为什么火线有电压而零线没有电压？专业讲解来了！

图1：零电位参考点和交流电路的系统接地

图1的A图，是直流电路，我们看到电源E以及电阻R1和R2，当然还有连接导线。在电源E的正极与电阻R1之间的节点标注了A。此外，还有节点B和电池负极所在的节点C。注意：电池负极绘制了参考地的符号，意思就是节点C的电位是零。如此一来，节点A和节点B的电位就能够推算出来。

如果没有参考地，我们根本无法确定各个节点的电位。又因为确定和计算节点电压所遵循的是基尔霍夫电压定律KVL，所以基尔霍夫电压定律KVL的基本要求就是必须指定参考地。

这就是图1的A图中绘制了参考地的原因。

需要特别注意的是：

①图1的A图参考地是人为确定的；

②图1的A图参考地电位为零，与参考地相接的线路电压等于零，但电流不等于零。可见，节点电压和参考地不符合欧姆定律；

③参考地与大地之间是悬浮的，参考地对大地之间的电位并不一定会等同。

图1的B图是交流电路，我们看到交流电源E的下端绘制了接大地的符号，我们把它叫做系统接地，或者叫做工作接地。

系统接地的作用是：1）用于构建交流电路的零电位参考点；2）用于把交流电路零电位点保持为大地的零电位。

需要强调的是：系统接地的接地极与大地是直接连接的，所以系统接地处的电位就是大地的零电位。

第二个概念：保护接地

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图2的A图中，我们看到负载（R2）的金属外壳直接接大地，而图2的B图中负载金属外壳与引自电源接地极的导线相接而实现接大地。用电设备的金属外壳接大地后，即便发生了漏电（金属外壳与火线相接），用电设备的金属外壳电位也不会抬升过多，而线路保护设备会在很短时间内实施切断故障电路的操作，以确保人身安全。

我们把交流电路中用电设备的金属外壳接大地叫做保护接地。如前所述，保护接地的用途就是确保用电人身安全，防止发生电气火灾。

图2：保护接地的两种形式

对于图2的A图，如果R2的外壳与B点的电源线相接，则它相当于电源对地短路。又因为电流要经过大地返回电源，因为地网的电阻较大，所以接地电流较小。

对于图2的B图，如果R2的外壳与B点的电源线相接，则它相当于把负载电阻R2短接。因为导线存在电阻，但导线电阻很小，因此负载电阻R2的外壳上的电位不会上升太多，基本上在零电位附近。

我们把图2的A图对应的形式叫做小电流接地系统，把图2的B图对应的形式叫做大电流接地系统。

第三个概念：国际电工委员会标准IEC60364定义的TN-C接地系统

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我们看图3：

图3：IEC60364定义的TN-C接地系统

我们仔细看图3，它与本问题的主题直接相关。

首先明确：电力变压器低压侧绕组中性线直接接地用T表示，T就是系统接地或者工作接地；用电设备的外壳与来自电源的地线（PE线）或者保护中性线线（PEN线）相接用N表示，合在一起就是TN。至于TN-C，它表示来自电源的地线同时又是中性线，符号是PEN，也即零线。

图3中，我们在左侧看到了电力变压器的三相低压侧绕组，它们输出的三条相线就是三相火线，标记为L1、L2、L3。三相绕组的中性线直接接地，其目的是为系统构建零电位参考点，我们已经知道此类接地叫做系统接地或者工作接地。从工作接地处引出一条线，它的标记为PEN，名称是保护中性线，俗称就是零线。

图3中的用电设备处，用电设备的外壳与零线相接，我们把这种保护方法叫做保护接零。

图3就是IEC国际电工委员会IEC60364标准定义的TN-C接地系统。

一旦负载发生火线对外壳的碰壳事故，负载外壳的电位不会上升太多，基本上在零电位附近，但相应的火线和零线电流会大增，因此线路中的过电流保护装置会执行保护跳闸操作。

如果零线断裂，例如在两个负载中间断裂。断裂点前方的零线电位不会上升，但断裂点后部的电位因为三相不平衡的原因其电位会上升，最高会上升到相电压。又因为零线断裂点后部的用电设备外壳保护接零，所以用电设备的外壳将因此而带电。可见，TN-C接地系统中一旦发生零线断裂，断裂点后部的用电设备有可能会发生严重的人身伤害事故。

因此，国家标准和规范中规定，零线必须多点重复接地，以确保零线具有大地的零电位。

注意：正因为零线断裂后其后部的电压会上升，因此TN-C接地系统现在越来越少见了。事实上，我们不管是在家中，或者在学校，或者在办公场所，我们看到的接地系统都是TN-C-S。家里和学校的接地系统都是TN-C-S，而企业和公共场所的接地系统大多是TN-S或者TT，TN-C几乎绝迹。可见，零线是十分稀罕的。

