如何理解三相四制,三相五制及三相五制的電力規範

2020-12-03 郴心如意

首先,要明白什麼叫做線制,也即三相四線制的定義。這個定義可以參見IEC60364和GB16895系列標準,標準的統一名稱是「建築物電氣裝置」。注意這裡所指的系列標準,是因為此標準號下有幾十個標準,例如IEC60364.1、IEC60364.2、……、等等。

首先提到零線和地線就不得不說到;「三相四線制」和「三相五線制」.

三相四線制是指ABC三相供電,外加一條零線。

三項五線制是指ABC三項供電,外加一條零線O,再加一條地線E;

其實嚴格來講,三相五線制的叫法是錯誤的,它的學名叫「TN-S」系統;T代表大地,N代表零線,S代表分開。

TN-S是一種接地方式,但是實際應用中,我們發現三項五線制這種叫法比較直觀,所以一直沿用它,我們不用糾結這個叫法,大家知道一下就行;存在的即是合理的,所以我們仍然用三相五線制吧。

那麼我們接下來說說這個三相五線制; 一般在工廠中對應的是高壓變壓器的輸出側,指從變壓器的出線側有5根線。

對於這個電氣系統,最明顯的特徵是多出來一個地線。

那麼零線和多出來的地線分別是什麼作用?

零線是工作電源線,即零線是允許有電流的,有電流的話就有電勢,就是電壓。

地線是非工作電源,是起到保護作用的,保護人員和設備,所有設備的金屬外殼都接到地線上了,操作人員會直接接觸到,所以不應該有持續的電流,只允許有非常微弱的感應電流。

大家看上圖可看到,零線和地線最終連到了一起,所以用表測是接通的,那麼為什麼不能混用呢? 其根本原因就是雖然最終都匯到一起,但是一個是有電流的,另一個是沒有電流的。我給大家舉個例子。

假設工廠有一個變壓器,四套設備,設備供電如上圖。(工廠實際的供電系統遠比上圖更加複雜,混亂) 其中1#2#設備是按照規範安裝接線使用,3號把應該接到零線上的電源線接到地線上,4號則接線正常,但把零線地線接到一起了,那麼會有什麼問題? 1#2#連接正常所以,零線有電流,地線只有一些感應電流,非常弱小,幾乎檢測不到;diangon.com但是3#4#接錯了,所以3#4#的地線有電流,它的電流應該是3#設備的零線電流加上4#設備的一部分零線電流,而這些電流也會汙染1#2#的地線,也就導致這一支路的地線帶電流了。

還是那句話,有電流就有電動勢,也就是電壓,所以,這支地線不純淨了,而且所有設備的外殼全都接到這條帶電的地線上了,也非常危險。

舉個不太恰當的例子方便理解,假如一個市裡有兩條河,一條河是運輸廢水的,另一條河是運輸飲用水,但它們的終點都是汙水處理廠。 假如有人把廢水排到飲用水的河裡,那麼即使河水有一定的自去汙能力,但汙水排放點附近的水也是汙染的,人飲用了會生病的;如果汙水排放到飲用水裡非常多,那麼整個市的人都會生病。 三相,我們很容易理解,就是發電機的三個繞組,它們之間的電角度是120度。

「線」,按GB16895中規定,指的是三相配電系統中在正常運行中有電流流過的導線叫做「線」。三條相線,在正常運行時是有電流流過的,它們當然屬於線的範疇。中性線,在正常運行狀態下,由於三相不一定平衡,因此中性線也有電流流過,因而也被稱為「線」。

那麼接地線PE呢?它在正常運行時是沒有電流流過的,因此接地線不叫做「線」。 1)如果電力變壓器的中性點直接接地,然後把中性線N和接地線PE合在一起以PEN的型式接入電路,這在IEC60364和GB16895中被定義為TN-C系統。注意PEN的稱呼,叫做保護中性線,或者叫做保護接地線。

見下圖:

