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求 TN一C一S 系统「重复接地,保护接零」的标准解读?

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TNCS 系统中“重复接地”与“保护接零”的标准解读

在电力安全领域,“重复接地”和“保护接零”是保证人身和设备安全的重要防护措施。尤其是在TNCS系统(即混合式保护接零系统)中,这两种措施的正确理解和应用至关重要。本文将深入解读TNCS系统中的“重复接地”与“保护接零”,力求清晰、详实,并避免AI痕迹。

一、 TNCS 系统简介

首先,我们有必要简要回顾一下TNCS系统。TNCS系统是一种将TNC系统(保护导体与工作零线长期连接)和TNS系统(保护导体与工作零线分开敷设)相结合的供电系统。

TNC 部分: 在供电的起始端(如变压器低压侧),保护导体(PE)与工作零线(N)连接在一起,形成PEN线。这条PEN线通常在电源处进行接地(称为电源点接地或中性点接地),这是TNC系统的核心特点。
TNS 部分: 在PEN线进入用户建筑或特定区域后,PEN线被分离成独立的保护导体(PE)和工作零线(N)。PE线负责连接所有设备的外露导电部分,而N线则继续承担正常工作的电流。

这种混合系统的优势在于,在供电网络的前端利用了TNC系统成本较低的优点,而在用户端则实现了TNS系统更高的安全可靠性。

二、 “保护接零”在TNCS 系统中的含义与作用

“保护接零”是TNCS系统最基础也是最重要的安全措施。其核心理念是将设备的外露可导电部分(如设备外壳)通过保护导体(PE)连接到电源点的中性点上。

1. 基本原理:

故障时分流: 当设备发生对地绝缘损坏(例如火线碰触到设备外壳)时,设备外壳会带电。如果此时设备外壳已经通过PE线接零,那么故障电流就会沿着PE线流向电源点。
形成大电流: 由于PE线直接连接到电源中性点,其回路电阻通常很小。因此,故障一旦发生,会产生一个较大的故障电流。
保护装置动作: 这个较大的故障电流会迅速超过断路器(空气开关)或熔断器的额定电流,从而触发保护装置(如过电流保护)迅速切断电源,消除触电危险。
降低外壳电位: 即使保护装置未能及时动作,由于PE线将外壳与电源中性点连接,外壳的对地电位也会被限制在一个较低的水平,远低于人身安全电压,从而大大降低了触电风险。

2. TNCS 系统中的“保护接零”特点:

PEN线的构成: 在TNCS系统的TNC部分,PEN线本身就是“零线”和“保护线”的结合体,它承担了正常工作的零线电流,同时也作为保护导体,将设备外壳连接到电源中性点。
剥离后的PE线: 在PEN线被剥离成独立的N线和PE线后,PE线继续发挥保护接零的作用,连接所有需要接零的设备外露导电部分。
重要性: 无论是在TNC部分还是TNS部分,保护接零都是防止单相接地故障造成设备外壳带电而引发触电事故的核心措施。

三、 “重复接地”在TNCS 系统中的含义与作用

“重复接地”是指在TNCS系统中的PEN线上,除电源点接地外,在其他地点(通常是用户建筑物的入口处或沿线)也增设接地装置。

1. 基本原理:

降低PEN线电位: 在TNCS系统中,PEN线既承载正常运行电流,又在故障时承载故障电流。如果PEN线较长,或者 PEN 线路上存在较大的阻抗,那么在 PEN 线路上会产生一定的电位。
正常运行时: 工作零线(N)会承载不平衡电流,尤其是在三相负荷不平衡时,零线上会有电流通过,从而在该零线上产生电位。
故障运行时: 在 TNC 部分,PEN线承载故障电流。如果PEN线存在阻抗,故障点到电源点的 PEN 线上的电压降会导致 PEN 线上的电位升高。
提供补充接地路径: 重复接地在PEN线上增设了接地极,将其与大地连接。
降低PEN线电位: 通过将PEN线接地,可以有效地将PEN线上的电位拉低,使其接近大地电位。这可以显著减小 PEN 线上的电位升高,从而降低了设备外壳在正常或故障状态下的危险电压。
提供二次故障回路: 在某些情况下,如果 PEN 线在中途发生断开,重复接地可以提供一个替代的接地路径,帮助限制设备外壳的电位,虽然它不能替代主保护接零的功能,但能提供额外的安全保障。
抑制瞬态过电压: 重复接地也有助于抑制由雷击或操作引起的瞬态过电压,将其引入大地。

