电气安全基础知识Word格式.docx
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一、电流
电荷的定向运动形成电流。
人们习惯规定：
以正电荷移动的方向为电流的方向，即电流从电源正极（+）通过负载流向负极（-）。
在金属导体中，电子运动所形成的实际方向与电流方向相反。
电流的大小用单位时间内通过导体截面的电荷来表示。
若在t（秒）内有Q（库仑）的电荷通过导线截面，则电流I为：
电流的单位是A（安培），除此之外，还有kA（千安）、mA（毫安）等。
二、电压
电源内具有电能。
电流是在电源两端的电势差的推动下产生的，该两点的电位之差称为这两点之间的电压，符号为U。
电压的单位是V（伏特），除此之外，还有kV（千伏）、mV（毫伏）等。
1.1.2欧姆定律
欧姆定律表明了在有恒稳电流的电路中电流、电压和电阻三者之间关系的客观规律，它的内容是：
在电阻中的电流与电压成正比，与电阻成反比。
若在电阻R（Ω）上施加电压U（V），则由欧姆定律，电流I（A）可表示为：
电流在导体中流动时所受到的阻力称为电阻，用字母R或r表示。
常用的电阻单位有Ω（欧姆）、kΩ（千欧）、MΩ（兆欧）。
金属导体的电阻与导体的材料性质及尺寸有关，即：
式中：
R——导体的电阻，Ω（欧姆）；
L——导体的长度，m（米）；
S——导体的截面积，mm2（平方毫米）；
ρ——导体的电阻率，Ω·
mm2/m。
1.1.3基尔霍夫定律
一、基尔霍夫电流定律
基尔霍夫电流定律定义为流入节点的电流之和等于从节点流出的电流之和，即：
——流入电流；
——流出电流。
如图1.1.3-1所示，支路电流I1和I4流入节点，I2、I3和I5流出节点，那么：
二、基尔霍夫电压定律
基尔霍夫电压定律定义为在任何闭合回路中的电源电压及各分电压的代数和为零，即：
该定律的使用方法：
（1）设定各支路电流的正方向；
（2）电源电压方向是从（+）极指向（-）极；
（3）任意选定回路的绕行方向；
（4）各电压方向与回路绕行方向一致的取“+”号，反之取“-”号，建立电压方程。
如图1.1.3-2所示，有电压方程：
1.2.1测量方法分类和电工仪表分类
一、电气测量方法分类
1、测量方式分类
直接测量：
直接测量是指仪表读出值就是被测的电磁量，例如用电流表测量电流，用电压表测量电压。
间接测量：
指要利用某种中间量与被测量之间的函数关系，先测出中间量，然后通过计算公式，算出被测量。
例如用伏安法测电阻。
组合测量：
在被测的未知量与某个中间量的函数关系式中还有其他未知数，必须通过改变测量条件，写出不同条件下的关系方程组，通过解联立方程组求出被测量的数值。
2、数据读取方法分类
直读法：
利用仪表直接读取测量数据。
比较法：
将被测量与度量器放在比较仪器上进行比较，从而求得被测量的数值。
此法又分为：
（1）零值法：
比较仪表指零时，从度量器读出被测量的数值。
（2）较差法：
从比较仪求得差值，再根据度量器数值和比较差值，经计算求得被测量的数值。
（3）替代法：
将已知量与被测量先后置于同一测量装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量，然后从已知量读出被测量值。
二、电工仪表分类
1、模拟指示仪表
模拟指示仪表是将被测电磁量转换为可动部分的角位移，然后根据可动部分指针在标尺上的位置直接读出被测量的数值。
2、数字仪表
数字仪表是将被测电磁量转换为电压，再转换为数字量，并以数字方式直接显示。
3、比较仪器
指使用电桥、补偿等方法，将标准度量器与被测量置于比较仪器中进行比较，从而求得被测量。
这类仪器除需要仪表本体外（如电桥、电位差计等）还需要检流设备、度量器等参与。
1.2.2测量误差及其表示方法
一、测量误差的分类
不论采取任何测量方式，也不论使用何种仪器仪表，由于仪表本身不可能绝对准确，都会使测量结果产生误差，按照测量误差产生的原因以及误差的性质，可以把误差分成系统误差、随机误差和疏忽误差三类。
其中系统误差是指在相同条件下，多次测量同一量时，误差大小和符号均保持恒定，或按某种规律变化的一种误差。
按其产生的原因该误差可分成基本误差和附加误差两种，见图1.2.2。
二、测量误差的表示方法
1、绝对误差
用测量值Ax与被测量真值A0之间的差值所表示的误差称为绝对误差△。
2、相对误差
绝对误差△与被测量真值之比，称为相对误差。
