培训模块五-电工学基础知识（二）
培训项目1 电工学基础知识
二、供配电系统的组成
供配电系统是由电源系统和输配电系统组成的产生电能并供应和输送给用电设备的系统，如图5-1-16所示。具体来说，供配电系统是由发电机、升压变电站、高压输电线路、枢纽/区域降压变电站、终端变（配）电站、高压及低压配电线路和用电设备组成。
图5-1-16 供配电系统组成示意图
目前，我国的高压供电线路等级有3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV和1000kV。电力系统中电压等级可分为低压（1kV以下）、中压（3~35kV）、高压（66~220kV）、超高压（330~750kV）及特高压（交流1000kV以上，直流±800kV以上）。
1.变电站系统的分类
变电站依据其在电力系统中的地位和作用可划分为四类。
（1）系统枢纽变电站
系统枢纽变电站位于电力系统的枢纽点，它的电压是系统最高输电电压，电压等级一般为220kV及以上。
（2）地区一次变电站
地区一次变电站位于地区网络的枢纽点，是与输电主网相连的地区受电端变电站，任务是直接从主网受电，向本供电区域供电。
（3）地区二次变电站
地区二次变电站从地区一次变电站受电，直接向本地区负荷供电，电压等级一般为35kV。
（4）终端变电站
终端变电站在输电线路终端，接近负荷点，经降压后直接向用户供电。主要电气设备有降压主变压器和受电、配电设备及装置，包括开关设备、母线、保护电器、测量仪表及其他电气设备等。
2.低压供配电方式
在低压供配电系统中，三相交流电多采用星形接法、三相四线制供电，三相分别称为U相、V相、W相，如图5-1-17所示。三相四线制是把发电机三个线圈的末端连接在一起，形成一个公共端点（称中性点），用符号“N“表示。从中性点引出的输电线称为中性线。中性线通常与大地相接，并把接地的中性点称为零点，把接地的中性线称为零线。
（1）接地形式文字代号的意义
TN、TT、IT三种形式均使用两个字母表示三相电力系统和电气装置的外露可导电部分（即设备的外壳、底座等）的对地关系。
1）第一个字母表示电力系统的对地关系。
T表示一点直接接地（通常为系统中性点）；I表示不接地（所有带电部分与地隔离，即绝缘），或通过阻抗（电阻器、电抗器）及等值线路接地。
2）第二个字母表示电气装置外露可导电部分的对地关系。
T表示设备外壳接地，它与系统中的其他任何接地点无直接关系；N表示负载采用接零保护。
因此，380V低压配电网按接地方式可分为五类：TT、TN-C、TN-S、TN-C-S、IT。在同一供电系统中采用了保护接地，就不能同时采用保护接零，即同一电网中只能采用同一种接地系统。
（2）各种接地形式的适用条件
1）IT系统。电源中性点不接地或通过阻抗（电阻器、电抗器）接地，电气装置外露可导电部分单独直接接地，如图5-1-18a所示，或通过保护导体接到电力系统的接地极上，如图5-1-1-8b所示。
在电源中性点不接地的配电网中，如果将用电设备的外壳与大地连接起来，可以有效地减小故障时的触电危险性。IT系统的适用范围如下：
①只适用于小范围供电系统。范围越小，分布电容越小，对地绝缘阻抗越大。且小范围供电，用电设备少，出现两台设备同时碰壳（不同相）的可能性小。
②适用于供电可靠性要求高的场所。一般用于不允许停电的场所，或者是要求严格连续供电的地方，例如电力炼钢厂、大医院的手术室、地下矿井等。
③适用于用电环境很差的场所。如地下矿井内供电条件比较差，电缆易受潮。采用IT系统时，即使设备漏电，对地漏电流较小，不会破坏电源电压的平衡，比电源中性点接地的系统更安全。
2）TT系统。TT方式中电源中性点直接接地，电气装置的外露可导电部分接到在电气上与电源接地点无关的独立接地极上，如图5-1-19所示。
