淺析TN系統的應用特點及等電位聯結的必要性

摘 要：TN系統是工業與民用建筑電氣低壓電氣裝置使用的一種重要接地系統，而等電位聯結是間接接觸防護的一種保護措施，本文重點分析TN系統的設計分類、應用特點及相關注意事項，以及等電位聯結保護防電擊的必要性。

關鍵詞：TN系統；接地；等電位聯結

1 系統的接地及TN系統的分類

在供電系統中，接地是個十分重要和復雜的問題，它關系到人身和財產的安全以及電氣裝置和設備功能的正常發揮。供電系統有兩個接地：一個是系統內電源端帶電導體的接地，另一個是負荷端電氣裝置外露導電部分的接地。就低壓供電系統而言，前者通常是變壓器、發電機等中性點的接地，稱作系統接地，是使系統取得大地電位為參考電位，降低系統對地絕緣水平的要求，保證系統的正常和安全運行。另一個是指電氣裝置內電氣設備金屬外殼、布線金屬管槽等外露導電部分的接地，稱作保護接地。保護接地又分兩個含義，一是指電氣回路導體或電氣設備外殼與大地的連接，對接地電阻有要求；另一是指該需接地部分與代替大地的某一導體相連接，這時以該導體的電位為參考電位而不是以大地的電位為參考電位，不提對接地電阻的要求，而只要求等電位聯結系統的低阻抗，例如用飛機的機艙、汽車的車身以及建筑物的一些金屬部分作等電位聯結系統。

TN系統是接地系統中的一種，它代表電源的一點（通常是中性點）與大地直接連接，是不經阻抗直接接地，電氣裝置的外露導電部分通過與接地的電源中性點的連接而接地。TN系統按中性線和PE線的不同組合方式分為三種類型：

（1）TN-C系統：在全系統內N線和PE線是合一的。（2）TN-S系統：在全系統內N線和PE線是分開的。（3）TN-C-S系統：在全系統內，僅在電氣裝置電源進線點前N線和PE線是合一的，電源進線點后即分為兩根線。

2 TN系統分類的特點和較適用場所

2.1 TN-C系統

優點：TN-C系統內的PEN線起PE線和N線的作用，可以節省一根導線，比較經濟。

缺點：

（1）如果系統為一個單相回路，當PEN線中斷時，設備金屬外殼對地將帶220V的故障電壓，電擊死亡的危險很大。

（2）不能裝用RCD來防電擊和接地電弧火災。因PEN線穿過RCD的零序電流互感器，通過相線和PEN線的接地故障電流產生的磁場在互感器鐵芯內互相抵消而使RCD拒動。

（3）不能裝用四極開關來保證維修人員的安全。進行電氣維修時需采用四極開關來隔斷中性線上可能出現的故障電壓傳導，因PEN線含有PE線而不允許被開關切斷，所以TN-C系統內不能裝用四極開關。

（4）PEN線因通過中性線電流產生電壓降，從而使所接設備的金屬外殼對地帶電位。此電位可能在爆炸危險場所內打火引爆。按IEC標準易爆場所內是不允許出現PEN線和采用TN-C系統的。

（5）由于PEN線通過電流，各點對地電位不同，不得用于信息技術系統，以免各信息技術設備地電位的不同而引起干擾。

適用場所：綜上所述，除維護管理水平比較高的一般場所外，現在TN-C系統已經很少使用。

2.2 TN-S系統

優點：比較安全。TN-S系統中性線不允許重復接地，PE線除微量對地泄漏電流外，平時不通過電流，也不帶電位。只在發生接地故障的時侯通過故障電流，電氣裝置的外露導電部分對地平時幾乎不帶電位。

缺點：需在回路的全長多敷用一根導線。

適用場所：TN-S系統適用于內部設有變電所的建筑物。特別是在爆炸危險場所，為避免電火花的發生，更宜采用TN-S系統。

2.3 TN-C-S系統

優點：TN-C-S系統自電源到另一個建筑物用戶電氣裝置之間節省了一根專用的PE線，因電氣裝置內設有總等電位聯結，它的安全水平和TN-S系統是相仿的。對信息技術設備的抗共模電壓干擾而言TN-C-S系統優于TN-S系統。

缺點：TN-C-S系統自電源到另一個建筑物用戶電氣裝置之間節省了一根專用的PE線，這一段PEN線上的電壓降使整個電氣裝置對地升高△UPEN的電壓，較TN-S系統而言，不宜在爆炸危險場所應用，避免電火花的發生。

