电气设备中保护接地与保护接零

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第一,什么叫做接地
接地有两种,一种是工作接地,一种是保护接地。工作接地的目的是为了取得大地的零电位,保护接地的目的是为了人身安全。
第二,有关接地的国际标准和国家标准
国际标准是IEC 60364,国家标准是GB16895。这两部标准都是强制性标准,也即任何配电系统,都必须无条件地百分百执行的标准。
第三,什么叫做零线
零线,指的就是PEN线,它的正确名称又叫做保护中性线。
我们来看我们早已熟知的IEC60364中有关TN-C接地系统的图,如下:
相信,这张图大家不陌生。现在,我们来仔细看看这张图。

电气设备中保护接地与保护接零
这张图的接地系统是TN-C。这里的T指的是变压器中性点直接接地。注意看图的左侧,我们看到变压器中性点直接接地,其用途是获得地电位,也即零电位。所以,变压器中性点直接接地又被称为工作接地。
从变压器中性点接地开始,这条线被称为PEN线,也即零线。
零线这个名词颇有争议。不过,零线的知名度相当高,连老奶奶级别的人都知道,可见这个词汇还会长久存在下去。
第四,什么叫做保护接零
注意看,上图的中下部有两只负载,左边一只需要引入三条相线和中性线,右边一只仅需要引入三条相线即可。我们来看PEN线是如何接到负载中去的。
我们看到,PEN线首先接到负载的外壳,然后再接到中性线输入端子。这就是保护接零。
这样做的目的是什么?
大家已经知道,零线的正确名称是保护中性线,并且保护是第一位的,中性线是第二位的。由此可知,在国际标准IEC60364中,TN-C接地系统的PEN线被首先引至设备外壳的意义就是保护人身安全。
注意:负载的外壳也即外露导电部分不直接接地,而是接到保护中性线PEN线上或者保护线PE上,这种做法在IEC60364中用符号N来表示。所以上图的接地系统属于TN接地系统,而将PEN线也即零线直接连接到用户端,这种接地系统被称为TN-C系统。
实际接线中,PEN线首先引入零线端子,再引入到外露导电部分的专用端子,和IEC60364的TN-C原图恰好相反。

电气设备中保护接地与保护接零
第五,TN-C系统存在的问题

电气设备中保护接地与保护接零
在上图中,如果PEN线在两只负载的中间断裂,前面一只负载的外壳不会发生什么问题,但后面一只负载的外壳就会有问题。我们来看下图:我们看到,PEN线在中间断裂。如果恰好断点前后的负载都发生了单相接零故障,断裂点前部的PEN接地良好,由IEC60364的TN-C原图可知,PEN线和用电设备的外壳电压不会上升;然而PEN线断裂点后部,因为PEN线与用电设备的外壳直接连接,而用电设备的外壳已经出现了单相接零,因此断裂点后部的PEN线上的电压会上升,最高会升到相电压220V。
这是TN-C接地系统最薄弱之处。也因此,TN-C系统严禁使用在会发生爆炸的场合,例如油库、煤矿等等。
为了防止出现上述情况,TN-C系统必须重复接地:
注意看,上图在最右下侧重复接地,这样就可以避免出现PEN线断裂点后部在单相接地故障状态下电压上升的情况。

电气设备中保护接地与保护接零
第六,什么叫做保护接地?
那么什么叫做保护接地呢?我们来看下图:
这个接地系统叫做TN-S。根据前面的解释,我们知道T表示变压器中性点直接工作接地,而负载的外壳则与来自电源的保护线相接。
从图中我们看到,变压器的中性点在接地后,分开为N线和PE线,而负载的外壳直接与PE线相接。这种做法就叫做保护接地。
显然,这是最好的接地方法。
另外,PE线允许多点重复接地。
我们再看看TN-C-S接地系统:
我们看到,PEN线在两个负载中间分开为N线和PE线。左边的负载接在TN-C的系统中,而第二个负载接在TN-C-S的系统中。我们看到,PEN线在两个负载中间分开为N线和PE线。左边的负载接在TN-C的系统中,而第二个负载接在TN-C-S的系统中。
TN-C-S接地系统大量应用在居家配电系统中。
值得注意的是:在PE与N的分开点PEN线需要再次接地,之后才分开,而且分开后不得再次合并。

电气设备中保护接地与保护接零
对于居家配电的TN-C-S系统,有一个值得注意的情况。我们来看下图:

电气设备中保护接地与保护接零
我们看到,家家户户的居家配电箱都从MEB点获取N线。我们根本就不可能规定某家人家只能拥有多少用电设备,以及何时用电。这样一来,在MEB后部的N线电流In会很大,也即三相严重不平衡。我们看到,家家户户的居家配电箱都从MEB点获取N线。我们根本就不可能规定某家人家只能拥有多少用电设备,以及何时用电。这样一来,在MEB后部的N线电流In会很大,也即三相严重不平衡。
三相不平衡的结果造成N线产生一定的电压,这对于居家配电不是很有利,会降低供电的可靠性。
因此,对于居家配电来说,一定要做好PE线的连接工作。同时,在户内一定要杜绝N线和PE线混用。如果有条件,做好PE线的二次重复接地。特别在浴房,最好能有接地体的等电位联结。
第七,TT系统和IT系统
下图是TT系统:

电气设备中保护接地与保护接零
我们看到,IT系统的变压器中性点不接地,这就是I的含义。同时,T的含义是负载外壳直接接地。这一点我们从上图中可以明确看到。
总结一下
1)保护接零专指TN-C系统中负载的外壳接到PEN线也即零线上。这种接法有很多弊端,并且需要多点接地。
2)保护接地在TN-C-S、TN-S、TT、IT接地系统中都采用,也即负载的外壳接到PE线上(TN-S、TN-C-S)或者直接接地(TT、IT)。
保护接零已经很少见了,常见的都是TN-C-S或者TN-S里的保护接地方式。
3)TN系统的特点是,它的单相接地(接零)故障电流较大,近乎于短路电流,因此TN系统又叫做大电流接地系统。
TN系统的单相接地故障保护可以依靠断路器或者熔断器;TT和IT系统的特点是,它的单相接地故障电流较小,尤其是IT,单相接地后只有分布电容造成的极小电流。因此,TT和IT又叫做小电流接地系统。
TT的单相接地故障必须配套剩余电流保护装置来执行线路保护。
IT需要配套绝缘监测装置来监测单相接地故障并告警。IT系统发生异相的第二次接地故障后,故障相通过用电设备的接地回路构成相间短路事故,会起动断路器或者熔断器来保护。

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