当电气设备的金属外壳带电时，由于有接地保护，可以大大减小触电的危险性。但低压断路器（自动开关）不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压。当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏电保护器作为保护。因此，当采用其他防止间接接触电击的措施确有困难，且土壤电阻率较低时，才可考虑采用TT系统。
3）TN系统。电力系统通常把设备金属外壳与保护零线连接的方式称为保护接零。TN系统就是电源中性点直接接地，电气设备外壳与中性点相连的保护接零系统。TN系统中一旦设备出现外壳带电，实际上就是单相对地短路故障，熔断器的熔丝会熔断，低压断路器的脱扣器会立即动作而跳闸，使故障设备断电，比较安全。此类系统又可分为TN-S、TN-C、TN-C-S三种方式。
①TN-S系统。保护零线（地线）PE和工作零线N在整个系统中是分开的，如图5-1-20所示。它是把工作零线N和保护零线PE严格分开的供电系统。
②TN-C系统。保护零线PE和工作零线N在整个系统中是共用的，如图5-1-21所示。
当某相带电部分碰到设备外壳（即外露导电部分）时，通过设备外壳形成相对零线的单相短路，短路电流能促使线路上的短路保护元件迅速断开电源，从而消除电击危险。
③TN-C-S系统。零线和保护零线部分共用，部分分开，如图5-1-22所示。
在建筑施工临时供电中，如果前部分是TN-C方式供电，而施工规范规定施工现场必须采用TN-S方式供电，则可以在系统后部分现场总配电箱分出N线，这种系统称为TN-C-S供电系统。TN-C-S系统是在TN-C系统上临时变通的方法。在三相负载不平衡、建筑施工工地有专用的电力变压器时，必须采用TN-S方式供电系统。
3.电力负荷等级
要保证建筑电气设备正常工作，就必须保证其供电的可靠性，因此建筑应根据其电力负荷等级选择供配电方式。
在供配电系统中，用电设备被称为电力负荷，其大小以功率或电流表示。根据用电设备重要性及中断供电在政治、经济、人身安全上可能造成的损失或影响程度，电力负荷分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。
（1）一级负荷
用电情况符合下列情况之一时，应视为一级负荷：中断供电将造成人身伤害；中断供电将在经济上造成重大损失；中断供电将影响重要用电单位的正常工作。一级负荷供电系统应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到破坏。在一级负荷中，对于当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所中不允许中断供电的负荷，除由两个电源供电外，还应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。
一级负荷适用场所：建筑高度大于50m的乙、丙类生产厂房和丙类物品库房，一类高层民用建筑，一级大型石油化工厂，大型钢铁联合企业，大型物资仓库等。
（2）二级负荷
中断供电将在经济上造成较大损失，或将影响较重要用电单位的正常工作的负荷为二级负荷。
二级负荷供电系统应尽可能采用两回路供电。在负荷较小或地区供电条件较困难的情况下，允许由一回路6kV及以上专用的架空线路供电。当采用非架空线路供电时，由于电缆的故障恢复时间和故障排查时间长，应采用两根电缆线路供电，且每根电缆线路均应能承受100%的二级负荷。
二级负荷适用场所：室外消防用水量大于35L/s的可燃材料堆场，可燃气体储罐（区）和甲、乙类液体储罐（区），粮食仓库及粮食筒仓，二类高层民用建筑， 座位数超过1500个的电影院、剧场，座位数超过3000个的体育馆，任一楼层建筑面积大于3000㎡的商店和展览建筑，省（市）级以上的广播电视、电信和财贸金融建筑，室外消防用水量大于25L/s的其他公共建筑。
（3）三级负荷
