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既然交變電流會不斷反向,為什麽家用電還分零火線呢?

2015-03-11科學

交流電流的定義是:電流的大小和方向隨著時間周期性地變化。

我們來看下圖:

左邊就是發電機,我們看到它有三個磁極和三個繞組,這三個繞組就是用於產生A、B、C三相電壓的源頭。註意到兩個事實:

1)三相繞組的線頭和線尾的位置是不可變更的。

2)三相繞組的公共端連在一起,構成了公共極,也即三相繞組的中性點,並且還接地。

由第一點我們可以得知:這三個繞組的電壓輸出點對應的三條火線,以及中性點對應的零線位置不可變更。

由第二點我們可以得知,三條火線相對於零線的電壓是220V,但零線電壓因為接地的原因,基本上等於0V。

再看右圖,我們看到了三個繞組輸出的都是正弦波,它們的電壓幅值隨著三相繞組的旋轉,在不斷地改變大小和方向。

盡管三相電壓在不斷地改變幅值和方向,但左圖中的繞組頭尾關系,也即火線和零線的關系,不會受到任何影響。也就是說:火線和零線與電壓是否會改變大小和方向毫無關系。

現在我們來做一些必要的知識擴充套件:

知識擴充套件:什麽叫做相線(火線)?什麽叫做PEN線(零線)?什麽叫做PE線和N線?

我們來看下圖。此圖是國際電工委員會制定的國際標準IEC60364裏的圖,圖中規定了我們居家配電的接地系統:

看不懂吧?我來解釋一下:

1)接地系統到底有什麽用處呢?它的用途就是保證用電的人身安全!

2)我們看到,圖中左側的三個繞組,它是變壓器或者發電機的三相繞組,其輸出端定義為L1、L2和L3,分別與三相電壓A、B、C對應,也即三條火線。

3)註意到三相繞組具有公共點,且公共點必須先接地,然後以PEN的形式引出。PEN又被稱為零線。

這裏接地的目的是什麽?它的作用是把三相公共點的電壓力制性地限定為地電位,也叫做工作接地。這樣一來,零線的電壓就等於零了。

4)零線的正確名稱叫做PEN線,這裏的PE表示接地線,而N表示中性線的意思。因為PEN線把保護接地和中性線統一在一起了,所以它的正確名稱是保護接地線。

註意看上圖中間的第一個負載。它的外露導電部份接到PEN線上,然後從端子上再引一條線到零線端子上。這說明,對於PEN線而言,它的保護功能優先於中性線功能。這也是PEN線被稱為保護中性線的原因。

由此可見,把PEN線稱為零線很不合適。國家標準GB16895【接地系統】對火線和零線的稱呼完全是否定的。

PEN線在使用時不得斷線,若斷線則其後部的電壓最高會上升到相電壓。這也是IEC和國家標準要求TN-C系統的PEN線要多點接地的原因。具體見下條說明。

5)當PEN引到我們千家萬戶的家門口,並且準備入戶到家裏的配電箱時,PEN必須再次接地,也即圖中從左往右我們看到的第二個接地點。圖中的文字說明是「重復接地」。

這樣做有什麽好處呢,好處是確保PEN線即使中間斷裂了,但入戶後的PEN線(零線)電壓為零。

6)PEN線開始入戶,它被分開為PE線和N線。我們居家的三角插座上,最上方的插頭接PE線,左邊的插頭接L線,右邊的插頭接N線。

由此可見,事實上我們家裏已經沒有零線了,而是保護線PE和中性線N。

註意上圖中最右側的負載,它的外露導電部份直接引到PE線上,而電源則引入三條相線和N線。對於家裝來說,電源引入為相線和N線。

註意這兩個負載的外露導電部份的接地方式,它們分別代表了TN-C系統下和TN-S系統下用電裝置外露導電部份的接地措施和方法。

值得註意的是:TN系統下接地電流比較大,因此被稱為大電流接地系統。大電流接地系統中出現單相接地故障時,依靠斷路器(空氣開關)來保護路線。

7)這種接地方式或者接地系統被國際標準和國家標準命名為TN-C-S。它是我們家裝配電系統的主要接地方式。

其中TN-C表示從電源引出的中性線是保護中性線PEN(零線),而後面的S表示入戶後PEN分開為保護線PE和中性線N。

下面這張圖就好理解了,是我繪制的說明圖:

圖中我們看到電力變壓器,還有總開關,以及L1、L2、L3和PEN線,這些都屬於三相四線制的範疇。

註意哦:在IEC60364中,規定配電系統中能被稱為「線」的一定是正常執行時有電流流過的導線。PE線是沒有電流流過的,而N線和PEN線是有電流流過的,因此前者不算「線」,後者才算「線」。

上圖中,我們的居家內是單相兩線制,這裏的「線」指的是相線和N線,PE線可不是「線」哦。

這個概念在我的貼文中被一再說明了,請知友們務必註意。

我們從L3引相線到我們家的配電箱入戶,從PEN線引到居家配電箱外側時,先重復接地,然後分開為N線和PE線,接著就入戶。這樣就構成了我們家裏的單相交流電配電系統,也即單相兩線制。

我們看到,家裏的插座上,相線、N線和PE線都已經接到位,我們就可以放心地安全用電了。

看到這裏,我們再一次發現,不管是火線、零線也好,是相線、N線和PE線也好,與電壓是否周期性地改變大小和方向,真的是一點關系也沒有。

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這個貼文寫完後,沒想到大家的反映如此熱烈。特別是對零線的電壓和電流關系,我們的中學生知友們覺得很迷惑。為此,我專門在此文件的後部,添加一些內容給大家解惑。

