零线上一点电流都没有吗?

零线上一点电流都没有吗?

Patrick Zhang,电气工程师

一年前的帖子,问题不错,我来回答。

零线中是否有电流,许多人都非常疑惑。按照欧姆定律,零线如果有电流则零线上必然有电压,但零线的电压却等于零,显然这与欧姆定律矛盾。

零线的电流问题与几个子问题有关,这些子问题是:1)零线的定义;2)三相不平衡电流与零线电流的关系;3)居家和办公配电系统中到底有没有零线?零线有没有电流?我们按子问题的顺序探讨一番。

1.TN-C 接地系统中是如何构建和定义零线的

我们看下图:

图 1:直流电路的参考地和交流电路的工作接地有何异同?

图 1 左图中,我们看到电源负极标注了参考地的符号,说明此节点的电位是零。我们看到电流 I 从电阻 R 中流出后,经过参考地所在线路返回电源。我的问题是:参考地所在节点的电位是零,而流经此节点的电流不等于零,这是否违背了欧姆定律?

由此可见,欧姆定律不能用来描述电路的总体规律,只能用于描述某个具体元器件两端的电压与流经的电流之间的关系。描述电路的总体规律必须采用基尔霍夫第二定律,也即基尔霍夫电压定律 KVL。

图 1 左图直流回路对应的电路方程是:

,其中 r 是电源内阻,U=IR,这里的 U 就是负载两端的电压,同时它也是电路的路端电压,并且有:

我们再看图 1 的右图,电力变压器引出三条相线,标注为 L1、L2 和 L3。三相绕组的中性点 N 直接接地然后引出,标记为 PEN,这就是零线。

注意 1:三相绕组的中性点直接接地,目的在于构建系统的零电位参考点。与图 1 左图电池负极的参考地意义相同。这也是中性点直接接地被叫做工作接地的原因。

我们再看图 1 右图的负载侧,注意到三条相线引入到负载中,负载电流分别为 ia、ib 和 ic。负载电流在零线迭加形成零线电流 ipen。

注意 2:负载的金属外壳与零线相接,这叫做保护接零,目的是使得金属外壳保持与零线一致的零电位。

在国际电工委员会 IEC 的标准 IEC60364 中,把图 1 右图的接地形式用 TN-C 来表示。

我们看下图:

图 2:TN-C 接地系统中的零线

图 2 就是 IEC60364 定义的 TN-C 接地系统的原图。我们把图 2 与图 1 右图对照,会发现零线采取了多点重复接地的措施,以此确保零线的零电位。

注意 3:由此我们认识到,零线的电流不能用欧姆定律来解释,必须用基尔霍夫第二定律 KVL 来构建它的规律性。

注意 4:在 TN-C 接地系统中,把相线叫做火线,把 PEN 保护中性线叫做零线。

现在,我们来分析零线的电流规律。

2.零线的电流规律

我们已经知道,三条火线的电流分别是 ia、ib 和 ic,零线的电流则是 ipen。三条火线的电流表达式为:

零线电流 ipen 等于 ia、ib 和 ic 之和,即:

当三相电流的有效值 Ia=Ib=Ic 相等时,我们用 I 来代表 Ia、Ib 和 Ic,则有:

根据中学学过的三角函数,我们知道:

故知,当三相平衡时,有:

这就是零线电流等于零的由来。

注意 5:当三相平衡时零线电流等于零,这是指零线的总线,不是零线的支线。零线的支线,特别是单相回路中的零线,除非它的线路断开,否则它的电流不可能等于零。一般地,单相回路中的零线电流与火线电流大小相等方向相反。

当三相不平衡时,零线电流当然不等于零,即:

注意 6:这里的零线电流是因为三相的幅值不同引起的,而不是三相的相位差发生改变。这个概念一定要弄清楚。

3.居家配电系统中的零线有电流吗?

我们看下图:

图 3:居家配电系统

我们注意看图 3,我们发现图 3 的左侧零线引至户外时重复接地,然后分开为中性线 N 和地线 PE 入户。户内已经没有零线,而用电设备的金属外壳接在地线 PE 上。

这种接地系统叫做 TN-C-S,它是我们居家和办公室内最常见的接地系统。

注意 7:题主极大可能把户内的中性线当成零线了。零线和中性线不是一回事!

在户外,我们看到了零线的总线和零线支线。在零线支线中,零线电流不可能等于零。在零线总线中,零线电流是否等于零取决于三相是否平衡。如前所述,当三相平衡时,零线电流等于零;当三相不平衡时,零线电流不等于零。

4.当有 3K 次谐波存在时,即使三相平衡,但零线总线上的电流也不等于零

3K 次谐波最典型的就是 3 次谐波,3 次谐波的三相电流在零线上按代数和迭加,所以即使三相平衡,但零线上的电流也不等于零。

这就是影视中心存在大量单相照明调光回路因而成为 3 次谐波重灾区,零线导线必须与火线导线等截面,并且配套能抑制三次谐波的无功补偿装置的原因。

5.结论

当且仅当三相平衡时,零线总线上的电流等于零。

对于零线的单相支线,不管三相是否平衡,单相支路上的零线电流不等于零。

对于三相支路上的零线,由于线路敷设的原因,绝对的三相平衡是不可能的,因此三相支路上的零线电流一般来说也不等于零。

注意 8:不能把中性线当成零线。

零线不但具有中性线的功能,同时还具有保护的功能,保护功能优先于中性线功能。零线可以接到用电设备的外壳上实施保护接零,但中性线不可以。

中性线可以断开,但零线绝对不允许断开;中性线不得再次重复接地,零线需要多点重复接地。

注意 9:中性线一旦重复接地,则系统由 TN-C-S 变成 TN-C,或者由 TN-S 变成 TN-C。系统中的用电设备外壳接地变成保护接零,若某设备发生漏电,则系统中所有用电设备的外壳均带电,这会发生严重人身安全事故。所以,国家标准和技术规范中规定:中性线严禁与地线混用,也严禁与地线合并!具体见 GB 50054《低压配电设计规范》强制性国家标准。

下图是 IEC60364 中的 TN-S 接地系统原图:

图 4:TN-S 接地系统

我们从图 4 中看到,若中性线 N 与地线 PE 再次合并,则合并点前方事实上成为 TN-C 接地系统,而用电设备的外壳接地方式变成保护接零。一旦某用电设备发生漏电,则全部的用电设备外壳均带电。

注意 10:TN-S 接地系统中没有零线。

在有零线的配电系统中,三相回路不得使用四极开关;在单相系统中,不得使用两极开关。

注意 11:零线断线后,若三相不平衡,则断点后部的零线电位会上升,最高可达相电压。又因为用电负荷的外壳是保护接零的,故对人身安全造成极大的危害。因此,零线必须多点重复接地,确保人身安全。

TN-C 接地系统目前很少见。规范规定在油库、矿山、机场和化工企业等易燃易爆的场所,严禁使用 TN-C。事实上,居家配电系统中很少见到纯粹的 TN-C 接地系统,只有农村和城市老小区能见到。由此可见,零线是十分稀罕的。