零线不为“零” 用电需谨慎

张立那

(石家庄市第一中学 河北 石家庄 050000)

1 校园用电安全是学校教育的重中之重

校园用电安全是当下社会各方面都很关注的热点问题,如图1中媒体所报道的那些触电事故令人触目惊心.我们应该引导学生学会哪些用电常识呢?

图1 媒体报道校园安全事故

知识的价值只有在应用中才能体现出来,学生学完交流电和家庭用电知识后,了解到生活中有火线零线之分,如何安全用电;我们也一直在探讨有关零线上是否有电流的问题,以及零线中如果有电流通过时,人体究竟会不会触电甚至发生危险?

2 三相交流电的产生原理

为解决这些问题,首先我们得必须先了解“三相交流电”是怎么产生的,“三相四线制”到底是怎么回事?

图2 三相交流发电机模型

结合高中所学物理知识,可将三相交流发电过程简化成以下模型,如图3所示.

图3 三相交流发电电动势

在发电机内部有一个转子绕组,绕组有3组线圈,三相绕组分别称为A相、B相和C相,三相绕组彼此相隔120°角.当转子旋转时,绕组切割磁感线而产生3个相位相差120°的电动势,即3个单相交流电.我们照明电路中所使用的就是单相交流电.

把这3个交流电合在一起就组成一个三相交流电.一个理想的三相交流电电动势的数学表达式为

eA=Emsinωt eB=Emsin(ωt-120°)
eC=Emsin(ωt-240°)=Emsin(ωt+120°)
其中,Em是电动势最大值.e-ωt图像如图4所示.

图4 e-ωt图像

在发电机内部我们把3个绕组按一定方式连接起来,如图5所示,一个绕组的尾端与另一个绕组的首端接在一起,另一个绕组的尾端再与下一个绕组的首端接在一起,3个绕组接成一圈,从每个接点接出一条线称为三角形接法;把3个绕组的尾端接在一起,每个首端接出一条线称为星型接法.然后再用3条或4条导线向外界供电.

图5 三相绕组连接方式

3 家用照明电路中零线与火线的概念

我国发电厂和电力网生产、输送和分配的交流电都是三相交流电.工业中大部分的交流电器设备,例如电动机,都采用三相交流电.而在日常生活中,多使用单相电源,也称为照明电(校园用电通常也可视作家用照明电)[1].

当采用照明电供电时,使用三相电其中的一相给用电设备供电,而另外一根线是三相四线制中的第四根线,也就是零线,该零线从三相电的中性点引出,所以也称为中性线.若用星形接法,如图6所示,图中任意火线和零线之间的电压UA、UB、UC称为相电压,大小为220V,一般用于照明电路.火线与火线之间的电压UAB、UAC、UBC称为线电压,经计算其大小为380V,与220V电压等级不同,一般用于工业用电[2].

图6 星型连接中的零线与火线

若将多个用电设备分组接入3个单相220V电压中,应考虑按负载性质和功率大小,合理均匀分布于三相电源的相线上,保持A、B、C三相负载平衡分布(或基本平衡分布).零线上就没有电流(电流很小),或者说三相交流电瞬间的矢量之和为零,可以理解为3根电线并不是同时在输出使用,一根输出时,另外两根少量输出,兼做主力输出的零线使用,回到变压器,从而构成一个循环.这是交流电的基本原理,可以画三个相差120°相位的电流正弦波的矢量图,如图7所示,可以看到在任何角度位置,由基尔霍夫电流定律,中性点上其电流值相加后总是为零.正如图7中0～60°区间内电流从A、C相进,从B相出,零线上没有电流,可以取消零线(局域网主干线公共部分的零线).这种情况与单相交流电和直流电的“回路”概念略有不同.不过,即使零线没有电流,为了安全可靠地工作,实际零线一般也不能取消.

