
我先回答题主的第一个问题:为何N线要接入总漏电断路器?
这里的核心问题就是如何测量漏电电流 。
我们知道,三相电流的表达式分别为: , 和 。我们对它们求和,会发现:若三相电流有效值 ,则必有: 。
如果三相电流有效值不相等,则上述三相电流之和当然不等于零,我们把它叫做三相不平衡电流id。注意到中性线电流相量In与三相不平衡电流相量id的大小相等方向相反,也即:
,式1
式1在一般情况下总是成立的。
现在,我们设想A相中出现了漏电电流 。我们必须明确:漏电流要么经过地网返回电源,要么经过PE线返回电源。因此,中性线电流In中不含有漏电流 的成分,因此有:
,式2
也就是说,若把三条相线和中性线N一起穿过零序电流互感器,当线路正常时,零序电流互感器的二次回路电流为零;当发生漏电时,零序电流互感器的二次回路电流就是漏电流。
至此,我事实上已经回答了题主的第一个问题。
我们把上述零序电流互感器的二次绕组去触发断路器脱扣器,就可以实现漏电保护。
我们看下图:
图1中,用电设备处既包括系统母线和配电设备,也包括用电设备,但要注意到,用电设备的外壳必须接PE线。这是TN-S系统的特征。
图1中,我们看到了三条相线和N线一起穿过了漏电保护器RCD的零序电流互感器,而零序电流互感器二次绕组测量出来的电流则被送到漏电检测与控制装置中。当发生漏电故障(图中的A相碰壳事故)时,经过RCD漏电检测与控制装置的量值检测和放大,漏电流就可以驱动断路器的脱扣器执行开断操作。
再次提醒注意:用电设备的外壳必须接地线PE。为何?
我们再看图2:
图2是单相漏电保护器RCD的零序电流互感器,它测量漏电流的原理与图1是一致的。注意到三点:
第一,相线和中性线N必须同时穿过零序电流互感器;第二,N线中不包含漏电电流 的成份;第三:用电设备的外壳必须接PE线。
有了这三条,当系统中出现漏电流 时,以下关系就成立:
,式3
此时,单相漏电保护器RCD的漏电检测与控制装置就会根据漏电电流越限的情况,驱动断路器执行保护跳闸。
一般地,漏电保护器的门限值在30毫安以下用于人身安全防护,在30到100毫安之间兼有人身安全防护和电气火灾防护,超过100毫安则用于电气火灾防护。
我再来回答题主的第二个问题:为何在TN-S接地系统中,保护接零是被禁止的?
首先建立几个概念:
第一个概念:什么是TN-S接地系统?
我们看IEC60364《接地系统》中有关TN-S的标准图。注意:此图的准确性不容置疑:
我们仔细看图3,图中左侧是电力变压器的低压侧三相绕组。我们看到,三相绕组的中性点直接接地。在IEC标准中,把电力变压器低压侧绕组中性线直接接地用字母T来表示;我们还看到,变压器中性线直接接地后再引出,分别是中性线N,以及地线PE。
在图3的右侧中下部,我们看到有两个用电设备,它们的外壳均接到地线PE上。在IEC标准中,把用电设备的外壳通过连接到PE地线而实现接地,用字母N来表示。
在TN-S接地系统中,一旦用电设备发生漏电,漏电流经过PE线返回电源。并且,我们由图1和图2知道,TN-S系统中是可以配套漏电保护器来执行漏电保护的。
注意:IEC有关线制的标准规定:对于三相X线中的“线”,指的是在正常运行状态下有电流流过的“线”。PE线在正常状态下没有电流流过,因此它不算“线”。也因此,只有三相四线制,不存在所谓的三相五线制。三相五线制是我们中国人的“发明”,世界各国和IEC都不承认三相五线制的定义。
我们再看IEC对TN-C的定义图:
在TN-C接地系统中,我们看到图4左侧的变压器中性线接地后,以保护中性线PEN的形式引出。PEN线又叫做零线。
我们再看负载的外壳接线,我们发现负载外壳都接到零线上,我们把它叫做保护接零。
对于TN-C接地系统,三相电流与零线电流有如下关系:
,式4
也就是说,零线电流与三相不平衡电流大小相等方向相反。
然而,我们注意到一个事实:若发生漏电时,零线中含有漏电电流的成份。注意看以下关系式:
,式5
也就是说,不管用电设备漏电与否,对于TN-C接地系统来说,漏电断路器RCD均不会动作。
需要指出:如果漏电是通过人体直接流向大地再返回电源,TN-C系统下的单相漏电保护器是会动作的,但代价是:人体将承受电击。在这一点上,不管是TN-C还是TN-S,它们的动作原理完全类似。
从这个观点来看,在TN-C系统(特别是农村电网和老小区)中,安装RCD还是有一定的意义。
我们仔细看图4,如果图中的零线在两个用电设备中间发生断裂,断裂点后部由于没有了中性线参考点,若三相负载不平衡,则零线断裂点后部的零线电压会上升,最高会上升到相电压,即220V。然而,我们已经知道用电设备的外壳是保护接零的,所以当零线断裂后,断裂点后部的所有用电设备的外壳均带电!
显见,这是一个极大的安全隐患。
和TN-S对比起来,TN-C为何会有这种不安全因素?关键就是TN-C系统中的零线把保护功能和中性线功能合二为一,而TN-S系统中保护功能和中线性功能是分开的。这也是TN-S系统的安全性优于TN-C系统的主要原因。
现在,我可以回答题主的问题了:
如果在TN-S系统中把部分中性线和PE线合并,这将使得所有用电设备的外壳均可能带电。特别是当中性线或者合并后的零线断裂时,用电设备外壳带电将不可避免,由此造成了极大的安全隐患。所以,在国家标准GB50054《低压配电设计规范》中,严禁将保护接地和保护接零混用。
另外,给知友们提个醒:由于TN-C接地系统的安全问题多多,所以在我们日常所见的配电系统中,不管是学校也好,是居家也好,是办公室写字楼也好,是企业工厂也好,零线几乎已经绝迹。在单相配电系统中,我们看到的是相线(红色)、中性线(蓝色)和地线PE(黄绿相间色),根本就没有零线。这一点,对于居家配电安装电工来说,尤为重要,需要着重理解和认识。
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最后,向题主提3个问题。
问题1:如果因为某种原因,N线断了,或者未接入RCD,那么RCD会如何动作?
提示:按未发生漏电和发生漏电两种情况来考虑。
问题2:对于只有零线PEN的TN-C接地系统,漏电断路器RCD能起漏电保护作用吗?
问题3:对于TN系统(包括TN-S、TN-C和TN-C-S),当发生漏电时,除了漏电断路器能执行保护外,还有什么电器可以执行漏电保护?
我会在适当的时候给出正解。