此圖是IEC60364對TN-C的權威定義。我們看到三條相線L1、L2、L3,還有保護接地線PEN。

注意:TN-C是三相四線制。

請特別注意:PEN線在引入用電設備時,首先接到用電設備的外露導電部分,也即用電設備的金屬外殼,然後才接到用電設備的中性線接入端子。這種接線方法有兩重意義:第一說明PEN線的功能以保護為優先,第二說明PEN線具有中性線的特性。

在討論接地系統時,保障人身安全永遠是第一位的。 因為PEN線是以保護為主要目的,但我們看到,當PEN線引入負載時在某處斷線,則斷點後側的PEN線上的電壓會因為負載不平衡而上升,最高可能會升至相電壓。

因此,IEC60364和GB16895規定:TN-C系統可用於三相不平衡的系統,但不得用於具有火災隱患的場所。例如油庫、礦山、港口等等。同時,還強制性地要求TN-C系統的PEN必須多點接地。

2)如果電力變壓器的中性點直接接地,然後把中性線N和接地線PE分別引出,這在IEC60364和GB16895中被定義為TN-S接地系統。

見下圖:

此圖是IEC60364對TN-S的權威定義。我們看到三條相線、一條中性線N和一條接地線PE。

注意:TN-S是三相四線制,不是三相五線制! TN-S接地系統中,N和PE被分開了,兩者的功能也單一化了。

值得注意的是:PE線在負載側是可以再次接地的。IEC60364並沒有限制PE線的接地次數。但是,PE線和N線不得再次合併,兩者必須相互絕緣。 利用PE線的重複接地,我們可以實現用電設備處的等電位連接技術。所謂等電位連接,是指把相關的若干用電設備的外露導電部分相互連接起來,再一點接地。當然,PE線在這裡也被再次接地。這樣的好處是:若發生了相線的碰殼事故,由於有了等電位連接的保護,人身安全得到了有效的保障。

根據IEC60364和GB16895,根本就不存在所謂三相五線制這種說法。這種三相五線制的稱呼是我們中國人自己發明的。一旦走出大陸,只是到了香港或者臺灣,若我們對當地的電氣工作者說三相五線制,會被別人恥笑!!! 3)如果低壓配電系統的接地系統是TN-C,但在電源入戶前,把PEN再次接地,然後分開為PE和N,這種接地系統被IEC60364或者GB16895稱為TN-C-S。

見下圖:

此圖是IEC60364對TN-C-S的權威定義。這種接線方式也是我們家中配電箱中的最主要接線方法。

值得注意的是:PE和N一旦分開後,不得再次合併。PE和N兩者之間必須絕緣。 我們來看看什麼叫做接地。 接地有兩類,一類叫做工作接地,一類叫做保護接地。 例如TN-S系統下的變壓器,我們看到變壓器的中性點接地,它的用途是為變壓器的中性點建立工作電位,所以叫做工作接地。

又如TN-S系統下的負載側,我們看到它的外露導電部分與PE線接在一起,以此實現對人身的安全防護,所以這種接地叫做保護接地。 低壓配電系統的接地型式有IT、TT、TN等三種,其中TN又分為TN-S、TN-C和TN-C-S。 TN的意思是:變壓器中性點直接接地,負載的外露導電部分通過PE線或者PEN線接地。

幾個概念重複性地總結一下:

第一,關於TN-C 對於TN-C,我們從圖中看到,它的PEN是合併的。這條PEN線的名稱叫做保護中性線,也叫做零線。從零線的功能性來說,它的保護功能是第一位的,中性線功能是第二位的。因此當零線接入負載側時,首先要接入保護端子,然後再引入到中性線端子。這一點,我們從IEC60364的TN-C的負載側圖中可以明確地看到。

TN-C因為少了一根線,在工程施工是具有很大的成本優勢,因此為很多工程項目所採用。 值得注意的是:若PEN線斷線,則斷點的前方其電位接近於零(要看線路長度),而斷點後方的PEN線,其電位會迅速升高。其原因很簡單,斷點後方的PEN線電壓等於負載側三相電壓的相量和。在極端情況下,斷點後方的電壓會上升到相電壓。 因此,TN-C接地系統的PEN線必須多點接地。同時,TN-C系統不允許用在有爆炸可能的環境中,例如煤礦、油庫、危險品倉庫等等。

