话说“地线”与“接地”
电力系统中，涉及以下三项危险：
- 雷电袭击。
- 人体触电。
- 设备故障及安全事故。
其中，雷击到哪就危害到哪，还不仅仅是电力系统。面对这些危害，人类在实践中发明了许多电气安全措施和设备，但最原始的“接地”，仍旧是最基本的措施，“地线”，仍旧是系统中最重要的配置！
- 什么是地线？——地线是与大地进行电气连接的导体或导线。建筑设施、电力系统、电气设备等一般都有包括地线在内的接地系统。
- 接地的作用？——主要包括：防雷、安全保护、电磁屏蔽、充当回路导体等。
- 工作原理？——通过与大地的电气连接，将多余电荷和危险电流导入大地，并使目标点尽量与大地保持同电位。
本文分7个部分来介绍相关内容。
1、地线长啥样？
许多地方都可以找到地线，你甚至可以看到它们确实是连接到大地的。
电线杆边上可以看到“接地线”，是40*4毫米的镀锌钢条。往上连接金属电线杆本身，往下通到土壤里。这个地线的作用主要是防雷。
配电房或配电箱里，很容易找到“地线排”，地线都标记为黄绿相间的颜色。它们的一端固定在这块金属条上，实现电气连接，另一端则通往各个电气设备，给设备的金属构件部分提供接地。
洗衣机、空调等 家电上，都安装有地线，连接着金属构件和金属外壳。
相应地，这些电器的插头，都是3个电极配置，中间的那个极就是地线。图中的插头中，还安装了一个保险丝，这在国内不太多见。
2、地线作用之一：防雷
接地的一个重要作用就是防雷。一些建筑设施矗立在地面上，明显高出周边地形，容易最先接触到大气中富含电荷的云团。当这些电荷团靠近建筑顶时，会在建筑上感应出异种电荷，靠近到一定程度时，强电场击穿空气，强电流瞬间倾泻而下，灌入大地，建筑往往被破坏。
如果能让电荷通过指定的金属通道、提早泄放到大地，就能避免建筑遭受雷击。这就是避雷系统。现代建筑都有十分可靠的避雷系统。一个防雷系统由以下五个部分组成：接闪器（避雷针）、引下线导体、接地连接（电极）、搭接（与建筑中的金属部件）和避雷器。接地导体是避雷系统中的重要一环。
重点区域要重点防护，上图是美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的航天发射场。空旷的场地上，矗立着4个铁塔，作用就是避雷。细看的话，4个塔顶还有电线相连，组成一个方框形的地线环，往四周则是斜拉到地面。这就让人纳闷了：火箭上升时会不会撞到这些线啊？
发射场的做法符合防雷系统的普遍原理。如上图，一个避雷塔仅能接收一定范围内的电荷，4个塔间距较大的话，中间区域无法有效覆盖。
高压输电系统也要防雷。铁塔本身是导电体，直接接地。仔细看最上面的2根电线，要细一些，它们就是接地的地线，地线就是这样顶天立地、傲视苍穹。
有人拍到上海东方明珠塔接闪瞬间的照片。防雷系统需要大截面的导体和大面积接地系统，来引下和消散雷击产生的高电流，不能因过热而损坏接地导体。雷击中还有非常高频成分的能量脉冲，要求接地系统尽量使用短直的导体来减少自感和趋肤效应。
3、地线作用之二：安全保护
安全保护功能主要发挥在电力系统中，包括2个方面：人身安全（包括动物）和设备安全。
电力系统对人的危害主要是高电压。对电气设备的危害主要是过电流。保护功能的良好实现，也不仅仅靠地线，还要靠能及时切断电路的“空气开关”（以前都用老式的保险丝），以及能检测微小漏电流的“漏电保护器”（RCD），它们组合起来，起到安全保护的作用。
先讲高电压的危险。电死一个人只需要几十伏电压、几十毫安电流。我国的安全电压为36V，220V对生命来是十分危险的电压。有一次我不小心摸到了220V的裸导线，手一阵剧烈震抖，本能地弹开了。幸亏是弹开，保住了小命。即使这样，半晌也回不过神来，整条手臂和心脏处慌得厉害。
低于36V的电压，虽说电不死人，但在潮湿的皮肤上也能产生麻电的感觉。有一次，我用小变压器输出的15V交流电，接到嘴唇上试了一下，那种电刺的感觉，绝对不想再试。
人体是导体，不同部位之间电阻不同。下图列出了人体各部位之间的参考电阻。
人体内部血管遍布，肌肉血液等身体组织内饱含水分和电解质，因此人体算是良好的导体。
比如，两耳之间的仅100欧姆，手和脚间电阻为500欧姆，干燥皮肤电阻在100K－600K，而在洗澡或出汗的情况下，电阻降低到1000欧姆。这样小的电阻，在110V甚至220V电压下，通过的电流足以致死。
