如何详细解释零线的工作原理？
发现知乎上总有类似问题，可见对于如此基础的知识，确实很多人不甚了了。猜想，是因为大多数知友们都非本专业人士所致。既然如此，我来给大家科普一下。 ============== 第一，粗略地了解一下直流电与交流电的不同之处 我们来看下图： 图1的是直流电。我们看到图1中有电池电动势E1，有电源内阻r，有外电阻也即负载电阻R，当然还有路端电压U。 对于图1而言，有如下关系： U=\frac{E_{1} R}{R+r} ，I=\frac{U}{R} 现在我们再来看图2。图2的电路基本上和图1类似，只是它的电源换成交流电源E2。那么上述关系是否存在？答案是肯定的。图2电路中有如下关系： U^{\sim } =\frac{E_{2}^{\sim } R}{R+r} 不过，这里的U和E2都要用交流电的有效值来表征。 上式中，我在符号的右上方加上了波浪形标记，用以表示它是交流电压或者电流的有效值。下同。 第二，关于电压波形图 我们来看下图： 此图是电池供电的直流电压波形图和交流供电的波形图。所谓波形图，它的横坐标是时间，纵坐标是电压或者电流。 从图中看到，电池供电的电压是稳定的，它的电压波形不会出现大幅度的波动。 当然，随着时间的推移，电压值由原先的Up慢慢地降低，其原因是电池内阻会加大。 再看单相交流线路的电压波形图。我们看到，此图的电压波形是正弦波，与电池供电的波形图完全不同了。电压波形会有规律地上下波动，有正半周和负半周。电压的大小和方向时刻在变。 设电压波形的最大值是Um，于是电压波形的表达式是：u=U_{m} sin\omega t 。 上式中，Um是电压的最大值，\omega 是角频率，而t是时间。 注意： 从负载电阻R看电源，我们发现电源电压的大小和方向时时刻刻都在变，但供电的两条线是平权的，除了电压波形相反以外，没有什么不同。 这也是许多知友们无法理解零线和相线的原因。那么到底问题出在哪儿？我们继续往下看。 第三，配电网和安全用电带来的问题 （1）我们知道发电机和电力变压器都是三相的，它们内部有三个独立绕组，且每个绕组的空间角度相差120度。如果我们把这三个独立绕组所发的电能单独对用户供电，那么就需要6根线。 （2）现在我们把三个绕组的末端都连接在一起，构成中性点，并且从中性点引出一条单独的线，这样一来就能节省了两根线，降低了成本。 这根从中性点引出的线叫做中性线。注意，中性线的符号是N，也即N线，但它不是零线！！！ 那么中性线上是否有电压或者电流？ 要解答这个问题，我们要用到中学里的三角学知识。如下： U_{N} =U_{Am} sin\omega t +U_{Bm} sin(\omega t +120)+U_{Cm} sin(\omega t +240) 因为：U_{m } =U_{Am} =U_{Bm} =U_{Cm} ， 并且：[sin\omega t +sin(\omega t +120)+sin(\omega t +240)]=0 所以有：U_{N} =0 同时，我们还可以推出，当三相电流平衡时，I_{N} =0 原来，当三相平衡时，中性线上的电压为零，电流为零。 第四：零线的定义 中性线既然有这个好处，如果我们把负载的外壳接到中性线上，当负载外壳一旦碰到相线或者发生漏电时，因为中性线电压为零，所以负载的外壳电压亦为零，这样就能保护人身安全了？ 答案是否定的。问题有三： 其一：当三相不平衡时，中性线电压不为零，电流也不为零。 其二：当中性线断开后，断点后部的电压瞬时会发生改变。 其三：如果把负载的外壳接在中性线上，当发生上述第一条和第二条时，有可能会危及人身安全。 怎么办？ 这下国际标准和国家标准出现了。在标准中做了如下两条重要规定： 第一条，把发电机或者变压器的中性点直接接地，然后再引出。这样一来，中性线的电压被强制性地箝位到大地的零电位，确保中性线的零电位不会因为三相不平衡而发生改变。 这条在始端接了地的中性线有了一个名字，叫做保护中性线，也就是本文讨论的主角——零线。 