對TN系統定義的理解
王黛嵐 厲守生 胡登峰
(中國建筑科學研究院，北京市 100013)
摘 要：通過比較不同規范中TN系統定義的不同，分析系統接地和保護接地的差異，闡述整個系統的概念，提出對TN系統定義的認識和理解，并對TN系統定義的文字描述提出建議。
關鍵詞：接地型式；系統接地；保護接地：功能接地；整個系統；電源端；外露可導電部分：保護導體
中圖分類號：TU852 doi: 10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 006
TN系統，即T N接地型式的電力系統，或稱TN接地型式的配電系統。
上世紀80年代，我國低壓配電系統設計開始引用IEC標準關于電力系統接地型式的定義，90年代逐步將IEC標準引入我國有關的標準與規范。由于TN接地型式與我國原有的配電系統接地做法比較類似，成為我國建筑物內低壓配電系統最常見的接地型式，也是設計工程師最熟悉的型式。然而，因為熟悉和習慣，TN系統定義中一些細節常常不被人們注意，一些微小差異往往被人們忽視，一些概念和含義不被重視。加之，TN系統較TT、IT系統更復雜，有TN -S、TN -C和TN -C-S三類，在某些設計文件和實際工程應用中，或者在不同的標準、規范的定義條文里，出現一些值得業內商榷和探討的問題。這些問題的出現反映了業內對一些概念存在差異。這些差異的存在，若反映到工程實際應用中，不僅僅會引起接地型式做法的不一致，某些做法還可能會引起接地型式功能的喪失，導致接地故障保護無法實施，甚至危及人身和財產的安全。
1 TN系統定義的差異
目前，不同規范對TN系統的定義有一些差異，在此作比較。
定義一：電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護中性導體或保護導體連接到此接地點。
定義二：系統有一點直接接地，裝置的外露導電部分用保護線與該點連接。
“電源端”還是“系統”，這兩個詞表示不同的概念。前者表示電源設備的一個點，如低壓配電變壓器的低壓繞組端、發電機的出線端等等；后者則是包括從電源設備、導體，到用電設備的整個組成部分，是一個很大的范圍，實際應用中應是前者。
“外露可導電部分”還是“外露導電部分”？后者容易被誤認為是帶電導體， “外露可導電部分”是非帶電導體，只有當發生接地故障時，這些部分才可能帶電。因此，應用“外露可導電部分”或“外露可導電體”更為合理。
“保護中性導體或保護導體”還是“保護線”？定義中這句話是說明外露可導電部分通過什么導體與系統接地點連接。按功能該線是保護線或保護導體，不包括中性線的功能。顯然“保護導體”既表示獨立的“保護導體”也包括具有保護功能的“保護中性導體”。
“保護線”還是“保護導體”？“保護線”局限于導體的一種類型，具有局限性， “保護導體”更具有廣泛的含義。
“連接到此接地點”還是“與該點連接”？這兩種說法作為實施結果應是一致的，但從文字結構上看，前者強調“連接”動作，后者強調“連接”的結果狀態。標準中是給TN系統作定義，是要明確“外露可導電部分”接地的結果形式與狀態，因此用后者較合適，在文字上也更精煉。
以上所涉及的文字差異，一些可能是由于翻譯IEC標準引起的，一些可能是認識差異引起的。我們希望規范在上述定義上盡量一致，以避免在應用中產生不必要的爭辯。
2 TN系統中兩個接地概念不能混淆
在理解、研討配電系統接地型式時，兩個接地概念應分清，不能混淆，在TN系統定義里也不例外。
兩個接地，一個是“系統接地”，另一個是“保護接地”。這是兩個完全不同的概念．不同性質，不同內容，不同功能的接地，應分清楚。
