中學生,對老師講的這個很費解


題主這個問題與幾個概念有關,我們先把這幾個概念弄清楚了,問題的答案自然就知道了。

一.幾個基本概念

第一個概念,電路的零電位參考點和交流電路的系統接地

圖1:零電位參考點和交流電路的系統接地

圖1的左圖,是直流電路,我們看到電源E的負極繪製了參考地的符號。也就是說,節點C的電位是零。如此一來,節點A和節點B的電位就能夠推算出來。

注意:題主所謂的電壓指的就是電位差。

如果沒有參考地,我們根本無法確定各個節點的電位。又因為節點電壓的確定要依靠基爾霍夫電壓定律KVL,因此基爾霍夫電壓定律的基本要求就是必須指定參考地。

這就是圖1的左圖中繪製了參考地的原因。

需要特別注意的是:1)參考地是人為確定的;2)參考地的電位為零,與參考地相接的線路電壓等於零,但電流不等於零。可見,節點電壓和參考地不符合歐姆定律;3)參考地與大地之間是懸浮的,因此參考地與大地之間的電壓不相等。

圖1的右圖是交流電路,我們看到電源E的下端繪製了接大地的符號,我們把它叫做系統接地,或者叫做工作接地。系統接地的作用是:1)用於構建電路的零電位參考點;2)用於把交流電路零電位點保持為大地的零電位。

需要注意的是:系統接地的接地極與大地是直接連接的,所以工作接地處的電位就是大地的零電位。

第二個概念:保護接地

圖2:保護接地

圖2中,負載(R2)的金屬外殼在左圖中直接接地,右圖中負載金屬外殼與引自電源的導線相接而實現接地。我們把負載外殼的接地叫做保護接地,其用途就是確保人身安全,防止發生電氣火災。

注意:對於圖2的左圖,如果R2的外殼與B點的電源線相接,則它相當於電源對地短路。又因為電流要經過大地返回電源,因為地網的電阻較大,所以電流較小。

對於圖2的右圖,如果R2的外殼與B點的電源線相接,則它相當於把負載電阻R2短接。因為導線存在電阻,但導線電阻很小,因此負載電阻R2的外殼上的電位不會上升太多,基本上在零電位附近。

第三個概念:國際電工委員會標準IEC60364定義的TN-C接地系統

我們看下圖:

圖3:IEC60364定義的TN-C接地系統

我們仔細看圖3,它與題主的問題直接相關。

首先明確:電力變壓器低壓側繞組中性線直接接地用T表示,用電設備的外殼與來自電源的保護線(地線)相接用N表示,合在一起就是TN。至於TN-C,它表示來自電源的地線同時又是中性線,也即零線。

圖3中,左側我們看到了電力變壓器的三相低壓側繞組,它們輸出的線叫做火線,標記為L1、L2、L3。三相繞組的中性線直接接地,其目的是為系統構建零電位參考點。我們把此接地叫做系統接地或者工作接地。從工作接地處引出一條線,它的標記為PEN,名稱是保護中性線,俗稱就是零線。

圖3中的用電設備處,它們的外殼與零線相接,我們把它叫做保護接零。

一旦負載發生火線對外殼的碰殼事故,負載外殼的電位不會上升太多,基本上在零電位附近,但零線電流會大增,因此線路中的過電流保護裝置會執行保護跳閘。

如果零線斷裂,例如在兩個負載中間斷裂。斷裂點前方的零線電位不會上升,但斷裂點後部的電位因為三相不平衡的原因其電位會上升,最高會上升到相電壓。

因此,國家標準和規範中規定,零線必須多點重複接地,以確保零線具有大地的零電位。

注意:正因為零線斷裂後其後部的電壓會上升,因此TN-C接地系統現在越來越少見。事實上,我們家裡和學校的接地系統都是TN-C-S,而企業和公共場所的接地系統大多是TN-S或者TT,TN-C幾乎絕跡。可見,零線是十分稀罕的。

那麼我們家裡的配電系統是什麼樣的?我們看下圖:

