三相五线制接零保护系统分析及应用

什么是TN-S 接零保护系统? TN-S 接零保护系统与广为流传的三相五线制是一回事吗?如何正确设置TN-S 接零保护系统?本文尝试从以下五个方面为您做深入浅出的解答。

1、三相五线制及其标准术语

不少电气方面的教科书，甚至一些相关政府部门发布的红头文件中经常会使用三相五线制一词。何谓三相五线制? 作为一种制度，三相五线制就是TN-S 接零保护系统，但三相五线制并不仅仅等同于三相五线。由图一可见，根据负荷是否使用工作零线(N)，接零保护系统的结线形式可以是三相四线或三相五线，如果是单相负荷，甚至可以是单相三线。

很多人是根据电线电缆的芯线数习惯地把电力系统的结线形式称为三相三线制、三相四线制和三相五线制。其实，它们的内涵以电线电缆芯线的多寡是表达不全的，尤其表现在间接接触电击的保护方式上。正确的术语来源于国际电工委员会(IEC)对电源系统的统一规定，分别称之为IT系统、TT系统和TN系统。所谓IT系统是指电源系统的带电部分不接地或通过阻抗接地，电气设备的外露导电部分接地的系统。 “I”表示配电网不接地或经高阻抗接地;“T”表示电气设备的外露导电部分接地。IT系统就是人们常说的“保护接地”系统，对应于人们俗称的三相三线制。TT系统是指电源系统有一点直接接地，设备外露导电部分的接地与电源系统的接地电气上无关的系统。前后两个字母“T”分别表示配电网中性点和电气设备的外露导电部分接地，没有与之对应的俗称(不少人管它叫“保护接地”，其实“保护接地”是三相三线制系统的专有名词，并不适用于它)。而TN系统指的是将电气设备的外露导电部分与工作零线相接的系统，称作接零保护系统，用 TN 表示，人们习惯称它为“保护接零”系统。此系统又可细分为TN-C、TN-C-S和TN-S接零保护系统。TN-C接零保护系统是把工作零线与保护零线合一设置的系统，对应于人们俗称的三相四线制。TN-C-S接零保护系统则是将工作零线与保护零线前一部分合一，后一部分分开设置，此系统也没有与之对应的俗称，《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46-2005)命名它为局部TN-S接零保护系统。TN-S接零保护系统指的是工作零线与保护零线分开设置的系统，对应于人们俗称的三相五线制。

2、为什么要实行三相五线制

在三相四线制电源系统中，零线兼有工作零线和保护零线的双重功用，我们把它称作PEN线(图二)。采用PEN线来做保护存在着一定的弊端。

其一，中性点漂移带来的影响。负荷不平衡时，中性点发生漂移，电源中性点和负荷中性点之间产生电压。

电压的大小为：UOO′=(UAYA UBYB UCYC)/(YA YB YC YN)

UA、UB、UC -三相的相电压(向量)

Y—导纳;Y=1/Z

要使UOO′等于零，必须使式中的分子等于零，或者分母无穷大。满足分子等于零的条件是负荷必须对称，即YA YB YC=Y

则UAYA UBYB UCYC=(UA UB UC)Y=0;满足分母无穷大的条件是YN ,ZN 0，即PEN线上的阻抗趋于零。

有人曾做过Pspice仿真实验，将3000盏40W日光灯均匀分布在三相上，按三种情况进行研究。第一种情况，某一相负荷不变，另外两相，其中一相负荷增加，另一相负荷减少(即A相为1000盏，B相为1000 K盏，C相为1000-K盏，K=100,200，…，1000);第二种情况，某两相负荷增加，另一相负荷减少(即A相为1000-K盏，B相为1000 K/2盏，C相为1000 K/2盏，K=100,200，…，1000);第三种情况，某两相负荷减少，另一相负荷增加(即A相为1000 2K盏，B相为1000-K盏，C相为1000-K盏，K=100,200，…，1000)。实验数据见下表：

