第5章电源及用电安全

这是一篇关于第5章 电源及用电安全的思维导图，主要内容包括：用电安全，电磁干扰与电磁兼容性，线性直流稳压电源，三相交流电，单相交流电，配电系统，电能与电力系统。将知识点进行了归纳和整理，帮助学习者理解和记忆。

第5章 电源及用电安全

• 电能与电力系统
  • 电力系统
    • 由发电机、升降压变压器、各种电压等级的输电线路和广大用户的用电设备组成的统一整体。
    • 电力系统=发电机( 电源)+输电网络+变配电网络+用电设备+信息与控制系统
      • 信息与控制系统完成测量、调节、控制、保护、通信和调度，是电力系统可靠运行的保障
    • 传统上将电力系统划分发电、输电和配电三大组成系统。
      • 发电：将一次能源转换成二次电能的过程。
      • 输电是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现。
        • 按结构形式，输电线路分为架空输电线路和电缆线路。
        • 按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电。后者有明显的优越性，但历史上仅仅由于技术原因，才先有交流输电、后有直流输电。
        • 常用的高压等级，交流有35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等，直流有500kV、800kV、1100kV
      • 配电：电力系统中从配电变电站出口到用户端的这一段系统称为配电系统。
      • 发电系统发出的电能经由高压(数千伏以上或数万伏以上)输电系统的输送，最后由降压配电系统分配给各个用户。
• 配电系统
  • 配电系统及种类
    • 定义：配电系统是由多种配电设备（或元件）和配电设施所组成的变换电压和直接向终端用户分配电能的一个电力网络系统。电力负荷中心向各个电力用户分配电能的线路称为配电线路。
    • 种类：
      • 高压配电线路电压为3.6kV~40.5kV
      • 低压配电线路:交流电压不超过1kV、频率不超过1000Hz,直流不超过1500V。
    • 组成：配电变电所、高压配电线路（即1千伏以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。
      • 关于交流采用正弦波说法正确的是:切割磁感线的导线圈的有效面积的变化率符合正弦规律;正弦波在传输过程中不会发生畸变;正弦波频率比较单纯，不会有高次谐波。
    • 要求：配电线路的建设要求安全可靠，保持供电连续性，减少非线路损失，提高输电效率，保证电能质量良好。
      • 远距离输电要采用高压输电的原因是减小输电损耗
  • 低压配电系统结构
    • 放射式：用于负载点比较分散又具有相当大的集中负载场合。
    • 树干式：用于负载集中，各负载位于配电箱同一侧，间距短或者负载均匀地分布在同一条线上。
    • 双电源：用于集中负载，为了提高供电可靠性，由两回不同的电源为重要负载提供电源支撑。
• 单相交流电
  • 定义
    • 定义：电流的方向都随时间做周期性变化，并且在一个周期内的平均值为零的电流称作交流电(流)。
    • 实质：电子在导体中单向运动形成直流电流；电子在导体中振动而形成交流电流。
  • 表示法
    • 解析式表示法
    • 波形图表示法
    • 向量图表示法
  • 表征物理量
    • 周期T/频率f：
    • 正弦量的相位差：两个相同频率的正弦量之间的相位之差，即
    • 有效值（通常标识或表测量显示的均是有效值）：利用电流的热效应等效求得，也就是说，某一周期电流i 通过电阻R 在一个周期内产生的热量和另一个直流电流I 通过同一个电阻R 在相同时间内产生的热量相等，即：
    • 瞬时功率：交流电路中任何一瞬间的功率。
    • 有功功率：又称为平均功率，为功率（或瞬时有功功率）在一个周期内的平均值。
    • 无功功率：衡量储能元件(电感、电容)与外部电路交换的功率。将瞬时无功功率的幅值定义为无功功率，即
    • 视在功率：电压和电流有效值的乘积 S=UI
    • 功率因数：有功功率所占的“比例”定义为功率因数
• 三相交流电
  • 概念
    • 二次绕组从始端引出的L1、L2、L3三根导线称为相线，俗称火线，从三个末端连在一起的连接点称为中性点，或者零点，用N表示。
    • 三相交流电压出现正幅值的顺序称为相序。
    • 相电压----相线与中性线之间的电压：幅值相等、频率相等、互差120度
    • 相线与相线之间的电压称为线电压：可见，线电压与相电压同频，且超前相电压30°，线电压幅值为相电压幅值的根三倍。
  • 三相对称电路
    • 三相电源电压
    • 三相负载电流
    • 性质1：三相对称正弦供电系统瞬时有功为与频率及时间无关的恒定值（直流量），它就是有功功率
      • 可见：三相对称情况下，有功功率可以对功率的瞬时值检测来实现，不需要计算平均功率。另外，通过测量三相电压、电流的瞬时值就可以确定电压、电流的峰值和相位角，电压与电流有相位差自然可以获得。
    • 性质2：三相对称正弦供电系统相间交换的无功功率为与频率及时间无关的恒定值，它就是无功功率
  • 三相不对称电路
    • 此时三相电源电压同三相对称电路，三相负载电流为