图7 三相交流电中负载电流

但户外的高压输电线均为三相高压线,即3根火线,三相的矢量和为零,或者相对高压线上数百安甚至更大的输送电流来说基本为零,采用三相三线制传送电力,是没有零线的.三相高压线经低压变压器后接入家用电路中.变压器中分别有A、B、C3组初级、次级变压绕组,如图8所示.

图8 家用电路中的变压器连接

在低压供电线路中,在马路边架空的变压器上,可以看到一般均为三进四出接线制,初级的高压侧只3三根火线,次级380V输出端有4根线,其中一根就是零线(地线),在变压器处接地.

4 家用电路中零线电流不为零

零线电流不一定为“零”,误触零线也会触电甚至危及生命,到底为什么呢?

家用照明电路常见为单相交流电,电压220V,当用电器接通后,火线和此时此处零线上的电流是一样大的,除非某部分电路或用电器发生故障,一部分电流“漏电”到地线上或有人体触电(图9),零线电流变小.这也是漏电保护开关的工作原理[3],当检测到电路中有异常的电流信号时,就会触发机构,自动切断故障处的电源.

图9 人体触电(1)

家用电路中,我们用测电笔测的是电势(工业上也称为电位).所谓零线没电是指零线相对于地的电压为零即等电势,指示灯不亮.照明电是单相电,单相设备运行时通过零线与变压器组成闭合回路.所以,在有用电器运行时,家用电路中零线是有电流通过的.既然零线有电流通过,那为什么不伤人呢?

理论上家用电路中零线的电势和大地是一样的,人同时接触大地和零线时两端不存在电势差,即没有电压,自然不会产生流过人体的电流.而实际上导线都有很小的电阻,零线上电势不一定是零,一般几伏到几十伏不等(安全电压36V),相对大地的电压非常低,人体接触后或有部分电流流经人体,相当于人体和部分零线并联,电流通过接触点经人体和大地形成回路,如图10所示,干燥时人体电阻大概几千欧姆,可以理解成人体被短路,流经人体电流很小;若人体皮肤比较潮湿,如上文中提到的“洗澡触电”案例,此时电阻较小,人体电流很大,可能会有触电感觉甚至被电击或电伤,对人体脏器、大脑或神经系统造成严重伤害,所以一定要注意安全用电,如不要私搭私装电线,阴雨天远离电线杆,购买使用合格电器产品,电动自行车不上楼充电等等.如发生触电事故,第一时间用干燥的绝缘物体将患者与电源彻底隔离,切断电源;呼叫帮助或拨打求助电话;如有必要进行心肺复苏等[4-5].

图10 人体触电(2)

零线电势为零或很低,这就是一般都认为零线无电压的原因,如果人体接触的零线在和人接触点的后面断开了[图10(c)],那么零线电压瞬间就升高到和火线差不多220V左右,人就会发生触电现象.也说明了如果零线断了,用电器接通却不工作,此时我们用测电笔测量零线时会发现它是带电的,电势220V.

所以生活中有经验的电工,有时采用站在干燥绝缘的木质椅子上赤手(应佩戴安全绝缘手套)触摸火线,或站在地上赤手触摸零线(专业动作,请勿尝试).

5 结束语

因此,家庭电路中确定零线不带电,当然可以触摸,但是,最好还是不摸,因为你很难确定是不是零线,是否带电.此外,紧急情况下实在需要触摸,用手指第二关节的背部触摸,万一触电,身体应激反应会很快脱离电源(笔者亲历).千万不要用手指肚或手掌正面等部位触摸,万一触电,手指手掌会发生痉挛,一下子勾住电源,就难以脱身从而酿成悲剧.在校园用电中,校方必须配有数名专业的电工,培训上岗,务必保证全天有人值岗巡查,有用电突发事故能第一时间到达现场并妥善处理,保证校园师生和财产安全.定期对校园师生开展安全用电常识教育(定期讲座或开发成校本课),增强安全用电意识.校园师生若发现用电事故或隐患务必第一时间上报电工并隔离现场,警示他人.

写在最后:安全无小事,用电需谨慎.