中学生,对老师讲的这个很费解


题主这个问题与几个概念有关,我们先把这几个概念弄清楚了,问题的答案自然就知道了。

一.几个基本概念

第一个概念,电路的零电位参考点和交流电路的系统接地

图1:零电位参考点和交流电路的系统接地

图1的左图,是直流电路,我们看到电源E的负极绘制了参考地的符号。也就是说,节点C的电位是零。如此一来,节点A和节点B的电位就能够推算出来。

注意:题主所谓的电压指的就是电位差。

如果没有参考地,我们根本无法确定各个节点的电位。又因为节点电压的确定要依靠基尔霍夫电压定律KVL,因此基尔霍夫电压定律的基本要求就是必须指定参考地。

这就是图1的左图中绘制了参考地的原因。

需要特别注意的是:1)参考地是人为确定的;2)参考地的电位为零,与参考地相接的线路电压等于零,但电流不等于零。可见,节点电压和参考地不符合欧姆定律;3)参考地与大地之间是悬浮的,因此参考地与大地之间的电压不相等。

图1的右图是交流电路,我们看到电源E的下端绘制了接大地的符号,我们把它叫做系统接地,或者叫做工作接地。系统接地的作用是:1)用于构建电路的零电位参考点;2)用于把交流电路零电位点保持为大地的零电位。

需要注意的是:系统接地的接地极与大地是直接连接的,所以工作接地处的电位就是大地的零电位。

第二个概念:保护接地

图2:保护接地

图2中,负载(R2)的金属外壳在左图中直接接地,右图中负载金属外壳与引自电源的导线相接而实现接地。我们把负载外壳的接地叫做保护接地,其用途就是确保人身安全,防止发生电气火灾。

注意:对于图2的左图,如果R2的外壳与B点的电源线相接,则它相当于电源对地短路。又因为电流要经过大地返回电源,因为地网的电阻较大,所以电流较小。

对于图2的右图,如果R2的外壳与B点的电源线相接,则它相当于把负载电阻R2短接。因为导线存在电阻,但导线电阻很小,因此负载电阻R2的外壳上的电位不会上升太多,基本上在零电位附近。

第三个概念:国际电工委员会标准IEC60364定义的TN-C接地系统

我们看下图:

图3:IEC60364定义的TN-C接地系统

我们仔细看图3,它与题主的问题直接相关。

首先明确:电力变压器低压侧绕组中性线直接接地用T表示,用电设备的外壳与来自电源的保护线(地线)相接用N表示,合在一起就是TN。至于TN-C,它表示来自电源的地线同时又是中性线,也即零线。

图3中,左侧我们看到了电力变压器的三相低压侧绕组,它们输出的线叫做火线,标记为L1、L2、L3。三相绕组的中性线直接接地,其目的是为系统构建零电位参考点。我们把此接地叫做系统接地或者工作接地。从工作接地处引出一条线,它的标记为PEN,名称是保护中性线,俗称就是零线。

图3中的用电设备处,它们的外壳与零线相接,我们把它叫做保护接零。

一旦负载发生火线对外壳的碰壳事故,负载外壳的电位不会上升太多,基本上在零电位附近,但零线电流会大增,因此线路中的过电流保护装置会执行保护跳闸。

如果零线断裂,例如在两个负载中间断裂。断裂点前方的零线电位不会上升,但断裂点后部的电位因为三相不平衡的原因其电位会上升,最高会上升到相电压。

因此,国家标准和规范中规定,零线必须多点重复接地,以确保零线具有大地的零电位。

注意:正因为零线断裂后其后部的电压会上升,因此TN-C接地系统现在越来越少见。事实上,我们家里和学校的接地系统都是TN-C-S,而企业和公共场所的接地系统大多是TN-S或者TT,TN-C几乎绝迹。可见,零线是十分稀罕的。

那么我们家里的配电系统是什么样的?我们看下图:

