張立那

(石家莊市第一中學(xué) 河北 石家莊 050000)

1 校園用電安全是學(xué)校教育的重中之重

校園用電安全是當(dāng)下社會(huì)各方面都很關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,如圖1中媒體所報(bào)道的那些觸電事故令人觸目驚心.我們應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)哪些用電常識(shí)呢?

圖1 媒體報(bào)道校園安全事故

知識(shí)的價(jià)值只有在應(yīng)用中才能體現(xiàn)出來(lái),學(xué)生學(xué)完交流電和家庭用電知識(shí)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(guān)零線上是否有電流的問(wèn)題,以及零線中如果有電流通過(guò)時(shí),人體究竟會(huì)不會(huì)觸電甚至發(fā)生危險(xiǎn)?

2 三相交流電的產(chǎn)生原理

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

圖2 三相交流發(fā)電機(jī)模型

結(jié)合高中所學(xué)物理知識(shí),可將三相交流發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)化成以下模型,如圖3所示.

圖3 三相交流發(fā)電電動(dòng)勢(shì)

在發(fā)電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),繞組切割磁感線而產(chǎn)生3個(gè)相位相差120°的電動(dòng)勢(shì),即3個(gè)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(gè)交流電合在一起就組成一個(gè)三相交流電.一個(gè)理想的三相交流電電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

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

圖4 e-ωt圖像

在發(fā)電機(jī)內(nèi)部我們把3個(gè)繞組按一定方式連接起來(lái),如圖5所示,一個(gè)繞組的尾端與另一個(gè)繞組的首端接在一起,另一個(gè)繞組的尾端再與下一個(gè)繞組的首端接在一起,3個(gè)繞組接成一圈,從每個(gè)接點(diǎn)接出一條線稱為三角形接法;把3個(gè)繞組的尾端接在一起,每個(gè)首端接出一條線稱為星型接法.然后再用3條或4條導(dǎo)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(guó)發(fā)電廠和電力網(wǎng)生產(chǎn)、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(shè)備,例如電動(dòng)機(jī),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(dāng)采用照明電供電時(shí),使用三相電其中的一相給用電設(shè)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(diǎn)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(jīng)計(jì)算其大小為380V,與220V電壓等級(jí)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(gè)用電設(shè)備分組接入3個(gè)單相220V電壓中,應(yīng)考慮按負(fù)載性質(zhì)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(fù)載平衡分布(或基本平衡分布).零線上就沒(méi)有電流(電流很小),或者說(shuō)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(shí)在輸出使用,一根輸出時(shí),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(gòu)成一個(gè)循環(huán).這是交流電的基本原理,可以畫(huà)三個(gè)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(diǎn)上其電流值相加后總是為零.正如圖7中0～60°區(qū)間內(nèi)電流從A、C相進(jìn),從B相出,零線上沒(méi)有電流,可以取消零線(局域網(wǎng)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(guò),即使零線沒(méi)有電流,為了安全可靠地工作,實(shí)際零線一般也不能取消.

圖7 三相交流電中負(fù)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(duì)高壓線上數(shù)百安甚至更大的輸送電流來(lái)說(shuō)基本為零,采用三相三線制傳送電力,是沒(méi)有零線的.三相高壓線經(jīng)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(jí)、次級(jí)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(jìn)四出接線制,初級(jí)的高壓側(cè)只3三根火線,次級(jí)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(huì)觸電甚至危及生命,到底為什么呢?

家用照明電路常見(jiàn)為單相交流電,電壓220V,當(dāng)用電器接通后,火線和此時(shí)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(hù)開(kāi)關(guān)的工作原理[3],當(dāng)檢測(cè)到電路中有異常的電流信號(hào)時(shí),就會(huì)觸發(fā)機(jī)構(gòu),自動(dòng)切斷故障處的電源.

圖9 人體觸電(1)

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

理論上家用電路中零線的電勢(shì)和大地是一樣的,人同時(shí)接觸大地和零線時(shí)兩端不存在電勢(shì)差,即沒(méi)有電壓,自然不會(huì)產(chǎn)生流過(guò)人體的電流.而實(shí)際上導(dǎo)線都有很小的電阻,零線上電勢(shì)不一定是零,一般幾伏到幾十伏不等(安全電壓36V),相對(duì)大地的電壓非常低,人體接觸后或有部分電流流經(jīng)人體,相當(dāng)于人體和部分零線并聯(lián),電流通過(guò)接觸點(diǎn)經(jīng)人體和大地形成回路,如圖10所示,干燥時(shí)人體電阻大概幾千歐姆,可以理解成人體被短路,流經(jīng)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(shí)電阻較小,人體電流很大,可能會(huì)有觸電感覺(jué)甚至被電擊或電傷,對(duì)人體臟器、大腦或神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)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(yuǎn)離電線桿,購(gòu)買使用合格電器產(chǎn)品,電動(dòng)自行車不上樓充電等等.如發(fā)生觸電事故,第一時(shí)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(jìn)行心肺復(fù)蘇等[4-5].

圖10 人體觸電(2)

零線電勢(shì)為零或很低,這就是一般都認(rèn)為零線無(wú)電壓的原因,如果人體接觸的零線在和人接觸點(diǎn)的后面斷開(kāi)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(huì)發(fā)生觸電現(xiàn)象.也說(shuō)明了如果零線斷了,用電器接通卻不工作,此時(shí)我們用測(cè)電筆測(cè)量零線時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它是帶電的,電勢(shì)220V.

所以生活中有經(jīng)驗(yàn)的電工,有時(shí)采用站在干燥絕緣的木質(zhì)椅子上赤手(應(yīng)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(dòng)作,請(qǐng)勿嘗試).

5 結(jié)束語(yǔ)

因此,家庭電路中確定零線不帶電,當(dāng)然可以觸摸,但是,最好還是不摸,因?yàn)槟愫茈y確定是不是零線,是否帶電.此外,緊急情況下實(shí)在需要觸摸,用手指第二關(guān)節(jié)的背部觸摸,萬(wàn)一觸電,身體應(yīng)激反應(yīng)會(huì)很快脫離電源(筆者親歷).千萬(wàn)不要用手指肚或手掌正面等部位觸摸,萬(wàn)一觸電,手指手掌會(huì)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(xùn)上崗,務(wù)必保證全天有人值崗巡查,有用電突發(fā)事故能第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并妥善處理,保證校園師生和財(cái)產(chǎn)安全.定期對(duì)校園師生開(kāi)展安全用電常識(shí)教育(定期講座或開(kāi)發(fā)成校本課),增強(qiáng)安全用電意識(shí).校園師生若發(fā)現(xiàn)用電事故或隱患務(wù)必第一時(shí)間上報(bào)電工并隔離現(xiàn)場(chǎng),警示他人.

寫(xiě)在最后:安全無(wú)小事,用電需謹(jǐn)慎.