或
1.2.3常用指示仪表
一、磁电系仪表
磁电系仪表结构如图1.2.3-1所示，可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，可认为驱动力矩等于反作用力矩，并推出仪表偏转角与电流关系为：
若与被测电压并联，仪表的内阻为R，则仪表偏转角与电压关系为：
二、电磁系仪表
电磁系仪表结构有两种形式，分别为吸引型（如图1.2.3-2所示）和推斥型（如图1.2.3-3所示）。
驱动力矩：
吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对可动铁心产生吸引力，使指针偏转。
推斥型则靠线圈同时对固定、可动铁心进行磁化，由于磁化的极性相同，产生互斥而形成驱动力矩。
可推出仪表偏转角与电流关系为：
反作用力矩：
采用游丝，设其反作用力矩系数为D，则：
阻尼力矩：
一般采用磁感应阻尼。
三、电动系仪表
图1.2.3-4所示电动系仪表结构图，电动系仪表由固定、可动两组线圈所构成的系统，通电后的磁场能量为：
可动线圈所受的驱动力矩为：
根据指针稳定时驱动力矩等于反作用力矩，可求得指针偏转角：
作为电压或电流表使用时，如果两线圈电流都等于被测电流，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方成正比，或与交流有效值平方成正比。
如作为功率表使用，指针偏转角正比于被测功率。
1.3.1低压系统按接地形式分类
一般供配电系统都有两个接地问题：
其一是系统内电源侧带电导体的接地；
其二是负荷侧电气设备外露可导电部分的接地。
就低压供配电系统而言，前者通常是指发电机、变压器等的中性点的接地，称为系统接地；
后者通常是指电气设备的金属外壳、布线用金属管槽等外露可导电部分的接地，称为保护接地。
系统接地的主要作用是保证供电系统的正常运行，保护接地则对电气安全十分重要。
关键名词解释：
（1）系统中性点：
发电机、变压器、电动机和电器的绕组以及串联电路中有一点，它与外部各接线端之间的电压绝对值相等，这一点就称为中性点。
在正常情况下，系统中性点—般在电路接线的中间点处，比如星形联结的中心点，但在故障时，系统中性点有时会从电路接线的中间点处移走，这种情况称为中性点位移。
（2）外露可导电部分：
电气装置能被触及的导电部分，它在正常时不带电，但在故障情况下可能带电。
并不是所有的电气设备都有外露可导电部分，如塑壳电视机等家用电器就没有外露可导电部分。
（3）装置外可导电部分：
给定场所中不属于电气装置组成部分的可导电部分。
例如场所中的金属管道（水管、暖气管等），它可能引入高电位。
（4）等电位联结：
使各个外露可导电部分之间及装置外可导电部分之间电位基本相等的电气连接。
在此特别指出，等电位联结采用“联结（Bonding）”一词而非“连接（connection）”一词，是因为等电位联结的主要作用是通过电气连通来均衡电位，而不是通过电气连通来构造电流通道。
（5）移动式设备：
工作时移动的设备，或在接有电源时能容易地从一处移至另一处的设备。
（6）手握式设备：
正常使用时要用手握住的移动式设备。
（7）固定式设备：
牢固安装在支座（支架）上的设备，或用其他方式固定在一定位置上的设备。
（8）中性线（N线）：
与电源的中性点连接，并能起传输电能作用的导线。
（9）保护线（PE线）：
为防止触电危害而用来与下列任一部位作电气连接的导线，包括：
①外露可导电部分；
②装置外可导电部分；
③总接地线或总等电位联结端子；
④接地极；
⑤电源接地点或人工中性点。
在正常情况下，PE线上是没有电流的，它不承担传输电能的任务，但在故障情况下，它可能有电流通过，因此其截面选择也不是随意的。
（10）保护中性线（PEN线）：
兼有PE线和N线功能的导线。
1.3.2接地系统分类
低压接地系统按接地形式可分为TN、TT和IT三种类型，这些接地系统的字母符号的含义是：
第一个字母说明电力系统与大地的关系。
T：
电力系统与大地直接连接。
I：
电力系统与大地隔离或电源的一点经高阻抗（例如1000Ω）与大地直接连接。
第二个字母说明电气装置的外露可导电部分与大地的关系。
外露可导电部分直接接大地，此接地与电力系统的接地相互独立，无直接电气连接。
N：
外露可导电部分通过与接地的电力系统中性点连接而接地。
一、IT系统