2. TNCS 系统中的“重复接地”特点:

作用于PEN线: 重复接地是针对PEN线而言的,而不是单独针对N线或PE线。它的目的是降低整个PEN线的电位。
非替代性: 重复接地不能替代主保护接零。设备外露导电部分必须可靠地连接到PEN线(或剥离后的PE线)上。
选址与要求:
接入点: 通常在用户建筑物的主进线处,PEN线剥离成N和PE线的地方,也会对PEN线进行重复接地。
沿线接地: 在 PEN 线较长的情况下,可能需要在沿线设置多个接地极,以确保 PEN 线的电位始终处于安全水平。
接地电阻: 重复接地的接地电阻值通常有相关标准规定,例如不大于4欧姆,具体数值需参考当地的电气规范。

四、 两者之间的关系与协同作用

“重复接地”和“保护接零”在TNCS系统中是相互补充、协同作用的。

保护接零是主体: 保护接零是 TNCS 系统安全设计的基石,它通过将设备外壳连接到电源中性点,确保在发生对地故障时能够快速切断电源。
重复接地是补充和加强: 重复接地则是在 PEN 线路上增加一道保险,通过降低 PEN 线的电位,进一步提升了系统的安全性。它解决了 PEN 线在正常和故障状态下可能出现的电位升高问题,为保护接零提供了更好的工作环境。

举例说明:

假设一台洗衣机发生漏电,火线碰触到了洗衣机的金属外壳。

1. 保护接零起作用: 如果洗衣机正确地连接了PE线,故障电流会通过PE线流向电源中性点,形成一个大电流回路,导致断路器跳闸,切断电源。
2. 重复接地的作用: 即使 PE 线上的断路器反应稍慢,或者 PEN 线本身存在一定的阻抗导致外壳电位略有升高,此时 PEN 线上的重复接地装置就可以将 PEN 线(以及通过 PE 线连接的洗衣机外壳)的电位拉向大地电位,使其远低于人身安全电压,避免了人员触电。

五、 标准解读与注意事项

在实际应用中,理解和遵守相关的国家或地区电气安全标准至关重要。例如,中国的《低压配电设计规范》(GB 50054)、《交流电气装置的接地设计规范》(GB 19932005)等都对 TNCS 系统的设计和接地有详细规定。

关键点和常见误区:

PEN线的划分: 在 TNCS 系统中,PEN 线必须在用户建筑物的入口处(或变电箱等位置)可靠地剥离成独立的 N 线和 PE 线。PEN 线不得穿越设备内部,并且在剥离点之后,N 线和 PE 线不得再有任何连接。
保护接零的可靠性: PE 线(或 PEN 线)的连接必须牢固可靠,保证低阻抗的接地回路。任何断开或高阻抗的连接都会削弱保护效果。
重复接地的数量和电阻: 重复接地的数量和接地电阻值需要根据 PEN 线的长度、负荷情况以及相关标准的规定来确定。不能简单地认为“接一个点就够了”。
严禁混淆: 必须严格区分工作零线(N)和保护零线(PE)。N 线只允许通过正常的运行电流,严禁在其上连接设备外壳。
保护接地与保护接零的区别: 在 TN 系统中,我们谈论的是“保护接零”;而在 TT 系统(接地保护)中,我们谈论的是“保护接地”。这两种系统在原理和实现方式上有所不同。
接地装置的维护: 接地装置的接地极、连接线等都需要定期检查和维护,确保其有效性。

结语

TNCS 系统中的“重复接地”与“保护接零”并非孤立的措施,而是构成了一个完整的安全防护体系。保护接零是直接对设备进行保护,而重复接地则是对整个供电系统(特别是 PEN 线)的电位进行管理和控制,两者协同才能最大限度地保障用电安全。理解这些概念及其在标准中的具体要求,对于从事电力设计、施工和维护的专业人员来说,是基本而重要的职业素养。希望本文的详细解读能帮助大家更清晰地认识和应用这些安全措施。