    • 瞬时功率
  • 低压配电
    • 接线图：
      • 三相电——A相线：黄色；B相线：绿色；C相线：红色；零线：蓝色；地线PE：黄绿色。
      • 单相电——相线：红色；零线：蓝色；地线：黄绿色。
      • 注意:
        • 在三相四（五）线制配电中，带有漏电保护的断路器中，必须将中线N穿过互感器；
        • 三相四线制配电中，PE线是就近的地线，而不是从变配电站拉线且不经过开关或者断路器；
        • PE线不可以串接开关；
        • 三相四线制配电与三相四线制插座配线是不一样的。
    • 电能质量指标
      • 电网频率：我国电力系统的标称频率为50Hz，《电能质量电力系统频率偏差》中规电力系统正常运行条件下频率偏差限值为+-0.2Hz
      • 电压偏差：《电能质量供电电压偏差》中规定35kV及以上供电电压偏差不能超过标称电压的10%，20kV及以下不能超过+-7%，220V单相供电则为7%~-10% 。
      • 三相电压不平衡(负序分量与正序分量有效值之比)：《电能质量三相电压不平衡》中规定电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；公共连接点负序电压不平衡度允许值为1.3%，短时不超过2.6%。
      • 公用电网谐波：公用电网对谐波电压限值和注入公共连接点的谐波电流允许值有规定。
    • 电能质量指标-不平衡
      • 不对称运行状态(实质体现在三相电流不对称)的主要原因：（1）外施电压不对称（2）各相负载阻抗不对称（3）外施电压阻抗均不对称（4）消弧线圈的不正确调谐
      • 任意一组不对称的三相正弦电压或电流相量都可以分解成三组不同的对称三相量(正序、负序、零序分量----人为剥离量)。根据ABC三相相序进行定义如下：
        • 正序：A相先B相120度，B相领先C相120度，C相领先A相120度。
        • 负序：A相落后B相120度，B相落后C相120度，C相落后A相120度。
        • 零序：ABC三相相位相同、幅值也相同，哪一相也不领先，也不落后。
      • 这样分解能干什么？（1）分而治之，分解后单独计算相位和大小，再通过叠加原理可以合成为真实坐标下的电流电压分量。（2）分析系统故障：单相接地故障、两相短路故障、三相短路故障、两相短路接地故障。（3）衡量不平衡度。
      • 图解
    • 电能质量指标-不平衡的影响
      • 三相负荷不平衡,中性线就有电流流过,低压供电线路损耗增大
      • 中性线电流过大,使配电变压器运行温度升高,严重时会将变压器烧坏。当中性线电流过大时,零序电流所产生的零序磁通会在油箱壁及钢结构中通过,引起较大的损耗,从而使配电变压器运行温度升高。绝缘油和绝缘材料长期受到高温影响,变压器寿命会缩短,严重的甚至烧坏。
      • 三相负荷不平衡,使有的相电压高,另外的相电压降低,这对照明中大量使用的白炽灯也会产生不良影响。当端电压降低5%时,其光通量将减少18%,照明度降低;而端电压升高5%,灯泡的寿命将减少一半,灯泡消耗量将剧增。
      • 等等
• 线性直流稳压电源
  • 直流稳压电源
    • 分类
      • 化学电源：把化学能转化为电能，如干电池，铅酸蓄电池等。
      • 线性稳压电源：调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。
      • 开关电源：利用现代电力电子技术，控制开关管开关来维持稳定的输出电压的一种电源。
    • 指标
      • 特性指标
      • 质量指标
        • 效率
        • 功率因数
        • 稳压系数(源效应---电压调整率)Sr：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压Vi变化±10%时引起输出电压的相对变化，即
        • 电流调整率(负载效应) Si：当输入电压及温度不变，输出电流Io从零变化到最大时，输出电压的相对变化量称为电压调整率
        • 输出电阻Ro：当电压和温度不变时，因RL变化，导致负载电流变化了ΔIo，相应的输出电压变化了ΔVo ，两者比值的绝对值称为输出电阻
        • 温度系数ST：输入电压和负载电流不变时，温度所引起的输出电压相对变化量与温度变化的比值
        • 纹波电压：在额定输出电流情况下，叠加在输出电压上的交流分，一般mV级
        • 纹波抑制比(dB)：稳压电路输入纹波电压峰值与输出纹波电压峰值之比。
  • 线性直流稳压电源组成
    • 直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成
      • 降压变压器：将市电降成后级整流要求的交流。
      • 整流电路：把交流电变换成直流电。
      • 滤波电路：整流输出电压脉动大，需要滤波得到较为平滑的直流电压。
      • 稳压电路：得到稳定平直的直流。
    • 单相半波整流电路：
      • 忽略二极管压降，则其输出脉动电压Vo为
    • 桥式全波整流电路：
      • 输入输出波形
      • 其输出直流电压为