IT系统就是电源中性点不接地、用电设备外露可导电部分直接接地的系统，如图1.3.2-1所示。
IT系统可用于对供电连续性要求较高的配电系统，或用于对电击防护要求较高的场所，如矿山的巷道供电，医院手术室的配电等。
二、TT系统
TT系统就是电力系统中性点直接接地、用电设备外露可导电部分也直接接地的系统，如图1.3.2-2所示。
TT系统中，这两个接地必须是相互独立的。
设备接地可以是每一设备都有各自独立的接地装置，也可以是若干设备共用一个接地装置，图1.3.2-2中单相设备和单相插座就是共用接地装置的。
TT系统的电气装置各有自己的接地极，正常时装置内的外露可导电部分为地电位，电源侧和各装置出现的故障电压不会互窜。
但当发生接地故障时，因故障回路内包含工作接地和保护接地两个接地电阻，故障回路阻抗较大，故障电流较小，一般不能用过电流防护兼作为接地防护防护，为此必须装用剩余电流保护装置来切断电源。
在一些经济发达国家中TT系统的应用十分广泛，工业与民用的配电系统都大量采用TT系统。
在我国，TT系统主要用于城市公共配电网和农用电网，现在也有一些大城市如上海等在住宅配电系统中采TT系统。
在实施剩余电流保护的基础上，TT系统有很多的优点，是一种值得推广的接地形式。
在农网改造中，TT系统的使用也比较普遍。
三、TN系统
TN系统即电源中性点直接接地、设备外露可导电部分与电源中性点直接电气连接的系统。
TN系统按N线与PE线的不同组合又分为以下三种类型：
1、TN-S系统
在此系统内N线和PE线是分开的，如图1.3.2-3所示。
图中相线L1～L3、中性线N与TT系统相同；
与TT系统不同的是，用电设备外露可导电部分通过PE线连接到电源中性点，与系统中性点共用接地体，而不是连接到自己专用的接地体。
2、TN-C系统
在此系统内N线和PE线是合一的，合称PEN线，如图1.3.2-4所示。
它将PE线和N线的功能综合起来，由一根PEN线（保护中性线）来同时承担两者的功能。
在用电设备处，PEN线既连接到负荷中性点上，又连接到设备外露可导电部分。
TN-C系统曾在我国广泛应用，但由于它所固有的技术上的一些弊端，现在已很少采用。
尤其是在民用配电中已基本上不允许采用TN-C系统。
3、TN-C-S系统
在此系统内，仅在电气装置电源进线点前N线和PE线是合一的，在电源进线点后分为N线和PE线。
如图1.3.2-5所示，它是TN-C系统和TN-S系统相结合的形式。
TN-C-S系统在我国当前应用比较广泛。
应注意：
采用TN-C-S系统时，在系统由TN-C变为TN-S处，应将PEN线重复接地或采取等电位联结，以提高系统的安全性。
§
1.4低压系统按带电导体分类
按照IEC标准，低压配电系统有两种分类法：
一种是按上述接地系统分类，分为IT、TT、TN等系统；
另一种则是按带电导体分类。
按IEC规定，交流的带电导体系统有：
单相两线系统、单相三线系统、两相三线系统、两相五线系统、三相三线系统、三相四线系统（注意：
无论有无PE线都被称作三相四线系统）。
其形式如图1.4所示。
1.5电气设备按电击防护方式分类
IEC产品标准将低压电气设备按防间接接触电击的不同要求分为0、I、II、III共四类，详见表1.5。
表1.5
类别
0类
I类
II类
III类
设备主要特征
基本绝缘，无保护连接手段
基本绝缘，有保护连接手段
基本绝缘和附加绝缘组成的双重绝缘或相当于双重绝缘的加强绝缘，没有保护接地手段
由安全特低电压供电，设备不会产生高于安全特低电压的电压
安全措施
用于不导电环境
与保护接地相连
不需要
接于安全特低电压
电气设备的防电击标注
无标志
一、0类设备
仅依靠基本绝缘作为电击防护的设备，称为0类设备。
这类设备的基本绝缘一旦失效，是否会发生电击危险，完全取决于设备所处的场所条件。
所谓场所条件，主要是指人操作设备时所站立的地面及人体能触及到的墙面或装置外可导电部分等的情况。
由于0类没备的电击防护条件较差，在一些发达国家已逐步被淘汰，有些国家甚至已明令禁止生产该类产品。
二、I类设备
I类设备的电击防护不仅依靠基本绝缘，而且还可采取附加的安全措施，即设备外露可导电部分连接有一根PE线，这根线用来与场所中固定布线系统中的保护线（或端子）相连接。
在我国日常使用的电器中，I类设备占了大多数。
因此，作好对I类设备的电击防护，对降低电击事故的发生率有着十分重大的意义。
三、II类设备