圖4:居家配電系統的外部電路

我們從圖4中看到,左側是電力變壓器,它引出了三條火線L1、L2和L3。電力變壓器的中性點工作接地,然後以PEN保護中性線的形式引出,它就是零線。在我們的家門口電度表箱處,零線重複接地,之後分開為中性線N和地線PE,並隨同從電度表引出的L3相線L一同入戶。

注意:居家配電的入戶線有3條,分別是相線L、中性線N和地線PE。這裡已經沒有零線的任何影子。

我們再看戶內的情況:

圖5:居家配電的戶內接線

圖5中,在電冰箱的上方,就是入戶線,以及戶內配電箱的主開關QF1,注意到主開關是2極的。從主開關引出的就是系統母線,所有配電開關都接在母線上,也因此,所有的負荷電壓都相同。

從電力變壓器開始,我們看到了系統接地(工作接地),當然還有零線PEN,並且入戶前我們看到了零線重複接地,以及之後的相線L、中性線N和地線PE,故知居家配電的接地系統是TN-C-S。

圖4和圖5也適用於學校和一般的供配電場所。

再次提醒:不要把中性線理解為零線。零線具有保護功能,它絕對不能斷開,也不得進任何開關。中性線不具有保護功能,它是可以斷開的,中性線可以進開關。我們從圖5中明確地看到這一點。

二.題主問題的解答

我們看題主的問題:「為什麼火線有電壓,零線沒有電壓?中學生,對老師講的這個很費解」。

通過前面的概念講解,我們已經知道TN-C接地系統纔有火線和零線,而我們日常所使用的TN-C-S和TN-S接地系統中,只有相線和中性線,沒有零線。

零線,我們已經知道它是把系統接地的中性線以保護中性線的形式引出,在用戶入戶處又做了重複接地,因此零線的電位非常接近大地的零電位。

注意1:題主把零線的電壓與電位混淆了

注意2:雖然零線的電壓(電位)非常接近於零,但零線的電流卻不等於零。所以,零線的電壓(電位)不符合歐姆定律,而符合基爾霍夫電壓定律。

由此可見,火線的電壓與零線的電壓之間不能劃等號,兩者不是一回事。

以下把IEC60364的TN-S接地系統和TN-C-S接地系統的圖羅列如下:

圖6:TN-S接地系統

圖7:TN-C-S接地系統

以上這兩個接地系統非常重要,它就是我們居家配電和學校配電系統的接地系統。注意其中的三相是相線,標記為L1、L2和L3,還有中性線N以及地線PE,其中中性線N不是零線。

IEC60364對應的國家標準是GB16895,其系列標準如下:

圖6:GB16895系列標準

這些標準大多有了新版本。題主如果有興趣,可以參閱這些標準,把問題給徹底地弄清楚。

另外,上述接地系統的圖可在GB16895.1中找到。

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最後總結一下:

1)因為零線配套了系統接地和重複接地,因此零線的電位等於大地的零電位,它相對大地的電位差也就是電壓當然等於零。

2)題主所謂的電壓,其實指的就是電位差。

3)火線相對零線有電位差,它等於相電壓;相線對中性線有電位差,它也等於相電壓;中性線對地線在重複接地處的電位差等於零,但在單相配電網的末端,由於中性線本身存在一定的電阻,它也流過工作電流,因此中性線中段和末段相對地線存在很小的電位差,也即中性線電壓,其值一般在零點幾到幾個伏特,要看具體情況而定。

4)只有在TN-C接地系統中,纔有火線和零線。在TN-C-S的「-S」段,也即我們日常使用的配電系統中,不存在火線和零線,只有相線和中性線。其它接地系統,例如TT、TN-S都不存在火線和零線。

5)TN-C接地系統中,當零線斷裂後用電設備保護接零致使外殼帶電,會產生嚴重的人身傷害和電氣火災,因此TN-C接地系統幾乎絕跡。至於人們把相線叫火線,把中性線叫零線,甚至連題主的老師也這麼說,可見習慣的誤區有多強。

