安全电路设计

正如我们之前看到的，从安全角度来看，没有安全接地连接的电力系统是不可预测的。没有办法保证电路中任何一点与大地之间存在多少或多少电压。

通过将电力系统电压源的一侧接地，可以确保电路中至少有一点与大地电气共用，因此不存在电击危险。在简单的两线制电力系统中，接地的导体称为中性 , 另一个导体被称为 hot ，也称为直播 或 active :

就电压源和负载而言，接地没有任何区别。它的存在纯粹是为了人身安全，通过保证电路中至少有一点可以安全触摸（对地零电压）。

电路的“热”侧以其潜在的电击危险而得名，除非通过与电源的正确断开来确保电压（理想情况下，使用系统的锁定/挂牌程序），否则触摸会很危险。

理解简单电源电路中两个导体之间危险的这种不平衡很重要。以下系列插图基于常见的家庭布线系统（为简单起见，使用直流电压源而不是交流电压源）。

如果我们看一个简单的家用电器，例如带有导电金属外壳的烤面包机，我们可以看到它在正常运行时应该不会有触电的危险。为烤面包机的加热元件供电的电线通过橡胶或塑料与金属外壳（以及彼此）绝缘。

然而，如果烤面包机内的一根电线意外接触到金属外壳，外壳将与电线在电气上共用，触摸外壳与触摸裸露的电线一样危险。这是否存在电击危险取决于哪个 电线不小心碰到了：

如果“热”线接触到外壳，则会将烤面包机的用户置于危险之中。另一方面，如果零线接触到外壳，则没有触电的危险：

为帮助确保前者发生故障的可能性小于后者，工程师尝试设计电器以尽量减少热导体与外壳的接触。

理想情况下，当然，您不希望任何一根电线意外接触到电器的导电外壳，但通常有一些方法可以设计零件的布局，使一根电线意外接触的可能性比另一根电线更小。

但是，这种预防措施只有在可以保证电源插头极性的情况下才有效。如果插头可以接反，那么更可能接触外壳的导体很可能是“热”导体：

以这种方式设计的电器通常带有“极化”插头，插头的一个插脚比另一个稍窄。电源插座也是这样设计的，一个槽比另一个窄。

因此，插头不能“向后”插入，并且可以保证电器内部的导体特性。请记住，这对设备的基本功能没有任何影响：这完全是为了用户安全。

一些工程师简单地通过使设备的外壳不导电来解决安全问题。这种电器被称为双重绝缘 因为绝缘外壳用作导体本身之上和之外的第二层绝缘。如果设备内部的电线意外接触到外壳，则不会对设备用户造成危险。

其他工程师通过维护一个导电外壳来解决安全问题，但使用第三个导体将该外壳牢固地连接到地面：

电源线上的第三个插脚提供了从电器外壳到大地的直接电气连接，使两个点彼此电气共用。如果它们在电气上是公共的，那么它们之间不会有任何电压降。

至少，它应该是这样工作的。如果热导体不小心接触到金属电器外壳，它将通过地线直接短路回到电压源，从而使任何过流保护装置跳闸。设备的用户将保持安全。

这就是为什么在尝试将电源插头插入双插脚插座时永远不要切断电源插头的第三个插脚是如此重要。如果这样做，设备外壳将不会接地以确保用户安全。

设备仍将正常运行，但如果发生内部故障，使热线接触到外壳，结果可能是致命的。如果一个二叉插座必须 使用时，可以使用连接到接地盖螺钉的接地线安装 2 到 3 爪插座适配器。这将在插入此类插座时保持接地设备的安全。

然而，电气安全工程不一定以负载结束。可以在电路的电源侧而不是电器本身设置最后的防电击保护措施。这种保护措施称为接地故障检测 ，它是这样工作的：

在正常运行的电器中（如上所示），通过火线测得的电流应与通过中性线的电流完全相等，因为电子在电路中只有一条路径。电器内部无故障，电路导体与接触外壳的人没有任何连接，因此不会受到电击。

但是，如果热线不小心接触到金属外壳，接触外壳的人就会有电流通过。冲击电流的存在会表现为差异 插座上两个电源导体之间的电流：

“热”导体和“中性”导体之间的这种电流差异只有在有电流通过接地连接时才会存在，这意味着系统中存在故障。因此，这种电流差异可以用作检测 故障情况。

如果设置了一个设备来测量两个电源导体之间的电流差异，则可以使用电流不平衡检测来触发断开隔离开关的打开，从而切断电源并防止严重电击：

此类设备称为接地故障电流断路器 ，或简称 GFCI。在北美以外，GFCI 被称为安全开关、剩余电流装置 (RCD)、RCBO 或 RCD/MCB（如果与微型断路器或漏电断路器 (ELCB) 结合使用）。

它们足够紧凑，可以内置到电源插座中。这些插座通过其独特的“测试”和“复位”按钮很容易识别。使用这种方法来确保安全的一大优势是它的工作原理与设备设计无关。

当然，除了 GFCI 插座之外，使用双重绝缘或接地设备会更好，但令人欣慰的是，可以采取一些措施来提高设备的设计和条件之外的安全性。

电弧故障断路器（AFCI） ，一种旨在防止火灾的断路器，旨在在间歇性电阻短路时断开。例如，一个普通的 15 A 断路器设计为在负载远远超过 15 A 额定值时快速断开电路，稍稍超出额定值则更慢。

虽然这可以分别防止直接短路和几秒钟的过载，但它不能防止电弧——类似于电弧焊接。电弧是一种高度可变的负载，重复峰值超过 70 A，开路，交流电流过零。

尽管平均电流不足以使标准断路器跳闸，但足以引发火灾。这种电弧可能是由金属短路引起的，该短路将金属烧开，留下电离气体的电阻溅射等离子体。

AFCI 包含检测这种间歇性电阻短路的电子电路。它可以防止热电弧到中性电弧和热对地电弧。 AFCI 不像 GFCI 那样可以防止人身电击危险。因此，GFCI 仍然需要安装在厨房、浴室和户外电路中。

由于 AFCI 经常在启动大型电机时跳闸，更常见的是在有刷电机上，根据美国国家电气规范，其安装仅限于卧室电路。使用 AFCI 应减少电气火灾的数量。然而，在 AFCI 电路上运行带有电机的电器时出现麻烦的跳闸是一个问题。

评论：

• 电力系统通常将电源的一侧接地以确保此时的安全。
• 电力系统中的“接地”导体称为中性 导体，而未接地的导体称为热 .
• 电力系统接地是为了人身安全，而不是为了负载的运行。
• 良好的工程设计可以提高电器或其他负载的电气安全：极化插头、双重绝缘和三相“接地”插头都是在负载侧最大限度地提高安全性的方法。
• 接地故障电流断路器 (GFCI) 通过感测向负载供电的两条导体之间的电流差异来工作。电流应该没有区别。任何差异都意味着电流必须通过两条主导线以外的其他方式进入或离开负载，这是不好的。显着的电流差异会自动打开隔离开关机制，完全切断电源。

相关工作表：

• 安全接地工作表
• 过流保护工作表