三相星形不平衡负荷下的中性点电压

可见，三相负荷不平衡度越大，中性点电位漂移也越大，极限值可以达到相电压的水平。

理论上，当PEN线的阻抗由于种种原因不趋于零，并且向无穷大的方向增加时，PEN线以及接在PEN线上的设备外壳上所产生的电压亦会趋于相电压，消除这个电压就必须使三相负荷尽量保持平衡，或PEN线的阻抗趋向于零。

其二，零线断线带来的影响。这是PEN线阻抗变化的极端个例，即阻抗无穷大。如图三，工作零线兼做保护零线时，一旦零线断线，相线电压就会送到断线处，这样，断线处后面所接设备的外壳上就会带上相线电压，此电压对人的危害不言而喻，也是TN-C接零保护系统难以克服的。

为了克服TN-C接零保护系统存在的上诉缺陷，按照《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46-2005)的规定采用TN-S 接零保护系统。由图四可知，此时不论负荷是否平衡，不论工作零线的阻抗如何变化，其都对PE线没有任何影响，大大地提高了安全性。

3、关于TN-C-S接零保护系统。

前边介绍过，这是工作零线与保护零线前一部分合一，后一部分分开设置的接零保护系统。考察施工现场的临时用电工程，绝大多数施工单位采用的是TN-C-S接零保护系统，由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处，引出一根PE线，形成局部的三相五线制(图五)。从图五中不难看出，两根零线的节点越靠近电源中性点，就越接近TN-S接零保护系统;离电源中性点越远，其TN-C接零保护系统的特性就越突出。考虑到TN-C接零保护系统存在的缺陷，所以，应该慎重应用TN-C-S接零保护系统。

4、正确设置三相五线制

实际工作中，不少人认为所谓的三相五线制就是采用五芯电缆设置的接零保护系统，结果是盲目地采购和使用五芯电缆，导致五芯电缆被乱用、被浪费的现象时有发生。检查中经常会看到在分配电箱、开关箱里，电工或者把两根零线拧在一起用，或者丢下一根零线不用的现象。那么，如何正确设置接零保护系统呢?笔者以为可以将三级配电线路分段来考虑。第一段，由总配电箱到分配电箱的动力线路。此线路是否使用五芯电缆设置接零保护系统，取决于分配电箱任一分路的负荷是否需要相零220V电源供电，不需要相零220V电源供电的，则可以使用四芯电缆设置接零保护系统。(http://www.diangon.com版权所有)在具体实施中，可以把需要相零220V电源供电的负荷尽量安排在同一个分配电箱里，以减少五芯电缆的使用。第二段，由分配电箱到开关箱的动力线路(包括负荷及其控制电器的电源线)。此线路是否使用五芯电缆设置接零保护系统，取决于负荷及其控制电器的相数和线数。如果负荷及其控制电器只需三相电源为其供电，比如建筑工地钢筋加工场地使用的切断机、矫直机，木工场地使用的电锯、电刨，搅拌场地使用的搅拌机(如JZ350砼搅拌机)等，则可以使用四芯电缆(形式为三相四线制)进行接零保护系统的设置。在单相供电系统中，如单相380V焊机，或者相零220V负荷，可以采用三芯电缆(形式为单相三线制)做接零保护系统，这些都是三相五线制应包含的内涵，它们不需要使用五芯电缆。只有负荷及其控制电器同时需要380V三相电源和相零220V电源供电时才应采用五芯电缆做接零保护系统的设置(形式为三相五线制)，像塔式起重机(如QTZ63)等设备，即需要380V三相电源驱动起升、回转、小车牵引电动机，又需要为塔顶灯、驾驶室维修灯、驾驶室灯、220V插座提供相零220V电源。广义地讲，三相五线制接零保护系统的结线方式包括：单相三线、无中性点的三相四线、有中性点的三相四线以及三相五线，使用的电缆分别为三芯、四芯和五芯。不能简单地从电缆芯线的个数上去判断是否采用了三相五线制接零保护系统。三相五线制叫法很容易引起误解，还是按照标准称为TN-S接零保护系统吧。

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