回答完畢。


首先,說「火線有電壓,零線沒有電壓」,這個說法不規範。

所謂電壓是指兩點之間的電勢差。在電路中,可以先規定一個參考點,這個點的電勢為零,那麼其它點和這個參考點之間的電勢差就是這個點的電勢,任意兩點之間的電勢之差,就是兩點之間的電壓。

對於電力線路,零線就是參考點,所以零線的電勢為零,火線與零線之間是有電勢差的,所以火線和零線之間是有電壓的。


因為零線接地了。

電壓是兩個點之間的量,也就是「A點對B點的電壓」,如果只指明瞭其中的一點,那默認就是對地(指電路中的地,不一定是真正大地)的電壓。

零線接地,就意味著它和大地等電位,不存在電壓。當然這只是理想情況,實際中零線由於接地位置較遠,以及零線可能存在較大電流的情況,零線對地還是有電壓的,只是不高。


簡單的來說就是零線在變壓器處被接地了,相對站在地上的人來說電勢差為零。

為什麼要接地?

簡單來說就是在發生短路時,短路電流可以通過接地線流走,保護人和設備。不要小看短路電流,當電壓等級較高,功率較大時,短路衝擊電流可達千安級別。

如何接地的?

我們俗稱的火線叫做相線,零線被稱為中性線。一般來說0.4KV,也就是我們常用的380/220V會有三根相線和一根中性線,而市區裏常用的10KV就只有三根相線了,你可以觀察一下你家附近的變壓器進來是三根線出去就變成了四根了(當然現在裸露在外面的變壓器越來越少了,都在用箱變和入地走線了)。多出的一根線就是中性線,也就是你家中「左零右火」的零線。到你家的時候,就會從ABC三相中選擇一相,接入你家。當然電流要回去的,不然沒法行成環路,回去就靠中性線了。

對於中性線接地,主要有以下三種情況

1.中性線直接接地

這種主要是用在電壓等級較高以及380V/220V的照明電路中。

2.中性線不接地

這種主要用在35kV及以下的非照明電路的場合。另外這種方式對電流大小,供電網路有一定的要求。

3.中性線經消弧線圈接地

這一部分主要涉及到的是繼電保護的知識,高中不明白是很正常的,但要注意理解電壓的含義是兩點之間的電勢差,相線相對於大地是有電勢差的,所以一般說是有電壓的,而中性線接地了,與大地的電勢差為0,所以一般說沒有電壓。當然不要作死去直接摸,因為線路上有可能會有故障,或者接地不好,中性線上就會有電壓了。

我主要是做電力電子方面的,對於電網方面的瞭解也就這些了。


啥叫電壓?通俗點說電壓就是兩點間壓差唄!你老師這樣講,只是讓你們死記硬背而已,實際上根本就不存在什麼零線沒有電壓這種事,僅僅是因為工程設計上將零線與地線相接,保持零線和地電位相等而已。這種相等在每隔一段距離以後就會偏離,所以每隔一段距離就要與地短接一下。

實際上並不是零線為0電壓,如果沒有接地,那麼0線與地之間是沒有電壓,火線也沒有。不信可以把市電接一個安全隔離變壓器出來看看,無論火線還是零線與地還能測出電壓不?

那為何會這樣?實際上你可以拿兩節電池,每一節的正負極和另一節正負極測一下(兩節無直接接觸),看看能否測出電壓?那麼估計你就瞭然了。如果這樣都無法讓你瞭解,那麼試著設想一下,一根水管裏閥門的兩端必定存在水壓,那麼這根水管裏的水和旁邊一根水管裏的水之間水壓是多少?那麼水管裏的水對周邊的水壓只是根據水本身對水管壁壓力有關,而跟隔壁那根水管裏水壓多少是沒有關係的。如果兩根水管間增加了一個閥門,那麼閥門兩端水壓就和兩根水管中的水壓有關係了。進一步的,如果閥門全開,那麼兩根水管中的水壓就一致了。

同理,不是零線為何沒電壓,僅僅是因為零線和地線共地了而已。這樣的設計在漏電保護上有好處,但是由於線電壓和地之間產生壓差,又可能導致直接碰觸火線會觸電,而且地線上的一些幹擾和雜波也會耦合到零線上。所以各有利弊吧!


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