除一级负荷、二级负荷之外的负荷为三级负荷。
三级负荷用电设备采用单回路电源供电，其配电设备上有明显标志。其配电线路和控制回路的布置应满足防火分区的要求。
三、常用电气仪表的功能与使用
1.常用电气仪表的分类和工作原理
（1）仪表的分类
1）按照仪表的工作原理，可分为磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表、整流系仪表、感应系仪表、数字系仪表等。
2）按照仪表的测量内容（即测量对象），可分为电压表、电流表、电能表、功率表、功率因数表等。
3）按照被测电流的性质，可分为直流电表（简称直流表）和交流电表（交流表）。除了直流表和交流表以外，还有一种交流直流两用表。
4）按照仪表的安装方式，可分为安装式仪表和便携式仪表。
5）按照仪表的使用方式，可分为垂直安装仪表和水平使用仪表。
（2）仪表的工作原理
仪表的工作原理决定了仪表的性能、适用场合、价格等，是选择仪表的基本依据。工作原理不同的仪表，测量原理和测量机构的结构也不相同。
1）磁电系仪表。通电导体在磁场中会因受力而运动，而且电流越大，受力也越大。利用这样一种电磁现象制造的仪表称为磁电系仪表。
磁电系仪表的突出特点是灵敏度和准确度都很高。然而它只能测量直流量，不能测量交流量。磁电系仪表主要用来制作直流电流表和直流电压表。
2）电磁系仪表。电磁系仪表中，磁场不是由永久磁铁建立的，而是由通电线圈建立的。线圈中的电流越大，产生的磁场也越强，对铁的吸引力也越大。与磁电系仪表相比，电磁系仪表的准确度和灵敏度都比较差，但它能够测量交流量，而且价格便宜。因此，在对于准确度要求不是很高的情况，电磁系仪表有着广泛的应用。
3）电动系仪表。电动系仪表可以看成是由磁电系仪表演变而来的。
电动系仪表的应用不如前面介绍的两种仪表广泛，如测量电功率的功率表就属于电动系仪表。
4）整流系仪表。磁电系仪表加装整流装置，使得交流电通过整流变成直流电，磁电系仪表也就变成了能够测量交流量的仪表。这种加上了整流装置的磁电系仪表称为整流系仪表。
5）感应系仪表。常见的电能表即为感应系仪表。感应系仪表的工作原理比较复杂，本书不做介绍。
2.仪表的准确度
仪表的准确度用来说明仪表的准确程度。仪表的准确度越高，测量的误差就越小。通常，仪表的准确度分成七个等级，分别是0.1级、0.2级、0.5级、1级、1.5级、2.5级、5.0级。数值越大，测量误差也越大，准确度就越低。一般选用1~2.5级仪表。
3.常用电气计量仪表
（1）电流表
用于测量电路中电流的仪表称为电流表。电流表表盘上注有符号“A”的字样，电流表有直流和交流的区别。测量直流电流时，用磁电系电流表；测量交流电流时，用电磁系电流表。在消防设施巡检工作中，常接触到的电流测量仪表是交流电流表。根据电流表的展现形式，可以分为指针式电流表和数字式电流表，如图5-1-23所示。指针式电流表刻度盘上的最大数值表示它的量程，为充分发挥仪表的准确度，应合理选用仪表的量程。一般被测量电路的数据指示应落在仪表最大量程的1/2~2/3范围内，不能超过仪表的最大 量程，否则测量误差较大。
图5-1-23 电流表
a）指针式电流表 b）数字式电流表
测量交流小电流（小于200A）时，要将电流表串联接入被测电路。而当要测量几百安培以上的交流大电流时，电流表需要与电流互感器配合实现对被测电路电流的测量，且电流表的量程与互感器二次额定值相符。
（2）电压表
用于测量电路中电压的仪表称为电压表，电压表表盘上注有符号“V”的字样，电压表也有直流和交流的区别。在消防设施巡检工作中，常接触到的电压测量仪表是交流电压表。在测量交流电压时，主要用电磁系和铁磁系测量仪表。根据电压表的展现形式，可以分为指针式电压表和数字式电压表，如图5-1-24所示。
图5-1-24 电压表
a）指针式电压表 b）数字式电压袭