“系統接地”是電力系統內電源端帶電導體的接地，就低壓系統而言是變壓器、發電機等中性點接地。
“保護接地”或“設備接地”是非帶電導體的接地，是帶電導體以外接近帶電導體的非帶電外露導體的接地。這些導體，系統正常運行時不帶電，沒有傳輸電能的功能。如變壓器、發電機、配電柜、動力箱、電動機等的金屬外殼，電力電纜的金屬護套、金屬鎧裝、金屬套管、金屬橋架、金屬線槽等等。這些非帶電導體的接地是一種與上述系統接地完全不同的接地，應分清。電力系統的接地型式是這兩種接地的相互連接的關系，不要將這兩種接地概念混淆起來。
表1列出了兩種接地在性質上，接地目的上的差異。
兩種接地除在形式、性質上不同外，在接地功能、接地目的上也不相同，系統接地目的是：
a． 為電力系統建立可靠的電位參考點，減小中性點電位偏移，限制帶電導體間的電位差在一個適當的范圍之內。
b．在系統發生接地故障時，產生較大的故障電流，便于通過故障電流啟動過電流保護裝置，自動切斷故障設備或線路，隔離故障點。
c．由于系統接地，可避免產生由于不接地系統存在的電容電流產生的過電壓，在一般情況下，不接地系統產生的過電壓為接地系統過電壓的1. 73倍，系統接地可限制更大的過電壓。
保護接地的目的與系統接地不同，它是基于下列目的：
a．減小外露可導電部分的接觸電壓，防止產生危及人身或動物的間接電擊。設備外露金屬接地，將設備外露金屬與地間的電位差保持在相對低的水平，避免人身處于一個危及人身安全的電擊電位之中。
b．為接地故障電流提供安全的電氣通路，避免由于故障電流經過產生過熱或火花而引起火災或爆炸危險。
c．與系統接地型式協調、配合，設置滿足系統防電擊、過電壓保護要求的保護裝置，改善系統保護功能，提高運行性能。
配電系統的接地型式實際上是解決兩種接地的相互關系，是相互連接還是不連接。TN系統里，兩種接地應連接在一起．TN -S、TN -C、TN -C-S只是兩種接地之間的三種不同的連接方法，采用的連接導體存在差別。TT系統，系統接地與保護接地不連接或不直接連接。
3 “整個系統”的范圍應清晰
無論是IEC標準，還是國家標準、規范，行業標準、規范，在定義TN -S和TN -C系統時，都明確“整個系統”的中性導體和保護體是分開的或合一的。實際上，對TN-C-S系統也應是“整個系統”，只不過規范定義中只規定系統中的一部分中性導體和保護導體是合一的， “整個系統”的另一部分未寫出來，隱含系統的另一部分中性導體和保護導體是分開的。因此，學習、理解接地型式的定義，充分理解“整個系統”的含義，分清各個系統中， “整個系統”的范圍和界限是十分必需的。
“整個系統”，簡言之是一個完整的電力系統，一整個完整的電路。是從電源開始，經傳輸導體直到用電設備的所有導體相互連接起來的電路的總和。在這里，任何一個瞬間，其物理量均滿足相同參數的電路定律。當然電路參數在不同時間是不一樣的，它將隨電路結構的改變而變化。
一臺配電變壓器供電的低壓配電系統是一個系統。該“整個系統”應包括變壓器低壓繞組、低壓配電設備、連接導體以及所有的用電設備組成的主電路。而不應包括經控制變壓器、隔離變壓器、電流互感器、整流變壓器等變換后的二次電路。這些二次電路組成各自獨立的新系統。
二臺或多臺變壓器并聯運行，則并聯運行的低壓配電系統組成一個系統。
當二臺變壓器采用單母線分段接線的低壓配電系統時，分段運行，每臺變壓器、各自母線、導體、配電設備及其用電負荷各自組成一個系統，共組成二個“整個系統”。當一臺變壓器發生故障，脫離在線，由另一臺正常變壓器通過母聯斷路器向故障母線段負荷供電時，低壓配電系統只組成一個“整個系統”，這時， “整個系統”是由一臺變壓器及所有由該配電變壓器供電的配電線路和負荷組成，兩個系統成了一個系統。