网友意见

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要回答题主的问题,我们一定要把TN-C、TN-C-S、保护接零、重复接地给彻底地弄明白。

我们看下图:

IEC60364是一个系列标准,对应的国家标准是GB16895《建筑物电器装置》系列标准。

在图1中,我们看到了左上角的电力变压器,它的低压绕组公共端接地。在IEC标准中,我们把它叫做系统接地,或者工作接地,其目的就是让中性线为零电位。

我们看到,从变压器低压绕组引出的线有四条,分别是L1、L2、L3等三条火线,还有PEN零线。零线的准确名称是保护中性线。

注意1:零线工作接地后,零线的电压等于零。但要特别注意:尽管零线的电压等于零,但零线的电流不等于零。

为何?

我们看下图:

图2的1图中,我们看到了三个直流电路,且三者没有什么关系。

图2的2图中,我们把这三个直流电源并接在一起,并且把它们的公共端标注上参考地的标识,于是它们的公共端电位为零。但我们从2图中看到,电流In不等于零,且与公共端是否定义为参考地无关。理解这一点很重要,它告诉我们:公共端的参考地符合基尔霍夫第二定律KVL,不符合欧姆定律。

图2的3图中,直流电源都换成了交流三相电源,我们看到中性点上标有参考地符号,说明中性点和中性线N具有参考地特性,但它的电位不是大地的零电位,而是与大地之间存在一定的电压偏差。

图2的4图,就是标准图了,我们看到公共点接的是大地,所以中性线的电位就是大地的零电位,而此时的中性线已经变成零线PEN了。

我们再看图1。我把用电设备的接线放大如下:

注意看图3中左右两台负荷,左边的负荷引入PEN零线时,首先引到外壳的接线端子上,然后再引入到电源零线端子中;右边的负荷则直接把零线接到外壳上。

这说明,零线的功能中,保护功能是优先的,这也是零线的全称是保护中心线的原因。

现在我们设想,左右两只负荷中间的零线断了,会怎样?

因为三相不平衡的原因,断裂点后部的零线电压会上升,极端情况下短路点后部的零线电压会上升到相电压。而我们又知道用电设备或者负荷的外壳是保护接零的,于是用电负荷的外壳会出现较高的电压,引发人身伤害事故。

解决的办法是什么?对零线的母线或者导线采取多点接地措施,这种多点接地就叫做重复接地。

现在,我们来看TN-C-S:

我们看到,PEN零线在两个负载中间的位置分开为中性线N和地线PE。以此分开点为界,之前为TN-C接地系统,之后为TN-C-S的-S接地系统。一般地,在PEN的分开处,需要重复接地,它确保后续的PE线具有零电位。

一旦PEN零线分开为PE地线和N中性线,则两者不能再次合并。

我们仔细看TN-C-S的保护接零和保护接地,看下图:

我把图4中零线PEN分开的地方加上了重复接地。我们注意到TN-C部分的负载属于保护接零,TN-C-S的-S部分负载属于保护接地。这时如果PEN零线断路,后部的PEN线电压会上升吗?答案是否定的,因为零线分开点有重复接地,所以断开点后部的零线电位依然为零。

如果TN-C部分的负载发生单相接外壳故障,则零线会出现高电压,最高可达相电压220V。但TN-C-S的-S部分负载会怎样呢?因为PEN在分开时重复接地,所以断开点后部的PEN线和PE线电位均为零,这就确保了-S部分负载的外壳电压稳定在零电位,确保了人身安全。

最后,我们看一张我已经发表过的居家配电TN-C-S的图,如下:

从图6中,我们看到了用电设备发生了单相接地故障,它的漏电保护器会执行保护跳闸。并且,这种故障不会抬升零线PEN的电压,也不会抬升PE线和中性线N的电压。为何?重复接地把中性线N和地线PE,还有前接的PEN零线,使得它们的电位均保持为零值。

希望能解答题主的疑问。

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