II类设备的电击防护不仅依靠基本绝缘，还增加了附加绝缘作为辅助安全措施，或者使设备的绝缘能达到加强绝缘的水平。
II类设备不设置PE线。
II类设备的电击防护全靠设备本身的技术措施，其电击防护完全不依赖于供配电系统，也不依赖于使用场所的环境条件，是—种安全性能很好的设备类别。
若排除价格等因素，这是—种值得大力发展的设备类别。
但II类设备绝缘外壳的机械强度和耐热水平不高，并且其外形尺寸和电功率都不宜过大，使它的应用范围受到了限制。
四、III类设备
III类设备的防间接接触电击原理是降低设备的工作电压，即根据不同的环境条件采用适当的特低电压供电，使发生接地故障或人体直接接触带电导体时，接触电压都小于安全限值。
III类设备的电击防护依靠采用安全特低电压供电，这类设备要求在任何情况下，设备内部都不会出现高于安全电压值的电压。
应该说明，以上四类设备，以0、I、II、III进行分“类”而不是分“级”，分类的顺序并不说明防电击性能的优劣，也并不表明设备的安全水平等级，它只是用以区别各类设备防电击的不同措施而已。
1.6电气设备外壳的防护等级
一、外壳与外壳防护的概念
电气设备的“外壳”是指与电气设备直接相关联的界定设备空间范围的壳体，那些设置在设备以外的为保证人身安全或防止人员进入的栅栏、围护等的设施，不能被算作是“外壳”。
关于外壳防护问题，我国有三个国家标准，一个是GB4208-1993《外壳防护等级》，另两个是行业用的国家标准，分别为GB/T4942-2001《电机外壳防护等级》和GB/T4942.2-1985《低压电器外壳防护等级》，它们都是等效采用的IEC标准。
外壳防护是电气安全的一项重要措施，它既是保护人身安全的措施，又是保护设备自身安全的措施，因此标准规定了外壳的两种防护形式。
第一种防护形式：
防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内的运动部件（光滑的转轴和类似部件除外），防止固体异物进入外壳内部。
第二种防护形式：
防止水进入外壳内部而引起有害的影响。
这两种防护形式，是完全由外壳的机械结构确定的。
二、外壳防护等级的代号及划分
1、代号
表示外壳防护等级的代号由表征字母“IP”和附加在后面的两个表征数字组成，写作IPXX，其中第一位数字表示第一种防护形式的各个等级，第二位数字则表示第二种防护形式的各个等级，表征数字的含义分别见表1.6-1和表1.6-2。
表1.6-1
第一位表征数字
防护等级
简述
含义
无防护
无专门防护
1
防止大于50mm的固体异物
能防止人体的某一大面积（如手）偶然或意外触及壳内带电部分或运动部件，但不能防止有意识地接近这些部分。
能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内
2
防止大于12mm的固体异物
能防止手指或长度不大于80mm的类似物体触及壳内带电部分或运动部件。
能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内
3
防止大于2.5mm的固体异物
能防止直径（或厚度）大于2.5mm的工具、金属线等进入壳内。
能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内
4
防止大于1mm的固体异物
能防止直径（或厚度）大于1mm的工具、金属线等进入壳内。
能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内
5
防尘
不能完全防止尘埃进入壳内，但进尘量不足以影响电器正常运行
6
尘密
无尘埃进入
表1.6-2
第二位表征数字
防滴
垂直水滴应无有害影响
15º
当电器从正常位置的任何方向倾斜至15º
以内任一角度时，垂直水滴应无有害影响
防淋水
与垂直线成60º
范围以内的淋水应无有害影响
防溅水
承受任何方向的溅水应无有害影响
防喷水
承受任何方向的喷水应无有害影响
防海浪
承受猛烈的海浪冲击或强烈喷水时，电器的进水量应不致达到有害影响
7
防浸水影响
当电器浸入规定压力的水中经规定时间后，电器的进水量应不致达到有害影响
8
防潜水影响
电器在规定压力下长时间潜水时，水应不进入壳内
2、试验
电气设备外壳防护等级的确定是与相关的试验紧密联系的。
例如，在确定第一位表征数字的试验中，对防护等级“2”，规定要进行试球试验和试指试验。