图4:居家配电系统的外部电路

我们从图4中看到,左侧是电力变压器,它引出了三条火线L1、L2和L3。电力变压器的中性点工作接地,然后以PEN保护中性线的形式引出,它就是零线。在我们的家门口电度表箱处,零线重复接地,之后分开为中性线N和地线PE,并随同从电度表引出的L3相线L一同入户。

注意:居家配电的入户线有3条,分别是相线L、中性线N和地线PE。这里已经没有零线的任何影子。

我们再看户内的情况:

图5:居家配电的户内接线

图5中,在电冰箱的上方,就是入户线,以及户内配电箱的主开关QF1,注意到主开关是2极的。从主开关引出的就是系统母线,所有配电开关都接在母线上,也因此,所有的负荷电压都相同。

从电力变压器开始,我们看到了系统接地(工作接地),当然还有零线PEN,并且入户前我们看到了零线重复接地,以及之后的相线L、中性线N和地线PE,故知居家配电的接地系统是TN-C-S。

图4和图5也适用于学校和一般的供配电场所。

再次提醒:不要把中性线理解为零线。零线具有保护功能,它绝对不能断开,也不得进任何开关。中性线不具有保护功能,它是可以断开的,中性线可以进开关。我们从图5中明确地看到这一点。

二.题主问题的解答

我们看题主的问题:「为什么火线有电压,零线没有电压?中学生,对老师讲的这个很费解」。

通过前面的概念讲解,我们已经知道TN-C接地系统才有火线和零线,而我们日常所使用的TN-C-S和TN-S接地系统中,只有相线和中性线,没有零线。

零线,我们已经知道它是把系统接地的中性线以保护中性线的形式引出,在用户入户处又做了重复接地,因此零线的电位非常接近大地的零电位。

注意1:题主把零线的电压与电位混淆了

注意2:虽然零线的电压(电位)非常接近于零,但零线的电流却不等于零。所以,零线的电压(电位)不符合欧姆定律,而符合基尔霍夫电压定律。

由此可见,火线的电压与零线的电压之间不能划等号,两者不是一回事。

以下把IEC60364的TN-S接地系统和TN-C-S接地系统的图罗列如下:

图6:TN-S接地系统

图7:TN-C-S接地系统

以上这两个接地系统非常重要,它就是我们居家配电和学校配电系统的接地系统。注意其中的三相是相线,标记为L1、L2和L3,还有中性线N以及地线PE,其中中性线N不是零线。

IEC60364对应的国家标准是GB16895,其系列标准如下:

图6:GB16895系列标准

这些标准大多有了新版本。题主如果有兴趣,可以参阅这些标准,把问题给彻底地弄清楚。

另外,上述接地系统的图可在GB16895.1中找到。

=====================

最后总结一下:

1)因为零线配套了系统接地和重复接地,因此零线的电位等于大地的零电位,它相对大地的电位差也就是电压当然等于零。

2)题主所谓的电压,其实指的就是电位差。

3)火线相对零线有电位差,它等于相电压;相线对中性线有电位差,它也等于相电压;中性线对地线在重复接地处的电位差等于零,但在单相配电网的末端,由于中性线本身存在一定的电阻,它也流过工作电流,因此中性线中段和末段相对地线存在很小的电位差,也即中性线电压,其值一般在零点几到几个伏特,要看具体情况而定。

4)只有在TN-C接地系统中,才有火线和零线。在TN-C-S的「-S」段,也即我们日常使用的配电系统中,不存在火线和零线,只有相线和中性线。其它接地系统,例如TT、TN-S都不存在火线和零线。

5)TN-C接地系统中,当零线断裂后用电设备保护接零致使外壳带电,会产生严重的人身伤害和电气火灾,因此TN-C接地系统几乎绝迹。至于人们把相线叫火线,把中性线叫零线,甚至连题主的老师也这么说,可见习惯的误区有多强。