现在，我们的零线终于有了自己的大名和定义了。笑！ 第二条，把用电设备的外壳也即外露导电部分接到零线上，确保了用电时的人身安全。 国际标准IEC60364（对应的国家标准是GB16895）中，把这种接地形式称为TN-C接地系统。 我们来瞻仰一下IEC60364中有关TN-C的标准图： 常看我写的帖子的知友们，对此图必不陌生，因为我常常引用。不过在这里，我还是来解释一下： 我们先看左上角。我们看到了三个绕组，这是变压器低压侧的三相绕组，它们引出的线被分别定义为L1、L2和L3。 我们看到，三相绕组的中性点首次接地（在最左边）。这里的接地叫做中性点接地，它的用途就是上述第一条。 由于中性点已经接地，因此从中性点引出的线叫做保护中性线PEN，也即零线。 接着，我们看到PEN线在接到负载前再次重复接地。这里的重复接地目的也很明确：由于电源到用电设备中间隔着配电线路，重复接地可以避免零线断裂而出现高电压，避免因为零线电流较大而出现零线电位改变。重复接地可以确保零线具有零电位。 在负载侧，我们看到PEN线首先引至设备的外壳，然后再引至设备的电源输入端子。这也充分说明了PEN线保护优先的性质。见上述第二条。 第五：线路图分析 我们来看下图，此图是百度上下载的： 我们看到，这张图绘制的是居家配电系统。这张图绘制得正确吗？ 答案是：此图存在错误。 我们从上图的左上角看起： 我们看到，左上角引入了两根线，分别是零线和火线。 根据定义，我们已经知道，零线是绝对不允许断路的。但图中把零线输入给一个两极的断路器，可不就是把零线给开断了吗？因此，这里肯定有某种规范在起作用。 我们来看下图： 这张图还是摘自于IEC60364标准。注意看PEN线在引入第二个用电设备时，它分开了，一条是PE线，也即保护线，而另一条是N线，也即中性线。同时，注意到PEN线在分开前，它做了重复接地。 这张图当然与上面的TN-C接地系统不一样，所以这张图对应的接地叫做TN-C-S接地系统。 在TN-C-S接地系统下，入户后零线PEN已经不复存在，而是变成了N和PE。这样做有什么好处？ 好处之一：尽管N线中存在不平衡电流，或者它出现断裂，但N线上的电压改变不会影响到负载的外壳接地，因为负载的外壳是接在PE线上的。 好处之二：在户外零线再次接地，确保零线上的电位为零电位。入户后分开为N和PE，PE线上的电压为零。 上面的那张图，错误的地方有： 从入户零线进双极开关来看，接地系统是TN-C-S无疑，否则零线就不得进开关。 入户后，就必须分开为PE和N。我们看到，入户后仍然是零线，说明绘图者连零线的基本概念都没有弄清。 其次，我们在图中未见到任何PE线的影子。天知道绘图者打算如何保护人身安全。 因此这张图对于行家来说让人十分疑惑，对于外行来说又等效于误导，是一张很不好的图。 =============== 有了这些知识储备，我们就可以讨论一些有趣的问题了。 问题1：零线是什么线？它的功能是什么？ 回答： 零线是保护中性线。它的功能首要是保护人身和设备安全，其次才是履行中性线功能。 问题2：零线中有电流流过，它怎么会没有电压呢？ 回答： 零线是有电压的，但它的电压非常接近于地电位。 问题3：户内到底有没有零线？ 回答： 如果是按TN-C-S接线，那么户内就没有零线，只有N线和PE线；如果是按TN-C接线，那么户内就有零线。 问题4：零线可以被切断吗？可以经过开关吗？ 回答： 对于TN-C，必须确保零线未被切断，并且要确保零线不经过开关 问题5：只有TN-C系统才有零线吗？ 回答： 是的，只有TN-C系统下才有零线。 问题6：三相五线制下有零线吗？ 回答： X相X线叫做线制，其中的线指的是在正常运行状态下有电流流过的线路。相线当然是线，N线也是线，PEN线也是线，但PE不是线。 所以，三相五线制是不存在的，只有三相四线制。TN系统一般都是三相四线制，也有单相两线制。 我们已经知道，TN-C是三相四线制，它有零线，也只有它才有零线。 问题7：零线中的电压波形和电流波形是什么样的？ 