      • 桥式整流电路输出的直流平均电压比半波整流高一倍。
    • 滤波电路
    • 稳压电路
      • 由图可知，经稳压管LM317输出的是平整的直流电压Vo:通常改变Rp就可以改变输出电压。
• 电磁干扰与电磁兼容性
  • 电磁干扰
    • 电磁干扰是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象。
      • 1.设备受到干扰后性能降低 2.对设备产生干扰的干扰源
    • 电磁干扰的发生必须具备三个基本条件
      • 干扰源--自然干扰源与人为干扰源
        • 自然干扰源：天电噪声、宇宙噪声
        • 人为干扰源：有意发射的、无意发射的
      • 传播干扰能量的途径和通道-传导干扰和辐射干扰
        • 传导干扰：在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接
        • 辐射干扰：干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。有天线对天线耦合、场对线耦合、线对线的感应耦合
      • 被干扰对象-敏感设备
      • 干扰的复杂性，使电磁干扰变得难以控制
  • 电磁兼容性
    • 电磁兼容性并非电与磁的兼容，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法承受的电磁干扰的能力
    • EMC包括两个方面的要求
      • 一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；
      • 另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
    • 电磁兼容设计
      • 地线设计：地线电位不稳，就会导致电路故障
      • 线路板设计：核心问题，以减小线路板上的电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性，减小线路板上电路之间相互影响为目的
      • 滤波设计：关键技术手段，消除导线上的这些干扰信号
      • 屏蔽与搭接设计：从一开始就要考虑屏蔽的问题
    • 电磁兼容认证：基于的抽样和相关的判定规则
• 用电安全
  • 触电的基本常识
    • 定义与发生原因
      • 人体接触电源(有意或无意)，由于人体是导体，会与其他导体一起形成电流通路，从而产生触电
      • 高压线(220kV、110kV、35kV、10kV等)的接地点、短路点、跨步电压形成对人体伤害
    • 实质：流过人体的电流过大
    • 人体触电有三种情况：单线、两线、跨步电压触电
    • 人体可承受的电流：
      • AC20mA DC50mA
      • 长时间触电，即使8mA左右，也可致人死亡
      • 电流流过心肌时，10mA的电流也是致命的
    • 人体电阻：大约1kΩ，皮肤干燥时在100kΩ以上
    • 电流流过人体最危险的路径是从左手到前胸。
  • 触电对人体的危害
    • 电击
      • 电流流过人体内部，影响呼吸、心脏和神经系统，造成人体内部组织损伤乃到死亡
      • 交流电(40Hz~1000Hz)引起电击
      • 电击对人体的危害程度用电击强度It表示，电击强度要求保护器小于30mA·s，实际上小于3mA·s
    • 电伤
      • 电流热效应、机械和化学效应造成人体触电部位的外部伤痕—电烧伤、皮肤金属化、机械损伤、电光眼
      • 直流电一般引起电伤
  • 触电原因及防护
    • 原因：•直接触及电源----检查绝缘、设备断电检查•错误使用设备----如在自耦变压器中使用两孔插座，没注意L、N连接•接线不当或工艺不良导致金属外壳带电----细查•电容器放电----测试前先放电
    • 防护
      • 防止触电
        • 四检查，再接通
          • 电源线有无破损
          • 插头有无外露金属或内部松动
          • 电源插头两端是否短路，与金属外壳有无通路
          • 设备所需电压值是否与供电电压相符
        • 安全操作
      • 触电急救
        • 在保护自己不受二次触电的情况下，最快速度使触电者脱离电源
          • ·用绝缘物体拨开电线•用衣物套住触电者某部位，拉开
        • 救护措施----脊柱固定后
          • •触电未失知觉者----通风暖和的地方静卧休息，观察，同时请医生或送医院•触电已失知觉者----解衣以利于呼吸，空气流通、保暖，同时用人工呼吸和胸外按压施急救，并请医生。
        • 人工呼吸和胸外按压:CPR
  • 各种电器设备的防护等级
    • I代表接触保护和防止固体异物进入的等级，用第一个x指示，最高级别是6
    • P代表防止进水的等级，用第二个x指示，最高级别是8
  • 用电安全技术与措施
    • 直接防护
      • 带电体直接接触防护
        • 绝缘：利用绝缘材料对带电体进行封闭和隔离。
        • 屏护：采用遮拦、护罩等把危险的带电体同外界隔离开来的安全防护措施。