而电力系统向工厂、单位、居民住宅提供强大的电力，功率高达MW、GW（兆瓦、吉瓦），电压极高、电流极大。下图是从发电厂到用户的电力传输示意图。
可见各个环节电压都是相当高的，中间的输电线路电压为400KV，目前最高可做到500－800千伏。即使末级变压器的输出电压，也有240V（我国为220V），这就是进入千家万户的电压。
电压是如何导致人体触电的？一般而言，人体总是“脚踏实地”的，双脚就是“地电位”，而地电位往往是电力系统的零电位。当人体接触了较高的电压时，从接触点到脚，形成了一个电流通路，造成触电危害。如下图B。
- 图A，电器正常工作。
- 图B，电器发生绝缘故障，人体接触到高电压，电流窜入人体经双脚入地，导致触电。
- 图C，电器发生绝缘故障，高电压接触外壳就相当于接地短路，短路电流很大，瞬间就能烧毁保险丝，从而切断整个设备的供电，保护了设备。即使在保险丝未断开时人体接触外壳，因为外壳接地、电位与大地相同，人体手脚之间没有电压，也不会造成触电。
从上述分析可见：“接地+保险丝”就能有效保护人身安全和设备安全了。但这里其实是有前提的，即绝缘故障必须在电压线与地之间产生短路电流，才能烧断保险丝。
如果故障是绝缘不良导致故障电流不是很大、或者入地电流经过大地返回电源的途径阻抗太大而无法形成足够大的短路电流，那么保险丝无法熔断，故障持续，危害不能消除。
不过不用担心，现在的入户配电中已经不用保险丝，而是用“空气开关”+“漏电保护器”，上述问题得到有效解决。下面解释一下它们的工作原理。下图是一个空气开关的内部结构。
空气开关的作用是过流保护，即“放过正常电流，切断异常电流”。这与保险丝作用相同，但它比保险丝“聪明”多了。
它们外形及内部结构都差不多，但有多种额定电流值可选，如10A、20A、32A等。根据电路需求选择，过大、过小都不好。
空气开关只能保护电气设备，不能保护人身安全。当短路或过流后，开关自动断开。一个10A的空气开关，并非说一到10A电流就断开。
触发空气开关动作的条件是“电流+时间”的组合，利用内部“热脱扣+电磁脱扣”两个机制来实现。瞬间电流超大的，可以立即脱扣，使用电磁脱扣原理。小倍量（比如3-5倍）的电流，不会触发电磁脱扣，而是利用双金属片积累足够热量后才会脱扣，因此会放过是设备启动时的冲击电流。
再讲“漏电保护器”（RCD），作用是漏电脱扣。所谓漏电，就是电源回路的2根线（相线+零线）上的电流，来回不相等，就是“漏掉了”，而正常工作时一来一回应该是相等的。那么漏到哪里了呢？——从地线走了。
下图是RCD的工作示意图，绿色框内就是漏保。相线（黑色实线）上流过10A电流，但零线回来时（黑色虚线）只有9.996A，另有4毫安电流，通过人体（红色虚线）流入大地后再返回电源处。这时，RCA检测到了漏电，在极短的时间（整个过程约几十毫秒）切断电源，挽救了触电者。
市售的漏电保护器如下图：
它实际上由左右两部分组成，左边是2片空气开关组合，右半部分才是漏电检测保护。左右两半是联动的，即漏电发生时，电路检测到不平衡电流，推动一个很小的电磁铁，作动在一个连杆上，导致左边2个空气开关跟着断开。而空气开关本身的过流保护功能仍旧是能正常发挥的。
漏保内部长这样：
漏保也算是“机电一体化”产品。2根粗线（红+黄）是相线L和零线N，它们一起穿过电流互感器，互感器是一个多匝线圈，电流平衡时无输出，不平衡时输出一个微小的感应电压，经电路放大后，驱动电磁线圈动作，将左半部分的2个空气开关同时脱扣。
所以，漏电不走零线，是漏保正常工作的必要条件。假如触电的时候，是左手摸相线、右手摸零线，那漏保是不会动作的。相当于人体是作为一个用电器并联到电路中了。
4、地线其他作用
地线还有电磁屏蔽、充当导体的作用，不是本文重点，这里略述一下充当导体作用：
大地是导体，所以有时可当成一根长距离的导线。主要用于电流较小的通信线路。下图是俄美电报线路的一部分，照片拍摄于1866年。只能看到1根架空线，另一根电流回线就是使用大地。
记得小时候农村有线广播，也是使用大地作为回路导线的。如果地线松了，广播就变轻了，这时重新把电线插土壤、再浇点水，就又正常了。
5、怎样做接地？