指针式电压表量程的选择参照指针式电流表。测量低压交流电相电压（不高于220V）时应选用0-200V的电压表，测量线电压（380V）时，应选用0-380V的电压表。测量时，电压表直接并人被测电路中。测量高电压时，必须使用电压互感器，且电压表的量程与互感器二次额定值相符。
（3）电度表
用来测量电能的仪表称为电度表，又称电能表。电度表根据工作原理不同可分为感应式电度表和电子式电度表，按照电路的不同可分为直流电度表和交流电度表。交流电度表按相线极数又可分为单相电度表和三相电度表，家庭中大多数使用的是单相电度表，如图5-1-25a所示，三相交流电路中使用的是三相电度表，如图5-1-25b所示。
电度表除了能计量日常生产、生活用电情况以外，还能辅助排查电气线路故障原因。例如，关闭整个电气回路上的负载后，电度表盘上的数据还在增长，则说明电路存在漏电情况。
图5-1-25 电度表
a）单相电度表 b）三相电度表
4.常用电气栓修仪表
（1）万用表
1）万用表介绍。万用表是一种具有多用途、多量程的测量仪表。万用表从显示方式来分，可分为指针式万用表和数字式万用表，如图5-1-26所示。
2）万用表电气参数测量
①电流/电压测量
a.明确被测量电路。
b.将万用表挡位拨盘指向电流/电压挡，并选择正确的量程范围。随后正确接入被测电路进行测量，红表笔与电源正极连接，黑表笔与电源负极连接，读取测量数据。
②万用表使用注意事项
a.接线要正确。万用表配有红色和黑色两种颜色表笔，测量直流电压、电流时，要注意电路的正、负极性，红表笔接正极，黑表笔接负极。
b.选挡要准确。确认功能开关与量程挡位匹配。若显示屏显示溢出标记“1“，表明量程挡位选小了，应将量程转至数值较大的挡位上。若不能确认被测量参数的范围，量程挡的选择应遵循由大到小的原则。
c.不能在挡位拨盘指向“Ω”位置时，测量电压值或电流值。
d.使用万用表时，要注意插孔旁边注明的危险标记数据，该数据表示该插孔输入电压、电流的极限值。使用时如果超过此值，就可能损坏仪表，甚至击伤使用者。
（2）钳形电流表
1）钳形电流表用途和组成。钳形电流表主要用于测量正在运行的电气线路电流。电磁式电流互感器的钳形电流表能测量交流电流，霍尔电流传感器的钳形电流表可以测量交流电流和直流电流。钳形电流表功能介绍如图5-1-27所示。
2）钳形电流表电气参数测量
①交流电路电流的测量。首先，明确被测量电路，确认被测电路电流值与钳形电流表量程相匹配。用右手平握钳形电流表，扣动钳口扳机，钳口打开，将被测电缆套入电流钳口中，然后读取显示屏电流数据。测量完毕，关闭钳形电流表电源。
②交流电路漏电流的测量
a.检测原理。火线与零线穿过钳形电流互感器钳口时，正常工作电路中除了工作电流外没有漏电流通过，此时流过检测互感器的电流大小相等、方向相反、总和为零，钳形电流表显示的电流数据也为零。如钳形电流表显示的电流数据不为零，则说明电路中存在漏电电流，此时的数值即漏电电流的大小。常见的漏电电流检测如图5-1-28所示。
图5-1-28 漏电电流检测
b.检测方法。首先确认电路处于正常通电状态，明确被测量电路，并选择钳形电流表的钳接位置。如AC220V电路，选择单相线和中性线测量位置，对AC380V电路，选择三相线和中性线测量位置。用右手平握钳形电流表，扣动钳口扳机，将被测电缆套入电流钳口中。然后观察显示屏电流数据，如果数据为零，则表示该电路无漏电电流；如果数据不为零，则表示该电路有漏电电流。数据的大小表示漏电电流的大小，数值越大，表示漏电情况越严重。测量完毕，关闭钳形电流表电源。
3）钳形电流表使用注意事项
①合理选择钳形电流表量程。在不确定量程的情况下，先选择大量程，后选择小量程，或看铭牌值进行估算。如实际测量电流数据大于钳形电流表量程，则会对钳形电流表造成损坏。
②当使用最小量程测量时，如果钳形电流表量程较大，可将被测导线绕几匝，读数要以钳口中央的匝数为准，则实际量值=读数/匝数。
③使用钳形电流表时，尽量远离强磁场。