第二,關於TN-C-S 對於居家和辦公用電當然可以使用TN-C接地系統。IEC60364規定,當PEN線引到入戶處時,必須接地,然後分開為PE線和N線。這就是TN-C-S接地系統。

我們再次認真地看看TN-C-S接地系統,如下:

注意第一個負載接在TN-C系統中,所以PEN線首先引到負載的保護端子,然後再引到中性線端子;第二個負載接在TN-C-S系統中,所以PE線引到保護端子,而N線則引到中性線端子。 在TN-C-S接地系統中,一旦PE和N分開,就不得再次合併。

在實際使用時,如果變壓器與低壓一級配電設備(低壓進線和饋電開關櫃)的進線迴路距離比較近,可以取消變壓器中性點的接地。變壓器引三條相線和一條N線到開關櫃中,在開關櫃的進線迴路中統一接地。 由此可以看出:真正的TN-S其實是不存在的。絕大多數低壓配電網的接地系統都是TN-C-S。

第三,關於中性線電流是三相電流的矢量和這種說法 在討論接地系統時,中性線的電流不是等於三相的矢量和,而是相量和。 我們知道,力是典型的矢量,我們把力乘以力臂,再乘以它們夾角的正弦,得到的是力矩。力矩仍然是矢量;我們把電流相量乘以電壓相量,再乘以它們夾角的正弦,得到是無功功率。無功功率是標量,既不是相量也不是矢量。 所以在電學中,我們討論的對象都是相量,不是矢量。

第四,關於三相X線的說法 儘量不要用三相X線這個名詞來描述低壓配電網的接地系統,代之以TN-C、TN-S和TN-C-S。也儘量不要用零線這個稱呼,代之以PEN線。這樣做是與IEC標準靠攏,與國家標準靠攏。事實上,在國家強制性標準中,已經看不見零線這個稱呼。 三相X線的稱呼來自於前蘇聯。

我國早先的國家標註是按蘇聯的,後來全面轉向了IEC標準。蘇聯標準在許多方面確實存在諸多缺陷。由於人們的習慣用語具有慣性,許多人也習慣於三相五線制這種說法,還有零線和火線,並且還代代相傳。

為了與IEC標準靠攏,也為了我們自身的理論水平和工作實踐需要,請糾正這種說法。 如果我們從最終用電設備處的接地形式來推測全系統的接地形式,可能嗎? 從最終用電設備的接地型式,我們只能判斷出全系統的接地型式可能是TT、IT或者TN,對於TN-C我們可以直接判斷,但TN-C-S和TN-S不可能區分出來。

例如,我們發現最終用電設備的外殼(外露導電部分)直接接地,且不與上級系統相接。同時,三相電源中未見N線,我們就可以判斷出這是IT系統;如果見到N線,特別地,最終用電設備還安裝了漏電保護裝置,那麼我們由此可以判斷出是TT;若最終用電設備的外露導電部分與來自上級系統的PEN線相連,同時PEN線先接外露導電部分,然後再接N線端子,則我們馬上就能知道,這是TN-C系統。 如果電源線中有5根線,包括三相,還有N線和PE線,我們不可能知道系統的接地型式是TN-S還是TN-C-S。只能沿著電源線上溯,一直找到N線與PE線分開的源頭所在位置,我們才能知道到底是哪一種接地系統。 判斷接地系統,一定要從全系統看,切忌只看電源部分,或者只看負載側部分。

在三相四線制制供電系統中,把零幹線的兩個作用分開,即一根線做工作 零線(N),另外用一根線專做保護零線(PE),這樣的供電結線方式稱為三相五線制 供電方式. 該結線的點是: 工作零線 N 與保護零線 PE 除在變壓器中性點共同接地外,兩線不 再有任何的電氣連接.由於該種結線能用於單相負載,沒有中性點引出的三相負 載和有中性點引出的三相負載,因而得到廣泛的應用.在三相負載不完全平衡的 運行情況下,工作零線 N 是有電流通過且是帶電的,而保護零線 PE 不帶電,因 而該供電方式的接地系統完全具備安全和可靠的基準電位.