自己造房子，最好也要做避雷系统。其中的地线很麻烦。我家老房子是砖混结构，没安装什么避雷针，曾被雷打到过，屋顶一处被打坏了，后来修好了。但是雷电从混凝土里的钢筋梁柱中走过，巨大的发热量导致钢筋膨胀，大梁上的混凝土胀出了裂缝。这会导致内部钢筋生锈降，从而降低结构强度，让人很是担心。还好后来这个房子拆迁了。
不仅电气设备要接地，建筑内的大型金属构件都要接地，它们是通过钢筋网来接地的。
专门有厂家生产各类接地设施，用得最多的就是铜，导电良好。做成铜棒，打入到土壤里，或开挖后埋入铜板或铜网，效果更好。埋设处土壤不够湿的话，还要浇水，或用专门的化学药剂。铝比铜便宜，但导电要差一点，也容易被氧化腐蚀。特别不能用“铜+铝”的组合，因为接头处会有“原电池反应”，铝容易腐蚀。
现代建筑的地下基础结构中的钢筋网，它们埋设在较深的地下，可以直接充当接地导体。为使用整幢大楼的钢筋实现电气连接，工人会把基础、梁、柱等钢筋的相连处焊接起来，焊接还可以增加结构强度。
在大多数情况下，防雷系统和电气系统的接地是相结合的。全球最受推荐和使用的标准是 IEC 60364-1 和 60364-4-41。
6、低压电网基础知识
第七部分要讲低压电力系统的5种接地系统配置。因此先介绍低压电网。
下图是欧洲典型的电网示意图。包括了各类电厂、新能源电站、传输系统、变电站及终端的低压电网。
欧洲还是比较重视太阳能、风能等新能源的。
低压电网，多配置3相4线。在中国，几乎没看到过1相2线的中/低压变压器，可能是我孤陋寡闻了。3相交流电，当年主要是为了驱动感应电机而发明的，因为它能产生旋转电磁场。各相之间均相差120度，如下图所示。
一般家庭配电用的是单相，使用三相中的其中某一相。入户是3根线，分别是相线L、零线N和地线PE。下图是三相变压器的示意图，从线圈的匝数来判断，从左到右是升压，反过来是降压。
真实的变压器长相如下图，左图是15KW-75KW的小型立式变压器，多见于日本和美国。他们使用较低的电压110V，输出同样功率需要更大电流，也就是要配置更粗的导线，所以变压器功率做得小，安装时离用户尽量近，一个变压器接10多个用户。右图这种变压器功率就比较大了，最大可以做到1000KW，一个小区上百套住宅，配上2-3个变压器就够了。
三相变压器有3组电磁线圈，初级和次组成都有3组。3组线圈就有6个接线端，连接时有两种接法：星形（Y）和三角形（ \Delta ），如下图。
星形接法是把三相线的一端连接起来，形成“中点”，中点接出来的线是中性线N，作为零电压的参考点，同时也接地。下图是三相电源接4个负载后的电路示意图。
先看上图的电源部分，三相线分别是R、Y、B（标记为红、黄、蓝色），中性线为N（黑色），中点接地。3个单相负载分别挂接在R、Y、B相上，图中的箭头可理解为参考电流方向。最右边的负载是3相平衡负载，所以不接中性线。
相线之间的电压称为线电压，图中线电压为400V，相线与中性线之间的电压称为相电压，上图为230V。这是欧洲的标准，中国标准为380V和220V。
三相电源的一个神奇之处为：当三相负载是平衡时（如三相电机），中性线上是没有电流的。
所以人们在小区电力配置时，各户的单相负载是分别、均衡地接在各相上的，尽量保持平衡。
大致了解上述基础知识后，下面可以来理解5种电力系统接地制式（方案）了。
7、电力系统接地配置5种方案介绍
一个电力系统，从中/低压变压器到用户，常用三相四线，即3根相线+1根中性线。
目前许多住宅用户还是单相供电，所以为了理解方便，下面的示意图均作了简化，只画出1根相线，用L表示，中性线用N表示。
对电力系统进行接地配置时，有多种方案，先看下图所示的第1种接地配置法：TT接地系统。
（1）TT系统
之所以先介绍TT系统，是因为单体住宅使用的就是这种配置。如果你在荒郊野外要建造一套房子，基本上只能采用这种系统。
这种接地系统名称为“TT”，用2个字母表示，第1个字母表示左侧电源端的接地配置，第2个字母表示右边用户端的接地配置。字母“T”表示接地（法语接地的首字母）。因此，TT系统，就是电源和用户两端分别接地的系统。如果电源（变压器）与用户之间的距离较远，那么2个接地之间的电阻是比较大的。
用户端的配置一般如下图所示：