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主题问题的解答

主题问题是：“为什么火线有电压而零线没有电压？”。我们知晓了前面所阐述的几个概念后，很容易回答这个问题。

火线之所以有电压，是因为火线是相线，且与零线完全绝缘。零线之所以没有电压，是因为零线在电力变压器处配套了系统接地，而在供电线路中零线又多处重复接地。接了地的零线电位控制在大地的零电位附近，当然零线就没有电压了。

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居家配电的TN-C-S接地系统

那么我们家里的配电系统是什么样的？我们看下图：

图4：居家配电系统的外部电路

我们从图4中看到，左侧是电力变压器，它引出了三条火线L1、L2和L3。电力变压器的中性点工作接地，然后以PEN保护中性线的形式引出，它就是零线。在我们的家门口电度表箱处，零线重复接地，之后分开为中性线N和地线PE，并随同从电度表引出的L3相线L一同入户。

注意：居家配电的入户线有3条，分别是相线L、中性线N和地线PE。这里已经没有零线的任何影子。

我们再看户内的情况，见图5：

图5：居家配电的户内接线

图5中，在电冰箱的上方，就是入户线，以及户内配电箱的主开关QF1，注意到主开关是2极的。从主开关引出的就是系统母线，所有配电开关都接在母线上，也因此，所有的负荷电压都相同。

从电力变压器开始，我们看到了系统接地（工作接地），当然还有零线PEN，并且入户前我们看到了零线重复接地，以及之后的相线L、中性线N和地线PE，故知居家配电的接地系统是TN-C-S。

图4和图5也适用于学校和一般的企事业供配电场所。

再次提醒：不要把中性线理解为零线。零线具有保护功能，它绝对不能断开，也不得进任何开关。中性线不具有保护功能，它是可以断开的，中性线可以进开关。我们从图5中明确地看到这一点。

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总结

①因为零线配套了系统接地和重复接地，因此零线的电位等于大地的零电位，它相对大地的电位差也就是电压当然等于零。

②问题中提到的电压，其实指的就是电位差。

③火线相对零线有电位差，它等于相电压；相线对中性线有电位差，它也等于相电压；中性线对地线在重复接地处的电位差等于零，但在单相配电网的末端，由于中性线本身存在一定的电阻，它也流过工作电流，因此中性线中段和末段相对地线存在很小的电位差，也即中性线电压，其值一般在零点几到几个伏特，要看具体情况而定。

④只有在TN-C接地系统中，才有火线和零线。在TN-C-S的“-S”段，也即我们日常使用的配电系统中，不存在火线和零线，只有相线和中性线。其它接地系统，例如TT、TN-S都不存在火线和零线。

⑤TN-C接地系统中，当零线断裂后用电设备保护接零致使外壳带电，会产生严重的人身伤害和电气火灾，因此TN-C接地系统几乎绝迹。至于人们把相线叫火线，把中性线叫零线，严格说是错误的，由此可见习惯的误区有多深。

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知识扩展

通过前面的概念讲解，我们已经知道TN-C接地系统才有火线和零线，而我们日常所使用的TN-C-S的“-S”部分和TN-S接地系统中，只有相线和中性线，没有零线。

零线，我们已经知道它是把系统接地的中性线以保护中性线的形式引出，在用户入户处又做了重复接地，因此零线的电位非常接近大地的零电位。

注意1：不要把零线的电压与电位混淆了。

注意2：虽然零线的电压（电位）非常接近于零，但零线的电流却不等于零。所以，零线的电压（电位）不符合欧姆定律，而符合基尔霍夫电压定律。

由此可见，火线的电压与零线的电压之间不能划等号，两者不是一回事。

以下把IEC60364的TN-S接地系统和TN-C-S接地系统的定义图罗列出来，见图6和图7：

图6：TN-S接地系统

TN-S接地系统的特征是：电力变压器的中性点在系统接地后，分开为中性线N和地线PE，并且从此以后，N线与PE线不得以任何形式再次合并，N线也不得再次重复接地。

图7：TN-C-S接地系统

图7是TN-C-S接地系统。TN-C-S中电力变压器的中性点系统接地后，以零线PEN的形式引出，接地系统是TN-C。在电路的某个部位，零线PEN分开为中性线N和地线PE，其后部就是TN-C-S接地系统。

注意：我国的国家标准和规范中规定，TN-C-S的PEN线在分开前，必须再次重复接地，然后才分开。显见，这种做法比IEC60364所规定的做法很合理，也更加安全可靠。

以上这两个接地系统非常重要，它就是我们居家配电和学校配电系统的接地系统。注意其中标记为L1、L2和L3的相线，还有中性线N以及地线PE，其中中性线N不是零线。

IEC60364对应的国家标准是GB16895，其中图6和图7可参阅GB/T 16895.1-2008《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》。如果有兴趣，我们可以参阅 《建筑物电气装置国家标准汇编》（第四版），中国标准出版社出版。通过阅读新标准，把问题给彻底地弄清楚。

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