適用場所：除爆炸危險場所和建筑物內部設有變電所，建筑物以低壓供電采用TN系統時宜皆宜采用TN-C-S系統。

注：在醫院內采用TN系統時應注意

（1）不得采用TN-C系統，采用TN-C-S系統時在電源進線處就需將PEN線分開為PE線和中性線，即在醫院不應出現PEN線。

（2）1類場所內32A及以下的末端回路，應裝設I△n ≤30mA的RCD作附加保護。

（3）在2類場所內只能在下列電氣設備的回路內才可裝用I△n ≤30mA的RCD動作于自動切斷電源，其他回路不得裝用RCD：

（1）手術臺。（2）X光機。（3）額定功率大于5kVA的大型電氣設備。（4）不重要（不影響生命安全）的電氣設備。

應注意，勿使一個RCD所保護的電氣設備數量過多，以免引起RCD不必要的跳閘而導致醫療用電中斷。還應注意1類和2類醫療場所內只允許裝用對回路電流直流分量不敏感的A型或B型RCD。

在TN-S系統內，宜裝用剩余電流動作原理的監測器來持續監測所有帶導體的絕緣水平。

3 TN系統接地裝置的設置要求

接地裝置由接地極、接地線和接地母排三部分組成，它被用心實現電氣系統與大地相連接的目的。

3.1 接地裝置的接地電阻值應能始終滿足TN系統接地電阻值的要求，Zs*Ia≤Uo

式中：Zs-故障回路阻抗，包括相線、PEN線、PE線和變壓器（發電機）的阻抗，Ω；Ia-保證防護電器能在規定時間內動作的最小電流，它為斷路器整定電流或熔斷器熔體額定電流In的若干倍，即Ia=K*In ，A；Uo-相線對地標稱電壓的方均根值，V。

3.2 接地裝置的各個組成部分應有足夠的截面，使正常的泄漏電流和接地故障電流能安全地通過；有關規范已有具體規定。

3.3 接地裝置的材質和規格在其所處環境內應具備相當的抗機械損傷、腐蝕和其他有害影響的能力。

3.4 在建筑物用戶電氣裝置內設有等電位聯結，防止接觸電壓Uf超過50V。

3.5 系統接地電阻Rb應盡量減少，防止在沒有等電位聯結作用的干燥場所，接觸電壓Uf超過50V。一般認為Rb≤2Ω是有效和可行的。

TN系統因接地故障回路阻抗小，接地故障點被熔焊而成為金屬性短路，故障電流可達導體載流量的幾百倍以至上千倍。導體溫度急劇上升，故障回路電阻隨之增大，所以在故障電流產生的高溫下故障回路電阻值較室溫下測得的回路電阻值大許多，因此檢測測得的故障回路阻抗的合格值應適當減小，以符合故障時的實際情況。IEC標準建議取2/3的降低系數，即檢驗時測得的阻抗值應滿足下式要求，

Zs（m）≤（2/3）*（Uo/ Ia）

式中：Zs（m）-檢測時室溫下測得的故障回路阻抗（Ω）；Uo-相電壓（V）；Ia-保證防護電器在規定時間動作的最小電流（A）。

如果實測值大于按上式求得的故障回路阻抗值Zs（m），則需在該設備所在場所內做局部等電位聯結或輔助等電位聯結來降低接觸電壓，使受電擊人免于電擊致死。

4 采用等電位聯結的案例分析

在建筑物內采用TN-C-S系統供電，建筑物地下室設有與大地絕緣的防水層。PEN線進戶后即分為PE線和N線，并打入人工接地極將PE線重復接地，變電所系統接地RA和建筑物重復接地RB的阻值分別為4Ω和10Ω。各段線路的阻值如圖1所示，為簡化分析可忽略工頻條件下的回路導體電抗。

若建筑物內電氣設備發生接地故障，此時設備外殼的預期接觸電壓U11為：

由分析可知，預期接觸電壓達到90.9V，顯然不符合設計要求。若在該建筑物不作重復接地而改為總等電位聯接（如圖2所示）。

則作總等電位聯接后設備A處發生接地故障時的預期接觸電壓U12值為：

經分析可知，在作等電位聯結后可顯著降低預期接觸電壓，并能滿足設計要求，大大降低了接地故障的電擊危險，保護了人身安全。

5 防諧波電流過載的導體截面的選擇

如果電氣回路中除50Hz的基波負載電流外，還附加有其他過大含量的高次諧波電流，則回路會因此而過載。在三相電流平衡但有三次諧波電流的情況下，相線因諧波電流的存在而增加發熱，中性線則因三次諧波電流的疊加而發熱加劇，為此當三次諧波電流含量超過一定百分數時，需考慮一載流量降低系數來增大回路截面，其值如下表所示。

電纜或穿管導線三相四線回路存在

三次諧波電流時的降低系數

6 “斷零”大量燒壞單相設備事故的防范

“斷零”是三相四線回路的中性線斷線引起的。由于“斷零”后負載側中性點電壓飄移，導致相電壓飄移，造成單相設備電壓過高或過低燒壞單相設備。

為防止“斷零”事故的發生，首先在設計中要按IEC標準進行設計，合理選用中性線截面，避免過細的中性線以致降低了中性線的機械強度；再次，在施工中要注意采取措施減少中性線隨的應力；最后，要注意在設計中不能錯誤地濫用四極開關，中性線上增加開關觸頭易招致中性線的“斷零”事故發生。