回答： 和相线中一致，也是正弦波。见本帖的第二条说明。只是，零线的电压幅值极低，而电流幅值就高多了。 问题8：零线电流与电网电流频率有关吗？ 我们知道，在配电网中不存在偶次谐波。 对于奇数次谐波，比较特殊的是3K次谐波，其中K等于1,3,5,7,9，……等等。3K次谐波的特点是，三相之间的相位差为零，所以零线中的3K次谐波电流等于各相电流的代数和。这样一来，零线中的3K次谐波电流就很大。 凡是有调光设备的场所，也就是3次谐波的重灾区。在这里，零线（包括N线）会剧烈发热。例如影视中心，演播大厅等等。在此情况下，系统中必须配套3次谐波的滤波器，同时零线（包括N线）的线径必须与相线等截面。 问题9：零线可以摸吗？不会触电吗？ 回答： 零线如果做好了重复接地，当然可以去摸它。 对于TN-C-S，我们已经知道在入户前零线需要再次重复接地。入户后，它分开为N线和PE线，而用电设备的外壳均接到PE线上。因此，用电设备的外壳通过PE线在入户源头与零线相接，当然与MEB地线也直接相接。 换句话说，我们天天都在摸零线，似乎也不会有什么异常感觉。笑！ 问题10：居家配电中保护线PE和漏电断路器RCD的保护措施有何异同？ 回答： 这个问题很基本。 从以上描述中，我们已经知道低压配电网的两类接地，其一是工作接地，其二是保护接地。 我们看到，PE线其实是把电源侧的工作接地延伸到用电设备附近，只要把用电设备的外壳也即外露导电部分与PE线相接，就此实现了保护接地。 考虑到线路压降，因此工作接地提倡多点重复接地。有时，还配套等电位联结技术，以便在用电设备周围构建一个电位为零的空间环境，使得人体不至于发生触摸性电击。 当出现碰壳事故时，由于接地极的电阻很小，标注中规定是4欧，实际上只有0.2欧，于是接地电流在接地极电阻上产生了接地电压。标准规定，接地电压的最大值不得超过50V。这里的50V电压又被称为安全电压。 相信知友们一定听说过36V的安全电压，不过，36V安全电压是苏联的遗产。IEC规定的安全电压是50V。 线路中涉及到人身安全的过电流保护，就是以50V安全电压来考虑的。 那么RCD又是怎么回事？ 我们来看下图： 我们看到，图中从电源引出了L3相和零线到住家附近。在入户前，电冰箱1接在TN-C接地系统线路中，并且漏电开关RCD的零序电流互感器测量的是相线电流与零线电流之和。由前面的有关TN-C接地形式的IEC图可知，电冰箱的外壳是接在PEN线也即零线上的。 现在电冰箱1发生了碰壳事故，那么零序电流互感器的测量值等于多少呢？测量值为零！！！ 换句话说，在具有零线的系统中，漏电断路器是一个摆设，什么用处也没有。 再看右边的电冰箱2。我们看到入户前PEN接地，然后分开为N和PE，PE接在电冰箱2的外壳上。当电冰箱2发生了碰壳事故，此时相线电流由两部分构成：其一是流经N线的电流，其二是流经PE线的接地电流，于是零序电流互感器的测量值不为零，RCD能够实现漏电保护。 一般地，漏电动作值为30毫安，小于人体能够接受的最大电流值。 结论是：只有在TN-C-S的TN-S系统中，漏电开关才能起作用。 现在，我们可以得出结论了：PE线的目的是实现人体的触摸性防护，它会将发生漏电后的用电设备外壳电压限制在50V安全电压的范围之内；漏电断路器RCD的目的是实现漏电电流防护，防止人体承受过长时间的电击电流。 最后，我们再来看看那张错误图：在错误图的户内，我们看到的是零线，根本就没有PE线的影子。可想而知，图中的漏电开关能否起作用。 因此，这张图的错误属于致命性的严重错误。 您看懂了吗？ ========================== 这个帖子到这里应当结束了。我相信，只要知友们认真地看过一遍，对零线到底是什么会有很深刻的认识的，同时对RCD的安装条件也会清楚得多。 如果知友们能真正地学到这些知识，我会很开心。笑！ 这个帖子中的内容很粗浅，想了解相对深入的知识，请阅读我的新版书籍《老帕讲低压电器——低压电器的设计和应用》。此书将由机械工业出版社出版。不过，此书正在编辑状态，敬请期待！