所谓试球试验，就是用直径为12.0-0+0.05mm的刚性试球对外壳的各开启部分施加（30±
3）N的力，若试球未能穿过任一开启部分并与电器壳内带电部分或转动部件保持足够的间隙，即认为试验合格。
试球试验的目的主要是试验外壳防护设备不受外界固体异物损伤的能力。
所谓试指试验，就是用金属材料模拟人的手指做一个标准的“试验手指”，其金属部分长80mm，直径12mm，可模拟人手指的弯曲；
用不大于10N的力将试指推向外壳各开启部分，如能顺利进入，则应注意活动至各个可能的位置，若试指与壳内带电部分或转动部件保持足够的间隙，即认为试验合格。
只有试球试验和试指试验都通过了，才能确认设备达到第一位表征数字“2”的等级。
与电气设备按电击防护的分“类”不同，设备外壳的防护等级是以“级”来划分的，它表示不同级别的安全防护性能有高低之分。
1.7.1接地
“地”在电气领域有两种含义：
一是大地，大地的土壤因为含有水分、无机盐等成分，可以被看作是导体。
电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露可导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连，称为“接地”。
另外，接地也是使电力系统稳定运行的手段之一；
二是电子电路中的等电位点或参考点，与这一点相连接也称为“接地”，但这个等电位或参考点一般不与大地相连接，它只是象征意义的“地”。
一、接地的基本要求
接地电阻由接地体流散电阻、接地体接地线的电阻和接地体与土壤的接触电阻组成。
工频接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻，称为工频接地电阻；
雷电流流经接地装置所呈现的接地电阻，称为冲击接地电阻；
冲击接地电阻主要用于防雷和过电压保护的接地计算。
我国有关规程规定的部分电力装置所要求的工作接地电阻（包括工频接地电阻和冲击接地电阻）值，如表1.7.1所示。
表1.7.1
电力系统类别
接地装置应用范围
接地电阻要求值
1KV以上大电流接地系统（直接接地和低电阻接地）
单独用于该系统
，
1KV以上小流接地系统（不接地或经消弧线圈或高电阻接地）
与1KV以下接地系统共用接地装置
1KV以下系统
与总容量100KV·
A及以上的发电机或变压器相联的重复接地装置
A及以下的发电机或变压器相联的重复接地装置
建筑物防雷
第一类防雷建筑物（防雷电感应）
第一类防雷建筑物（防直击雷、雷电波侵入）
第二类防雷建筑物（防直击雷、雷电感应、雷电波侵入共用）
第三类防雷建筑物（防直击雷）
二、接触电压和跨步电压
1、接地电流电位分布
当带电体外壳或机座等外露可导电部分由于种种原因发生带电故障时，接地装置就发挥作用，接地电流通过接地体流入大地。
但在接地体周围，电压并不是一下就突变为零，它也有一个渐变过程，如图1.7.1-1所示。
当发生接地故障时，电流通过埋入地中的接地极流入大地，形成接地电流。
由于土壤中流散电阻的存在，在以接地点为中心、半径为20m的范围内，形成了一个半球形的电位分布区，电位以接地极处为最高，半球形球面面积逐渐增大、电位逐渐减小，当超过20m后，可认为电位降为零。
20m以内的区域有明显的电位梯度，称为流散区，20m以外的区域称为零电位区。
2、接触电压和跨步电压
如图1.7.1-2所示，当人在流散区这个范围内触及故障带电设备的外壳，人与设备的接触点和人体站立点之间就存在一个电位差，人体所承受的这个电位差称为接触电压，一般用Utou表示。
人在流散区内行走，由于人的双脚行走时所处位置不同，在两脚之间就存在一个电位差，称为跨步电压，一般用Ustep表示。
跨步电压和人站立地点与接地点之间的距离有关，离得越近，跨步电压越高。
同时，跨步电压还和人跨步的大小有关，跨步越大，两脚之间电位差越大，跨步电压也就越高。
如果人在零电位区，两脚间不存在电位差，也就没有跨步电压。
三、接地系统的组成
无论是工作接地还是保护接地，接地任务都要依靠接地系统来完成，接地系统将电气设备的外露可导电部分通过导电体与大地相连接，图1.7.1-3为接地系统示意图。
1、接地系统
接地极与接地线总称为接地系统。
2、接地极
针对不同的电气系统，为了满足不同系
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