7 四極開關的應用

7.1 TN-C-S和TN-S系統內不需為電氣維修安全裝用四級開關。

7.2 TT系統內應為電氣維修安全裝用四極開關。

7.3 IT系統需視具體情況為電氣維修安全裝用四極開關。

7.4 配電變電所內總開關和母聯開關不需裝用四極開關。

7.5 兩電源同在一處共用一低壓配電盤，末端電源轉換開關應采用四極開關。

7.6 兩電源不在一處，不共用低壓配電盤，末端電源轉換開關可采用三極開關。

7.7 TN系統或TT系統電網電源與引出中性線的IT系統自備發電機電源進行電源轉換時應裝用四極開關。

7.8 TN系統或TT系統電網電源與不引出中性線的IT系統自備發電機電源進行電源轉換時可采用三極開關。

7.9 TN系統電源或TT系統電源與配出中性線的IT系統自備柴油發電機電源進行電源轉換時應采用四極開關。

8 TN系統中采用過電流防護電器或RCD防電擊

當TN系統內發生故障點焊“死”的接地故障時，電擊危險很大，但這時故障電流也很大，可用熔斷器、斷路器等防過電流的開關電器來切斷電源。

與過電流防護電器相比，RCD對接地故障引起的電擊事故的防范具有很高的動作靈敏度，但在TN系統有PEN線的回路內RCD將不能動作，這時只能裝用過電流防護電器來防電擊。如需裝用RCD，必須采用TN-C-S、TN-S系統。

9 高壓側接地故障引起的暫時過電壓在TN系統內應采取的防范措施

9.1 當10KV電網為不接地系統時，低壓系統內無須采取措施防范此種幅值不大的暫時過電壓的危害。

9.2 當10KV電網為經小電阻接地系統，且變電所和低壓用戶不在同一建筑物內時，最有效的防暫時過電壓危害措施是在變電所分設兩個接地，否則應采取下列措施：

9.2.1 TN系統低壓用戶建筑物內應實施總等電位聯結，其戶外部分宜按具體情況采用局部TT系統，以防人身電擊事故。

9.2.2 TT系統低壓用戶應注意降低10KV變電所接地電阻Rb，10KV電網應限制接地故障電流Id，使Id和Rb的乘積小于1200V，以防低壓裝置內絕緣擊穿事故。

9.3 當10KV電網為經小電阻接地系統，且變電所和低壓用戶在同一建筑物內時，由于具有總等電位聯結的作用，無須采取措施防范電氣裝置內這一工頻暫時對地過電壓的危害。

10 瞬態沖擊過電壓的防范

建筑物電氣裝置內的瞬態沖擊過電壓或涌壓主要由大氣中的雷電產生，也可因大功率電氣設備的投切而產生。后者即所謂的操作過電壓，其幅值和波形陡度雖不大，但可危害近旁的敏感設備。在電氣裝置內設防雷電的電涌保護電器后一般也可對這種過電壓起防范作用，但不能完全杜絕其危害。前者泄放時的能量和過電壓幅值、波形陡度都較大，持續時間極短，以微秒計。常會造成設備絕緣損壞，供電中斷，甚至引發火災、電擊等事故，對絕緣強度低的敏感信息技術設備危害和干擾尤大，是防范的重點。

在建筑物電氣裝置內防范瞬態沖擊過電壓的危害有兩個主要措施：一是防止在設備線路上這種危險過電壓的產生；二是在產生這種過電壓的瞬間消除或減少其有害效應。前者是指在電氣裝置中用分流、等電位聯結、屏蔽、接地以及正確布置線路等方法來避免或減少有害過電壓的產生；后者是指在電源線路上安裝電涌防護器，在線路上出現這種過電壓的瞬間泄放雷電電涌能量和降低過電壓幅度。這兩種措施相輔相成，不可偏廢。

在TN-C-S系統和TN-S系統供電這兩種情況下，由于PE線和中性線被就地短接，只需在相線和PE線間安裝第一級3個SPD。如果建筑物裝設有防雷裝置，則此級SPD的沖擊電流Iimp應不小于12.5kA。如只考慮由電源線路導入的雷電沖擊電壓，則其額定放電電流In應不小于5 kA。我國防雷標準對TN系統內的SPD取Uc≥1.15Uo。

作者簡介：秦國棟（1980，5-），男，內蒙古烏蘭察布市人，2003年7月畢業于內蒙古工業大學信息工程學院自動化專業本科， 2010年于內蒙古工業大學控制理論與控制工程專業工程碩士畢業。中級職稱，工程師。現在中國神華神東煤炭集團神東工程設計有限公司電氣室主要從事工業與民用供配電設計工作，科員。