        • 根据实际情况设置安全电压
        • 安全距离(间距)：带电体与地面、带电体与树木、带电体与其他设施以及带电体与带电体之间应保持一定的安全距离。重点看一下400V情况，同时关注工作安全距离。
      • 雷电的直接防护
        • 雷暴的放电对象具有选择性，选择距离最近，最易导电的路径向大地泄放
        • 树底下雷击伤害：接触电压伤害、反击伤害、跨步电压伤害
    • 带电作业
    • 接地
      • 接地（earthing）指电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露导电部分经接地线连接到接地极。
        • 接地极是与大地紧密接触并形成电气接触的一个或一组导电体
      • 电力系统中接地的点一般是中性点。电气装置的接地部分为外露导电部分，它是电气装置中能被触及的导电部分，它正常时不带电，故障情况下可能带电。
      • 作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击
      • 接地通过金属导线与接地装置连接来实现，常用的有保护接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防静电接地等。
    • 间接防护
      • 配电系统中的接地有工作接地和保护接地之分。
      • 据在系统侧与设备侧的接地方式不同，配电系统的间接接触防护包含IT系统保护、TT系统保护以及TN系统保护三种
        • IT系统：
          • IT系统电源侧没有工作接地，或经过高阻抗接地，负载侧电气设备进行接地保护
          • IT系统要求接地电阻在100kVA及以上时小于4欧姆，在100kVA以下时小于10欧姆。
          • IT系统在供电距离不是很长时，供电的可靠性高，安全性好。在供电距离很长时，供电线路对大地的分布电容就不能忽视
        • TT系统：在电源中性点直接接地的三相四线系统中，所有设备的外露可导电部分均经各自的保护线PE分别直接接地（而与系统如何接地无关）。
        • TN系统：
          • TN-C：该系统中保护线PE与中性线N合并为PEN，所有负载设备的外露可导电部分均与PEN线相连
            • TN-C系统一般只使用于三相负载基本平衡情况
            • PEN线上微弱的电流在危险的环境中可能引起爆炸
          • TN-S(三相五线制)：TN-S系统中保护线和中性线严格分开。
            • 正常时PE线不通过负荷电流，故与PE线相连的电气设备金属外壳在正常运行时不带电，所以适用数据处理和精密电子仪器设备的供电，也可用于爆炸危险环境中。
            • 采用TN-S供电既方便又安全，用于工业与民用建筑等低压供电系统。
          • TN-C-S：有一部分PEN线不分开，但一部分自工地配电箱处分开为保护线PE和中性线N，自分开后，PE线不能再与N线再合并，可用黄绿相间和浅蓝色区分。
            • 需要注意的是电源进线的PEN线必须先与PE母线联接，并作接地，再将PE母线与N母线连接起来。
            • TN－C-S系统是一个广泛采用的配电系统，无论在工矿企业还是在民用建筑（独立变压器的生活小区）中，其线路结构简单，又能保证一定安全水平。
      • 雷电与避雷技术
        • 防止直接雷击：使雷击时的电流迅速流散到大地中去，一般采用避雷针或者架空防雷线作为避雷装置。
        • 防止感应雷击：将所有导体（电源相线除外）接成接触良好的闭合回路并可靠接地。
        • 防止架空线路雷电侵入波：在架空线和电缆连接处加装避雷器，其接地线与电缆屏蔽线连接并接地，再和感应雷击的保护系统的接地线相连接。
        • 根据建筑物防雷等级的要求不同，所要求的防雷接地电阻等级也不同
  • 静电防护
    • 静电存留于物体表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。
    • 静电可以有利，同时也有危害
    • 静电防护原理----消除
      • 对可能产生静电的地方要防止静电积聚。在安全范围内采取措施。
      • 对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。
    • 静电防护方法
      • 使用防静电材料
      • 泄漏与接地
      • 非导体带静电的消除
  • 注意事项
    • 把好用电线缆、电器、设备质量关
    • 注意安装插座或拉线要符合安全规定
    • 注意用电行为习惯
    • 禁使用替代品
    • 注意采用相关安全措施
    • 注意事项——事故常用处理方式
      • 电压异常升高，或异常响声、气味、温度、冒烟、火光，先切断电源
      • 他人触电时，根据及时原则切断电源或采用绝缘棒或杆将电线拨开，并视情况决定是否实施现场心肺复苏术，同时拨打120。
      • 带电灭火时可以使用干粉、二氧化碳和1211(CF2ClBr-高效低毒) 灭火器，但不得使用泡沫灭火器。