“整個系統”是隨著電路間的導體連接狀況而變化的。
總之， “整個系統”應是一個完整的電力電路概念。它是隨電路結構和導體連接實際狀況而變化的；其電路參數、運行物理量、保護功能也隨著電路的改變而改變。TN -S、TN -C、TN -C-S的“整個系統”的范圍界限也隨著改變，是動態的，因為電路的保護功能是動態的，隨著導體組成的實際電路改變而變化，其性能隨導體組成的實際電路參數而改變。電氣工程師在設計配電系統選擇接地型式時，采取的保護措施不應忘記“整個系統”的范圍與界限，使系統設計、保護功能、接地型式適應電路結構可能存在的變化。
4 TN-S、TN -C、TN-C-S的比較
TN -S、TN -C、TN -C-S是IEC標準和國家、行業標準認可的TN系統的三類接地型式，在這些標準里同時也提出了保證各系統安全的措施。應該講，按規范要求設計，都能形成保證人身安全的電力系統，避免發生危及人身安全的危險。不應簡單地認為哪個系統比哪個系統更安全。如果不能按照規范要求，特別是安全性要求建立TN系統，三類TN系統都有可能產生危及人身安全的危險。
系統的安全不是簡單地由接地型式確定，而是由接地型式和與之相配合的保護裝置功能的完善性共同確定的。
表2列出了TN系統三類接地型式的比較，可以看出，三類接地型式性能差異不大。在發生接地故障情況時，性能是基本相同的。由于故障電流是通過保護線返回電源，在TN -S系統，故障電流返回導體為PE線；在TN -C系統則為PEN線：在TN -C-S系統，部分是PE線，部分是PEN線，或者只是PEN線，由電路結構和故障點位置而定。在一般情況下，大多數PE線截面小于N線截面或為N線的一半，所以有表中的結果。但都滿足保護功能的需求，只不過TN -C故障電流偏大，較容易滿足保護裝置動作電流值的要求，或提高了保護裝置動作的可靠性，從這個觀點上看，TN -C系統優于TN -S系統。
在正常運行情況下，在TN -C和TN -C-S系統中，系統的中性線電流流過PEN線，由于PEN線存在阻抗，中性線電流在PEN線上產生電壓降，產生對中性點的電位差，雖然這個電位差不大，但也會反映在與PEN線連接的外露可導電部分上。這個電位大小正比于中性線電流和PEN線路阻抗的乘積。在一般場所，該電位差不會產生危險。但在對電位差、電火花敏感的場所，應絕對避免，在爆炸危險的場所應禁止，因為這個電位差可能產生火花而危及安全。另外，當PEN線上的中性線電流影響到電子信息系統或設備運行特性時，也應禁止采用。
TN -C和TN -C -S系統使用的目的在于可以節省PE線，節省金屬資源，也節省投資。當使用TN系統時，將任一個相互連接的外露可導電部分與保護導體連接時，應采用一點連接，特別是TN -C和TN -C-S系統里，同一個外露可導電部分應避免二點以上與PEN導體連接，防止外露可導電部分在正常運行情況下流過中性線電流，產生發熱而引起其它間接故障或危害。
5建議
導體型式、接地型式是電力系統的基本特性，對于這些基本內容除了有明確定義外，
國內的各種標準、規范應保持一致。
筆者建議TN系統定義的文字部分是否可以為：
TN系統：電源處有一點直接接地，裝置的外露可導電體通過保護導體與接地點連接。根據中性導體和保護導體的配置可分為如下三類：
a．TN -S系統：整個系統的中性導體和保護導體是分開的：
b．TN -C-S系統：系統中一部分中性導體和保護導體是共用的：
c．TN -C系統：整個系統的中性導體和保護導體是共用的。
