:

若缆车牵引电机发生单相接地故障,它不会立即停车,而是把缆车都送到安全地带后再停电检修。

还有医院的手术室,也是IT接地系统。

另外,配电电器的控制回路,也常常采用IT系统。若发生了单相接地故障,控制系统照样工作,不会因此而让系统停止运行。