零線不為“零” 用電需謹慎

張立那

(石家莊市第一中學 河北 石家莊 050000)

1 校園用電安全是學校教育的重中之重

校園用電安全是當下社會各方面都很關注的熱點問題,如圖1中媒體所報道的那些觸電事故令人觸目驚心.我們應該引導學生學會哪些用電常識呢?

圖1 媒體報道校園安全事故

知識的價值只有在應用中才能體現(xiàn)出來,學生學完交流電和家庭用電知識后,了解到生活中有火線零線之分,如何安全用電;我們也一直在探討有關零線上是否有電流的問題,以及零線中如果有電流通過時,人體究竟會不會觸電甚至發(fā)生危險?

2 三相交流電的產生原理

為解決這些問題,首先我們得必須先了解“三相交流電”是怎么產生的,“三相四線制”到底是怎么回事?

圖2 三相交流發(fā)電機模型

結合高中所學物理知識,可將三相交流發(fā)電過程簡化成以下模型,如圖3所示.

圖3 三相交流發(fā)電電動勢

在發(fā)電機內部有一個轉子繞組,繞組有3組線圈,三相繞組分別稱為A相、B相和C相,三相繞組彼此相隔120°角.當轉子旋轉時,繞組切割磁感線而產生3個相位相差120°的電動勢,即3個單相交流電.我們照明電路中所使用的就是單相交流電.

把這3個交流電合在一起就組成一個三相交流電.一個理想的三相交流電電動勢的數(shù)學表達式為

eA=Emsinωt eB=Emsin(ωt-120°)
eC=Emsin(ωt-240°)=Emsin(ωt+120°)
其中,Em是電動勢最大值.e-ωt圖像如圖4所示.

圖4 e-ωt圖像

在發(fā)電機內部我們把3個繞組按一定方式連接起來,如圖5所示,一個繞組的尾端與另一個繞組的首端接在一起,另一個繞組的尾端再與下一個繞組的首端接在一起,3個繞組接成一圈,從每個接點接出一條線稱為三角形接法;把3個繞組的尾端接在一起,每個首端接出一條線稱為星型接法.然后再用3條或4條導線向外界供電.

圖5 三相繞組連接方式

3 家用照明電路中零線與火線的概念

我國發(fā)電廠和電力網生產、輸送和分配的交流電都是三相交流電.工業(yè)中大部分的交流電器設備,例如電動機,都采用三相交流電.而在日常生活中,多使用單相電源,也稱為照明電(校園用電通常也可視作家用照明電)[1].

當采用照明電供電時,使用三相電其中的一相給用電設備供電,而另外一根線是三相四線制中的第四根線,也就是零線,該零線從三相電的中性點引出,所以也稱為中性線.若用星形接法,如圖6所示,圖中任意火線和零線之間的電壓UA、UB、UC稱為相電壓,大小為220V,一般用于照明電路.火線與火線之間的電壓UAB、UAC、UBC稱為線電壓,經計算其大小為380V,與220V電壓等級不同,一般用于工業(yè)用電[2].

圖6 星型連接中的零線與火線

若將多個用電設備分組接入3個單相220V電壓中,應考慮按負載性質和功率大小,合理均勻分布于三相電源的相線上,保持A、B、C三相負載平衡分布(或基本平衡分布).零線上就沒有電流(電流很小),或者說三相交流電瞬間的矢量之和為零,可以理解為3根電線并不是同時在輸出使用,一根輸出時,另外兩根少量輸出,兼做主力輸出的零線使用,回到變壓器,從而構成一個循環(huán).這是交流電的基本原理,可以畫三個相差120°相位的電流正弦波的矢量圖,如圖7所示,可以看到在任何角度位置,由基爾霍夫電流定律,中性點上其電流值相加后總是為零.正如圖7中0～60°區(qū)間內電流從A、C相進,從B相出,零線上沒有電流,可以取消零線(局域網主干線公共部分的零線).這種情況與單相交流電和直流電的“回路”概念略有不同.不過,即使零線沒有電流,為了安全可靠地工作,實際零線一般也不能取消.

圖7 三相交流電中負載電流

但戶外的高壓輸電線均為三相高壓線,即3根火線,三相的矢量和為零,或者相對高壓線上數(shù)百安甚至更大的輸送電流來說基本為零,采用三相三線制傳送電力,是沒有零線的.三相高壓線經低壓變壓器后接入家用電路中.變壓器中分別有A、B、C3組初級、次級變壓繞組,如圖8所示.