三相五線制標準導線顏色為:A線黃色,B線綠色,C線紅色,N線淡藍色,PE線黃綠色。  三相五線制分為TT接地方式和TN接地方式,其中TN又具體分為TN-S,TN-C,TN-C-S三種方式。 三相五線制的原理

眾所周知, 在三相四線制供電中由於三相負載不平衡時和低壓電網的零線過 長且阻抗過大時,零線將有零序電流通過,過長的低壓電網,由於環境惡化,導 線老化,受潮等因素,導線的漏電電流通過零線形成閉合迴路,致使零線也帶一 定的電位,這對安全運行十分不利.在零幹線斷線的特殊情況下,斷線以後的單 相設備和所有保護接零的設備產生危險的電壓,這是不允許的.如採用三相五線 制供電方式,用電設備上所連接的工作零線 N 和保護零線 PE 是分別敷設的,工 作零線上的電位不能傳遞到用電設備的外殼上, 這樣就能有效隔離了三相四線制 供電方式所造成的危險電壓,使用電設備外殼上電位始終處在"地"電位,從而 消除了設備產生危險電壓的隱患.三相五線制線路的鋪設要求

(1) 在用絕緣導線布線時,保護零線應用黃綠雙色線,工作零線一般用黑色線. 沿牆垂直布線時,保護零線設在最下端,水平布線時,保護零線在靠牆端.  (2) 在電力變壓器處,工作零線從變壓器中性瓷套管上引出,保護零線從接地體 的引出線引出.  (3) 重複接地按要求一律接在保護零線上,禁止在工作零線上重複接地.  (4) 採用低壓電纜供電時應選用五芯低壓電力電纜.  (5) 在終端用電處(如閘板,插座,牆上配電盤等)工作零線和保護零線一定分別 與零幹線相連接.  (6) 對老企業的改造應逐步實行保護零線和工作零線分開的辦法. 例如在車間入 戶時零幹線做重複接地,重複接地以後工作零線單獨敷設,保護零線由此重複接 地體引出;使用四極漏電 保護斷路器的,在斷路器前是三相四線制,在斷路 器後改為三相五線制; 在架空線路供電又實行動力電和照明電分開架設的(兩棚 線),可以用隨照明線橫擔架設的零線為工作零線,隨動力線橫擔架設的零線做 保護零線.三相五線制的接線方式

三相五線制分為TT接地方式和TN接地方式,其中TN又具體分為TN-S,TN-C,TN-C-S三種方式。  TT接地方式:   第一個字母T表示電源中性點接地,第二個T是設備金屬外殼接地,這種方法高壓系統普遍採用,低壓系統中有大容量用電器時不宜採用。  TN-S接地方式:   字母S代表N與PE分開,設備金屬外殼與PE相連,設備中性點與N相連。  其優點是PE中沒有電流,故設備金屬外殼對地電位為零。主要用於數據處理,精密檢測,高層建築的供電系統。  TN-C接地方式:   字母C表示N與PE合併成為PEN,實際上是四線制供電方式。設備中性點和金屬外殼都和N相連。由於N正常時流通三相不平衡電流和諧波電流,故設備金屬外殼正常對地有一定電壓,通常用於一般供電場所。  TN-C-S接地方式:   一部分N與PE分開,是四線半制供電方式。應用於環境較差的場所。  當N和PE分開後不允許再合併。  中國規定,民用供電線路相線之間的電壓(即線電壓)為380V,相線和地線或中性線之間的電壓(即相電壓)均為220V。進戶線一般採用單相二線制,即三個相線中的任意一相和中性線(作零線)。如遇大功率用電器,需自行設置接地線。  三相五線制標準導線顏色為:A線黃色,B線綠色,C線紅色,N線淡藍色,PE線黃綠色。三相五線制的應用

凡是採用保護接零的低壓供電系統,均是三相五線制供電的應用範圍.國家 有關部門規定:凡是新建,擴建,企事業,商業,居民住宅,智能建築,基建施 工現場及臨時線路,一律實行三相五線制供電方式,做到保護零線和工作零線單 獨敷設.對現有企業應逐步將三相四線制改為三相五線制供電,具體辦法應按三 相五線制敷設要求的規定實施.

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