增加內容之一:

零線是三相繞組的公共點,並且它的電壓基本上等於零。

知道為什麽要加上「基本上」這三個字?是因為零線在入戶前接地,使得入戶點的電壓被強制性地拉到地電位,也即零電位。但零線是有電阻的,所以距離接地點越遠,它的電壓也就越高。

當然這裏所指的「越高」其幅值很小。以家裝為例,零線的電阻應當在數十毫歐以內,若流經零線的電流為40A(家裝路線的最大值),零線壓降不會超過0.5V.。

入戶後,由於零線已經分開為N線和PE線,因此真正意義上的零線已經不存在了,接入插座的是N線,也即中性線。

我們來看下圖:

從圖中我們看到入戶的是L3相(紅色),同時入戶的還有PEN線也即零線。

入戶前,PEN線再次接地。註意,這裏的接地其實是接到大樓的接地網扁鋼上,也即MEB。

入戶後,PEN線分開為N線和PE線。從此以後,零線事實上已經不存在了,只有N線和PE線。

我們看到,電源入戶後首先接入2P的主開關,其下為配電箱主母線。從主母線上經由最左邊的第一只開關,形成照明回路;中間的帶漏電保護器RCD的是插座開關,其下接入四只插座。

我們看右側最下方的圖。

這四只插座從物理位置看,有先後次序。由於導線自身也是有電阻的,因此可以看成是一張網,網上的負載可以理解為是負載電阻R(假定所有負載阻值都相等),而連線導線可以理解為是路線電阻r(假定所有導線電阻均相等),由此構成了一個個的節點。

顯見,越往左,電流就越大,導線的負擔也越重,越容易發熱。

值得註意的是:中性線的左側是接地的,因此中性線的電位始終為零電位。

我們再看左側的電壓和電流波形圖。圖中的電壓和電流為相線L上的波形。

此圖把居家負載看成為阻性負載了,所以電壓波形和電流波形同相位。

假定此刻的時間為0。過了5毫秒後,相線的電壓相對N線到達最大值,為1.414X220=311V。

同時,對於任何一個節點來說,電流也達到最大值。如果插座上的總電流是10A,則左端上部的第一個節點處,流入與流出的電流均為1.414X10=14.14A。

那麽在中性線最左端的第一個節點處,它的電流是多少呢,此處流入和流出的電流也為14.14A。但此節點的電壓為零電位。

註意,此時的電流方向為相線指向N線。

再過5毫秒,相線上的電壓為零,這時的系統電流亦為零。

其後的5毫秒,相線上的電壓為-220V,其最大值為-311V,而電流為-14.14A。說明此時的電流方向為N線指向相線。

再往後5毫秒系統返回初始態。

我們來看下圖:

此圖就是上圖插座電路的等效電路圖。輸入電壓的有效值為220V,我們據此就可以計算出總電流。如果把R的r的具體數值代入,當然就可以得到數值解。

說了一大通,什麽意思呢?

1)我們看到相線和N線,或者相線與零線之間的關系是物理性的位置關系,與電壓或者電流的方向是否為正、為負、為零毫無關系。

2)居家配電系統一旦入戶後,所謂的零線也即PEN已經不存在,存在的只是相線和N線,還有PE線而已。

以上這句話就是給題主的解答吧。

增加內容之二:

問題:對於單相系統的PEN線,當發生斷裂了,不是沒電了嗎?為何有高壓?

答:

對於三相系統,PEN線斷了,但三相的負載還在,PEN線斷裂點後部的電壓由三相負載的平衡度來決定。特別地,當發生單相接地故障時,斷裂點後部的PEN線將直接接到相線,其電壓會升至相電壓。

對於單相系統,當PEN線斷裂後,與相線相接的負載處於開路狀態,PEN線斷裂點的電阻為無窮大,於是相電壓經過負載電阻直接載入到PEN線斷裂點的後部,而PEN線斷裂點前部的電壓仍然為正常的接地零電位,於是PEN線斷裂點兩端的電壓降又是相電壓,盡管此時負載已經停止工作並且工作電流為零。

上圖負載r右側斷點的電壓與電源電壓是一致的,都是220V。

想想電池就知道,我們把一只電阻接在電池正極,電阻另一端懸空,然後用萬用表去測量電阻的另一端與電池負極之間的電壓,您會發現此電壓就是電池電動勢,也即1.5V。

在這裏,電阻的懸空端與電池負極之間的斷點空間關系與PEN線斷裂點空間關系是完全一致的。

另外,在家裝路線中,有一個原則,就是火線接開關,零線接負載,道理是一樣的。如果我們反過來接,零線接開關,火線接負載,則即使開關開啟,但負載會帶電。

這裏的道理和PEN線斷裂後斷點兩端出現高電壓原理一致。

不過,上圖中的電器其實屬於TN-C-S系統。真正的TN-C系統,PEN線首先要接到用電裝置的外露導電部份,然後才接到電器的電源零線輸入點。由此可見,TN-C系統對於家裝電路來說,其安全性較差,也很危險。這也是油庫、煤礦等具有爆炸性的場所嚴禁使用TN-C的原因。

也因此,真的很不希望在我們家的配電系統中出現零線,而希望出現N線和PE線。