圖8 家用電路中的變壓器連接

在低壓供電線路中,在馬路邊架空的變壓器上,可以看到一般均為三進四出接線制,初級的高壓側只3三根火線,次級380V輸出端有4根線,其中一根就是零線(地線),在變壓器處接地.

4 家用電路中零線電流不為零

零線電流不一定為“零”,誤觸零線也會觸電甚至危及生命,到底為什么呢?

家用照明電路常見為單相交流電,電壓220V,當用電器接通后,火線和此時此處零線上的電流是一樣大的,除非某部分電路或用電器發(fā)生故障,一部分電流“漏電”到地線上或有人體觸電(圖9),零線電流變小.這也是漏電保護開關的工作原理[3],當檢測到電路中有異常的電流信號時,就會觸發(fā)機構,自動切斷故障處的電源.

圖9 人體觸電(1)

家用電路中,我們用測電筆測的是電勢(工業(yè)上也稱為電位).所謂零線沒電是指零線相對于地的電壓為零即等電勢,指示燈不亮.照明電是單相電,單相設備運行時通過零線與變壓器組成閉合回路.所以,在有用電器運行時,家用電路中零線是有電流通過的.既然零線有電流通過,那為什么不傷人呢?

理論上家用電路中零線的電勢和大地是一樣的,人同時接觸大地和零線時兩端不存在電勢差,即沒有電壓,自然不會產生流過人體的電流.而實際上導線都有很小的電阻,零線上電勢不一定是零,一般幾伏到幾十伏不等(安全電壓36V),相對大地的電壓非常低,人體接觸后或有部分電流流經人體,相當于人體和部分零線并聯(lián),電流通過接觸點經人體和大地形成回路,如圖10所示,干燥時人體電阻大概幾千歐姆,可以理解成人體被短路,流經人體電流很小;若人體皮膚比較潮濕,如上文中提到的“洗澡觸電”案例,此時電阻較小,人體電流很大,可能會有觸電感覺甚至被電擊或電傷,對人體臟器、大腦或神經系統(tǒng)造成嚴重傷害,所以一定要注意安全用電,如不要私搭私裝電線,陰雨天遠離電線桿,購買使用合格電器產品,電動自行車不上樓充電等等.如發(fā)生觸電事故,第一時間用干燥的絕緣物體將患者與電源徹底隔離,切斷電源;呼叫幫助或撥打求助電話;如有必要進行心肺復蘇等[4-5].

圖10 人體觸電(2)

零線電勢為零或很低,這就是一般都認為零線無電壓的原因,如果人體接觸的零線在和人接觸點的后面斷開了[圖10(c)],那么零線電壓瞬間就升高到和火線差不多220V左右,人就會發(fā)生觸電現(xiàn)象.也說明了如果零線斷了,用電器接通卻不工作,此時我們用測電筆測量零線時會發(fā)現(xiàn)它是帶電的,電勢220V.

所以生活中有經驗的電工,有時采用站在干燥絕緣的木質椅子上赤手(應佩戴安全絕緣手套)觸摸火線,或站在地上赤手觸摸零線(專業(yè)動作,請勿嘗試).

5 結束語

因此,家庭電路中確定零線不帶電,當然可以觸摸,但是,最好還是不摸,因為你很難確定是不是零線,是否帶電.此外,緊急情況下實在需要觸摸,用手指第二關節(jié)的背部觸摸,萬一觸電,身體應激反應會很快脫離電源(筆者親歷).千萬不要用手指肚或手掌正面等部位觸摸,萬一觸電,手指手掌會發(fā)生痙攣,一下子勾住電源,就難以脫身從而釀成悲劇.在校園用電中,校方必須配有數(shù)名專業(yè)的電工,培訓上崗,務必保證全天有人值崗巡查,有用電突發(fā)事故能第一時間到達現(xiàn)場并妥善處理,保證校園師生和財產安全.定期對校園師生開展安全用電常識教育(定期講座或開發(fā)成校本課),增強安全用電意識.校園師生若發(fā)現(xiàn)用電事故或隱患務必第一時間上報電工并隔離現(xiàn)場,警示他人.

寫在最后:安全無小事,用電需謹慎.