供电公司一般负责电表之前的电路，之后要用户自己配置。接地装置要自己做，考究一点的，金属水管、燃气管都要接地。
下面来看TT系统对分3种潜在危险的保护能力：
- 雷电：两边都接地，可消除雷击危险。
- 绝缘故障：用户设施相线接地，电流通过大地返回电源，因电阻较大，可能无法形成短路电流，保险丝无法熔断，绝缘故障无法自动排除，存在设备安全隐患。
- 人体触电：漏电电流较小，可以通过接地返回电源，从而导致RCD动作，起到保护作用。
TT系统需要用户自备接地装置，能否直接利用电源端的接地线？——那就是下面要介绍的TN系统。
（2）TN-C 系统
TN系统，即“源端接地、用户端接零线N”之意。用户端不设接地装置，直接使用电源端的中性线当接地线，那么这个中性线就要“身兼两职”，所以名称改为“PEN”，即PE+N，PE表示“安全接地线”。
TN系统有三个子变种，第一个是:TN-C系统，“C”是指组合的意思，就是PE线与N线组合。
好处是用户端可以不用额外做接地装置，而是直接利用N当作接地线。坏处是万一PEN线开路，那么用户端就没有地线了，存在雷击、触电等危险，没了N线，漏保也无法工作的。
这种配置在70年代后就逐渐被淘汰了，现在许多标准中是不允许的这种配置的。我国早期农村里就是这种配置，不做接地，电力部门入门时就2根线。不过当时每家就几个电灯，操作开关是拉线开关，没电源插座，没家用电器，所以用电还是安全的。"楼上楼下，电灯电话”还是比较遥远的共产主义，手电筒是唯一的家用电器。
TN-C系统没有专门的地线，产生了许多问题。能否从电源那里拉一根地线过来？——可以，那就是TN-S系统。
(3) TN_S 系统
S是指“独立、分离”的意思，即独立地从电源端拉一根地线到用户端。如下图所示：
现在用户端有了专门的地线，PE与N各司其职。设备上多余的电荷（如雷电感应、窜入）可以通过PE线入地；外壳地电位，人体不会触电；绝缘故障时，故障短路电流通过PE线回流电源，保险丝可以熔断保护电路，OK，完美！
下图是用户端配置示意图，可见电力公司入户时已经带进了专门的PE线。
对用户来说是完美，但电力公司不满意。这不要多加一根PE线到千家万户吗？这根线还不能细，要走避雷电流和短路电流的，还要可靠，涉及用户生命安全。
于是，又产生了一个“混血系统”：TN-C-S。
(4) TN-C-S 系统
基本上一看就懂。电源端（左半部分）配置成TN-C系统，PEN线身居两职。用户端配置为TN-S 系统，PE和N分离。
问题是PE和N在哪里分离？——在住宅楼入户的配电箱处。电力公司省去了从变压器到用户住宅之间的PE线，用户也有了安全可靠的地线。
现在来看最危险的“中性线断开”故障，如果断在用户侧，地线还是通的。如果断在电源侧，完了，用户端的PE线找不到地了，借用N也不通！——解决办法是PEN线“多点接点”，半路上看看合适的，就做个接地装置。不过一般都是做在入户处，即大楼的总配电箱处，也就是分离点处，进行接地。
目前多数小区就是采用这种配置。大楼里的配电，全部是3相5线。单相电的，就是3线：L+N+PE。
用户端的配置与TN-S是一样的，它们之间的差别在电源端。
只不过这个地线不是从电源端千里迢迢地拉过来，而是自己大楼自做的接地装置。不过不用担心，造大楼时施工方已经做好了的，交给物业维护，用户只需拎包入住。
(5) IT 系统
最后一个是IT系统，“I”表示电源端不做电线，“T”表示用户端自己做接地。看来电力公司懒到家了。
其实不然，IT配置不会出现在普通住宅。IT系统适合小规模电力网络，如变电站和独立的发电机供电系统，还有一些小型供电系统，比如医院里的小型高可靠电源。对这类电力系统来说，小故障是不允许停电的，比如病人做手术，医疗设备当然不能漏电，漏电也不能停电。
这类小规模网络的可靠性很有必要的，大网络万一出现故障，查找位置维修可能非常耗时。而 IT 网络具有良好的EMC特性，简单接地故障不会导致网络立即关闭，因此具有故障安全性，并且比其他网络类型（如TN或TT 网络）具有显着更高的可靠性水平。
地线及接地，看似简单，实则专业。本人现学现写，暂到此结束。 有误之处，敬请批评指正。
最后要说明的是，本文是科普的、基础的、浅要的，具体到一个系统，涉及到的设计、计算、分析、模拟是相当复杂的。