④测量时，应使被测导线处在钳口的中央，并使钳口闭合紧密。
（3）兆欧表
1）兆欧表使用前的检查
①外观检查。兆欧表使用前应做好检查工作，以确保安全操作。兆欧表的结构如图5-1-29所示。先检查外观，兆欧表的外观检查主要包括：表的外壳是否完好；接线端子、摇柄、表头等状态是否完好；测试用导线是否完好。使用前，兆欧表指针可停留在任意位置，这并不影响最后的测量结果，如图5-1-30a所示。
②开路试验。将兆欧表平稳放置于绝缘物上，将一条表线接在兆欧表“E”端，另一条接在“L”端。表位放平稳，摇动手柄，使发电机转速达到额定转速120r/min这时指针应指向标尺的“∞“位置（有的兆欧表上有“∞“调节器，可调节使指针指在“∞“位置），如图5-1-30b所示。
③短路试验。将“L““E“两端子短接，由慢到快摇动手柄，指针应指向标尺的“0“刻度线处，如图5-1-30c所示。否则，说明兆欧表有故障，需要检修。
2）用兆欧表测量三相异步电动机的绝缘电阻
①选用兆欧表。通常，测量额定电压在500V以下的电动机，选择500V兆欧表；测量额定电压为500~3000V的电动机，选择1000V兆欧表；测量额定电压在3000V以上的电动机，选择2500V兆欧表；额定电压在500V以下的新电动机在使用前应使用1000V兆欧表进行测量。
②测量三相异步电动机相对地的绝缘电阻。测量时，应先拆除电动机与电源的连线，不拆除电动机的封星或封角的连接片。将兆欧表上接地（E）端与电动机的接地端（外壳）相接，线路（1）端接在电动机六个接线柱中的任意一个上，然后匀速摇动摇柄，转速以120r/min为宜，待指针稳定，所读取的兆欧表数值即为绕组对地绝缘电阻。
③测量三相异步电动机的相间绝缘电阻。相间绝缘电阻是指三相绕组彼此之间的绝缘电阻。测量相间绝缘电阻时，先将电动机三相绕组的封接点断开，兆欧表的L与E端子分别接电动机的U、V两相绕组，然后均匀摇动摇柄达到120r/min，待指针稳定，所读取的兆欧表数值即为电动机的U、V两相绕组之间的绝缘电阻。同理可视IJ出其他两相绕组之间的绝缘电阻。
④用兆欧表测量三相异步电动机的绝缘合格的判定标准。额定电压在500V以下的电动机绝缘电阻最低合格值均为0.5MΩ。新安装的电动机绝缘电阻合格值不得低于1MΩ。测量的电动机绝缘电阻值大于最低合格值，该电动机的绝缘电阻满足运行要求，可以使用。
（4）接地电阻测量仪
ZC-8型4端钮接地电阻测量仪面板如图5-1-31所示。
1）接地电阻测量仪使用前做短路试验。仪表的短路试验目的是检查仪表的准确度，方法是将仪表的接线端钮C1、P1、P2、C2（或C、P、E）用裸铜线短接。摇动仪表摇把后，指针向左偏转，此时边摇边调整标度盘旋钮。当指针与中心刻度线重合时，指针应指向标度盘上的“0“刻度线，即指针、中心刻度线和标度盘上“0“刻度线三者成直线。若指针与中心刻度线重合时未指向“0“刻度线，如差一点或过一点则说明仪表本身就不准确，测出的数值也不会准确。
2）用接地电阻测量仪测量接地装置的电阻值
①测量前的准备工作
a.将被测量的电气设备断电，被测的接地装置应退出使用。
b.断开接地装置的干线与支线的分接点（断接卡子），如果测量接线处有氧化膜或锈蚀，要用砂纸打磨干净。
c.在距被测接地体20m和40m处，分别向大地打入两根金属棒作为辅助电极，并保证这两根辅助电极与接地体在一条直线上。
②正确接线。将3根测试线（5m线、20m线、40m线）先分别与接地体E'和两个辅助电极C'、P'连接好，再按下列要求与表的端钮连接。
a.3端钮的接地电阻测量仪，其E、P、C端分别与连接接地体E'（5m线）、电位电极P'（20m线）、电流电极C'（40m线）的连接线相接，如图5-1-32所示。
b.4端钮的接地电阻测量仪，先将仪表端P\与C\用短接片短接起来，当作E端钮使用，然后将5m测试线一端接在该端子上，另一端接接地体E'将20m线接在P2端子上，另一端与电位电极P'连接；将40m线接在C2端子上，另一端与电流电极c'连接，如图5-1-33所示。
