淺談低壓配電網接地系統之1：為何零線電壓為零？

歐姆定律幾乎人盡皆知。我們看中學課本是如何定義歐姆定律的：

導體中的電流跟導體兩側的電壓成正比，跟導體的電阻成反比。

適用條件：歐姆定律適用於金屬導電和電解液導電，不適用於氣體導電。

看起來很簡單。可是，這個簡單描述卻帶來一些誤區，例如零線的電壓和電流問題。

在我們家裡的配電線路中，火線電流當然很大，按道理零線電流也很大，並且要等於火線電流才對。若按歐姆定律，零線的電壓應當很高，然而實際的零線電壓卻近似為零！許多人想不通：為何零線電壓不符合歐姆定律？

據說，這個困惑可以讓許多人從校園一直延續到職場，幾十年都搞不明白。

好，我來給大家解答這個問題。這裡用到的物理知識和數學工具不超過中學的知識範圍。

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我們先建立第一個概念：接地和零電位參考點

我們看下圖：

從圖中我們看到，高程是以大海為基準的，大海的標高是0米。以大海作為高程的起點，我們就能測量出附近白雪皚皚的山頂處高程是1016米。

如果我們不規定以大海作為高程的零基準點，則無法定義高山乃至於任何一點的高程。

對於電路，也存在類似問題。

我們來看下圖：

看圖1的1圖，我們看到圖中的電源電壓是12V，電阻的阻值是12歐，按歐姆定律，並且忽略電源的內阻，於是流過電阻的電流I為：

但如果我們多問一句：電路中的a點和b點電壓是多少？似乎有點不好回答。我們既可以說圖中的Ua=12V並且Ub=0V，也可以說Ua=0V並且Ub=-12V。

再看圖1的2圖，我們把兩個類似的電路上下疊在一起，那麼這兩個電阻R1和R2，它們兩端的電壓是多少？這下就更不好說了。

我們看圖1的3圖，注意到在E2電源的負極有一個接地符號，這表明，此處的電壓為0V，也就是Uc=0V，並且c點所在的電路節點電壓被強制性地規定為零電位參考點。

於是，b節點處的電壓Ub=12V，而a節點處的電壓Ua=24V。

現在，我們再來計算電路中各部分的電流，我們發現C節點上的電流為1A。

值得注意的是：儘管Uc=0V，但它的零電壓值毫不影響到流過的電流。

我們再看圖1的4圖，注意接地點在兩個電源的中點b節點。此時，Uc=-12V，而Ua=12V。

幾個注意點：

1）與大海為零海拔參考點一樣，零電位點是我們人為規定的；

2）大海容納的海水近乎為無窮大。既然大海的零高程與海水水量無關，零電位點與流過它的電流也無關；

3）零電位點的電壓和電流關係不符合歐姆定律，它遵循電路節點電壓定律。

第二個概念：工作接地與保護接地

所謂工作接地，就是類似於圖1中的接地，它的目的是為了給電路建立零電位參考點。

我們都知道，我們腳下的大地，它的容量很大，所以我們可以把它作為工作接地的零電位參考點。

現在我們來考慮一個問題：如果我們把電路中電源的工作接地和負載的外殼都接大地，那麼會怎樣呢?

我們來看下圖：

圖中有一架飛機，它被閃電擊中。如果此飛機不管是發動機、航電和機身都沒有發生任何問題，只是機身的電壓瞬間升高到很高的數值，我的問題是：飛機里的乘客會有什麼感覺嗎？

答案是：類似法拉第的籠子，飛機里的乘客沒有任何異樣感覺。

知道為什麼？這是因為飛機的機身是同一塊金屬體，它的等電位作用保護了內部的乘客。

同理，如果我們把電源的工作接地與負載的外殼通過導線連接起來，兩者形成等電位，當負載發生漏電時，由於負載外殼的電壓保持為零電位，這樣就能保護人身安全。

所謂保護接地，就是把負載外殼與大地連接起來並形成零電位的等電位，用以保護人身安全。

第三個概念：低壓配電網的TN-C接地系統

在國際電工委員會的標準IEC60364"接地系統"和國家標準GB16895《接地系統》中，定義了低壓交流配電網的接地系統，我們來看一看：

這張圖是我的書稿《你所不知道的電氣知識——電氣世界漫遊》中的摘錄。

在圖2中，我們在左側看到了三相電力變壓器的低壓三相繞組，它引出了L1相火線、L2相火線和L3相火線。

注意到三相繞組的中性點，首先進行系統接地，以獲得零電位參考點，然後引出，這就是大名鼎鼎的零線。

中性線的符號是N，接地的符號是PE，所以零線的符號是PEN。這裡的PE排在N的前面，表示零線的保護特性高於它的中性線特性。也因此，零線的準確名稱叫做保護中性線。

注意1：零線在被用戶使用前，必須再次重複接地。

為何零線需要再次重複接地？這是防止零線斷裂。一旦零線斷裂後，若斷裂點後部又同時發生了單相接地故障，則零線的電壓會上升到相電壓。所以國家標準和規範強制性規定，零線不得引入開關和熔斷器，其目的就在於不讓零線發生斷裂。

注意看圖中的電飯煲，它在引入電源的同時，把零線接到外殼上，叫做保護接零。這樣一來，若發生了電飯煲外殼碰到相線，則零線會把接零電流給引走，而它的電壓卻不會上升太多，以此實現人身安全防護。

注意2：零線的電壓是節點電壓，並且是零電位參考點。因此，零線電壓與流過零線的電流無關。

注意3:保護接地的符號不同於單純的工作接地，注意區別。

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本篇文章內容到此結束。

下一篇我們來談一談什麼叫做低壓配電網的線制，為何不存在三相五線制，以及如何解決零線斷裂問題。