回答完毕。


首先,说「火线有电压,零线没有电压」,这个说法不规范。

所谓电压是指两点之间的电势差。在电路中,可以先规定一个参考点,这个点的电势为零,那么其它点和这个参考点之间的电势差就是这个点的电势,任意两点之间的电势之差,就是两点之间的电压。

对于电力线路,零线就是参考点,所以零线的电势为零,火线与零线之间是有电势差的,所以火线和零线之间是有电压的。


因为零线接地了。

电压是两个点之间的量,也就是「A点对B点的电压」,如果只指明了其中的一点,那默认就是对地(指电路中的地,不一定是真正大地)的电压。

零线接地,就意味著它和大地等电位,不存在电压。当然这只是理想情况,实际中零线由于接地位置较远,以及零线可能存在较大电流的情况,零线对地还是有电压的,只是不高。


简单的来说就是零线在变压器处被接地了,相对站在地上的人来说电势差为零。

为什么要接地?

简单来说就是在发生短路时,短路电流可以通过接地线流走,保护人和设备。不要小看短路电流,当电压等级较高,功率较大时,短路冲击电流可达千安级别。

如何接地的?

我们俗称的火线叫做相线,零线被称为中性线。一般来说0.4KV,也就是我们常用的380/220V会有三根相线和一根中性线,而市区里常用的10KV就只有三根相线了,你可以观察一下你家附近的变压器进来是三根线出去就变成了四根了(当然现在裸露在外面的变压器越来越少了,都在用箱变和入地走线了)。多出的一根线就是中性线,也就是你家中「左零右火」的零线。到你家的时候,就会从ABC三相中选择一相,接入你家。当然电流要回去的,不然没法行成环路,回去就靠中性线了。

对于中性线接地,主要有以下三种情况

1.中性线直接接地

这种主要是用在电压等级较高以及380V/220V的照明电路中。

2.中性线不接地

这种主要用在35kV及以下的非照明电路的场合。另外这种方式对电流大小,供电网路有一定的要求。

3.中性线经消弧线圈接地

这一部分主要涉及到的是继电保护的知识,高中不明白是很正常的,但要注意理解电压的含义是两点之间的电势差,相线相对于大地是有电势差的,所以一般说是有电压的,而中性线接地了,与大地的电势差为0,所以一般说没有电压。当然不要作死去直接摸,因为线路上有可能会有故障,或者接地不好,中性线上就会有电压了。

我主要是做电力电子方面的,对于电网方面的了解也就这些了。


啥叫电压?通俗点说电压就是两点间压差呗!你老师这样讲,只是让你们死记硬背而已,实际上根本就不存在什么零线没有电压这种事,仅仅是因为工程设计上将零线与地线相接,保持零线和地电位相等而已。这种相等在每隔一段距离以后就会偏离,所以每隔一段距离就要与地短接一下。

实际上并不是零线为0电压,如果没有接地,那么0线与地之间是没有电压,火线也没有。不信可以把市电接一个安全隔离变压器出来看看,无论火线还是零线与地还能测出电压不?

那为何会这样?实际上你可以拿两节电池,每一节的正负极和另一节正负极测一下(两节无直接接触),看看能否测出电压?那么估计你就了然了。如果这样都无法让你了解,那么试著设想一下,一根水管里阀门的两端必定存在水压,那么这根水管里的水和旁边一根水管里的水之间水压是多少?那么水管里的水对周边的水压只是根据水本身对水管壁压力有关,而跟隔壁那根水管里水压多少是没有关系的。如果两根水管间增加了一个阀门,那么阀门两端水压就和两根水管中的水压有关系了。进一步的,如果阀门全开,那么两根水管中的水压就一致了。

同理,不是零线为何没电压,仅仅是因为零线和地线共地了而已。这样的设计在漏电保护上有好处,但是由于线电压和地之间产生压差,又可能导致直接碰触火线会触电,而且地线上的一些干扰和杂波也会耦合到零线上。所以各有利弊吧!


推荐阅读:
相关文章