c.若测量小于1Ω的接地电阻，先将接地电阻测量仪接线端分别用导线接到被测接地体上，其接线方法如图5-1-34所示。
图5-1-32 3端钮接地电阻测量仪接线
图5-1-33 4端钮接地电阻测量仪接线
图5-1-34 4端钮接地电阻测量仪测量小于1Ω电阻的接线
③正确测量。测量步骤如下：
a.慢慢转动发电机手柄，同时调节接地电阻测量仪标度盘调节旋钮，使检流计的指针指向中心刻度线。如果指针向中心刻度线左侧偏转，应向右旋转标度盘调节旋钮；如果指针向中心刻度线右侧偏转，应向左旋转标度盘调节旋钮。随着不断调整，检流计的指针应逐渐指向中心刻度线。
b.当检流计指针接近中心刻度线时，应加快转动发电机手柄，使转速达到120r/min，并仔细调整标度盘调节旋钮，检流计的指针对准中心刻度线之后停止转动发电机手柄。
c.若调节仪表刻度盘时，接地电阻测量仪标度盘显示的电阻值小于1Ω，应重新选择倍率，并重新调节仪表标度盘调节旋钮，以得到正确的测量结果。
④正确读数。
读取数据时，应根据所选择的倍率和标度盘上指示数来共同确定。测量完毕，先拆去接地电阻测量仪的接线，然后将3条测试线收回，拔出插入大地的辅助电极，放入工具袋里。将接地电阻测量仪存放于干燥通风、无尘、无腐蚀性气体的场所。
（5）红外测温仪
1）红外测温仪介绍。红外测温原理：一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其波长分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。这种通过红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号，经过仪器内部算法和校正后得出被测目标的温度值的仪器称为红外测温仪，如图5-1-35所示。
红外测温仪主要采用非接触测量的方式，具有测温范围广、测量速度快、准确度高等优点，也存在易受环境影响、对于光亮或者抛光的金属表面测温误差大、不方便测量物体内部温度等缺点。
2）红外测温仪温度参数测量。将红外测混仪镜头正对被测物体，按住开关将进行测量，屏幕上显示的是被测物体温度。在视线不清或者黑暗的环境中使用该仪器，先松开电源开关按钮，然后按一下镭射/背光灯按键，屏幕上将显示锚射/背光灯符号，这时按下开关测量，将会看到被测物体上出现红色小点，表明正在对该区域进行测温，如图5-1-36所示。使用完毕，盖上镜头盖，放入携带箱内保存。
3）红外测温仪使用注意事项
①测温范围是测温仪最重要的一个性能指标，每种型号的红外测温仪都有自己特定的测温范围。在选择红外测温仪时，一定要考虑测温范围，既不要过窄，也不要过宽。
②在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视场，干扰测温读数，造成误差。
③光学分辨率由红外测温仪到被测物之间的距离D与测量光斑直径S之比确定。如D：S=12：1，表示当测量距离为12m远时，覆盖测量面积为直径1米的圆，如果大于12m处存在一个1m直径的物体，测量的物体温度将不准确。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，测温仪的价格也越高。
④红外测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，如果测温仪突然暴露在环境温差为20℃或更高的情况下，测量数据将不准确，需要对红外测温仪进行温度平衡后再取其测量的温度值。
⑤当环境温度过高，存在灰尘、烟雾和蒸汽时，可选用厂商提供的保护套、水冷却系统、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地保护测温仪，实现准确测温。
