1.1 電路基礎

1.1.1　電路與電路圖

所謂電路就是將一些電氣設備或元件用一定方式組合起來的電流通路。按功能可分為兩大類。

一類是為了實現能量的傳輸、轉換和分配，這類電路稱為電力電路。例如，電廠發電機發出的電能，通過升壓變壓器、輸電線、變配電站輸送到用電單位，再通過用電設備把電能轉換為其他形式的能量，這便組成了供電電路。

另一類是實現信號的傳遞和處理，這類電路稱為信號電路。例如收音機和電視機中的電路，其功能就是使電信號經過調諧、濾波、放大等環節的處理，而成為人們所需要的其他信號。

電路的組成

不論簡單還是復雜的電路基本都是由電源、負載和中間環節三部分組成的。

電路的模型

由實際電氣元件組成的電路稱為實際電路。實際電氣元件在工作時的電磁性質不是單一的，而是比較復雜的。為了便于對實際電路進行分析和計算，通常是將實際電氣元件用能夠反映其主要電磁特征的理想電路元件來代替。

理想電路元件（簡稱電路元件或元件）是具有某種確定的電磁性能的理想化器件。理想電路元件通常包括電阻元件、電感元件、電容元件、理想電壓源和理想電流源。

前三種元件均不產生能量，稱為無源元件；后兩種元件是電路中提供能量的元件，稱為有源元件。由這些理想電路元件所組成電路就是實際電路的電路模型。

1.1.2　電流與電壓

電流

電荷在電路中沿著一定方向移動，電路中就有了電流。電流通過導體時會產生各種效應，可以根據產生的效應的大小來判斷電流的大小。把一只小燈泡用導線跟一節干電池連通，再把這只小燈泡跟兩節干電池連通，注意觀察這兩種情況下小燈泡的發光亮度。

對同一小燈泡，越亮就表示通過它的電流產生的效應越大，也就是電流越大。

電流是由電荷的移動形成的，在一定時間內，通過導體某一橫截面的電荷越多，即電量越多，電流就越大。電流的大小用電流強度（簡稱電流）表示，電流強度等于1s內通過導體橫截面的電量。國際上通常用字母I表示電流，如果用Q表示通過導體橫截面的電量，t表示通電時間，那么就有：

在相同的時間里，通過橫截面S的電荷少，電流就小；通過橫截面S的電荷多，電流就大。如果在10s內通過導體橫截面的電量是20C，那么導體中的電流：

電流強度的單位是安培，簡稱安，符號為A。在實際生活中，安培是一個常用的單位，但對于小電流，常用的單位為毫安（mA）、微安（μA）。換算公式是：1A＝103mA＝106μA；而對于大電流，常用的單位為千安（即103A，符號為kA）。

金屬導體中有大量的帶有負電荷的自由電子，自由電子的流動形成金屬導體中的電流。規定正電荷定向流動方向為電流方向，這與電子流動方向相反，所以電流方向從電源正極指向負極。電荷有兩種，電路中有電流時，發生定向移動的電荷可能是正電荷，也可能是負電荷，還可能是正負電荷同時向相反方向發生定向移動。

電壓

電場中任意兩點間的電位之差稱為兩點間的電壓。電壓與水壓相似，水壓越大，水流越急，反之水壓越小，水流越緩；電壓越高燈泡就越亮，電壓越低燈泡越暗。

電壓的物理意義是電場力對電荷所做的功。下圖電路中a、b兩點間的電壓Uab等于單位正電荷在電場力的作用下從a點移動到b點所做的功。在電路分析中，電壓的計算經常與電位的概念有關。

電壓分析

在電路分析中，要對電路中的電壓選取參考系，即電壓的參考極性或參考方向，使電壓成為可計算的代數量。電壓的參考方向可以用標在電路圖中的一對“＋”“–”符號來表示。

在電路分析中，通常參考點的選取是任意的，電路中各點的電位數值與參考點的選取有關，而任意兩點間的電壓則等于該兩點電位之差，與參考點的選取無關，例如，ab間電壓Uab＝Va–Vb。因此，電壓與電位差是等同的。

在上圖中：

若電壓U=–2V，則可判斷出實際的電壓極性是b點為正極，a點為負極。

若b點電位高于a點電位2V，可以寫出U＝–2V，Uab＝–2V，Uba＝2V，Va–Vb＝–2V。

在國際單位制中，電壓的單位為伏特（V），其他常用的單位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV），一般用單位伏特表示，簡稱伏；高電壓可以用千伏（kV）表示；低電壓可以用毫伏（mV）表示。

它們之間的換算關系是：1kV＝1000V、1V＝1000mV。

1.1.3　電阻、電位和電動勢

電阻

金屬容易導電，自由電子在金屬中流動時會受到阻礙作用，即導體對電流有阻礙作用。把具有一定幾何形狀、在電路中起阻礙電流作用的元器件稱為電阻器，簡稱電阻。

電阻器可以穩定和調節電路中的電壓、電流，限制電路電流，分配電路電壓。電壓過高時，用電阻分壓；電流過大時，用電阻分流。電阻器大體可分為固定電阻和可調電阻；按材料分又可分為繞線、膜式、實心敏感電阻等。

決定導體電阻值的因素有導體對電流的阻礙程度與導體的長度、導體的材料、導體的截面積。

導體截面積越大，導體電阻越小，截面積越小，導體電阻越大。

在其他因素一定的情況下，導體越長，電阻越大；導體越短，電阻越小；導體的電阻率越大，電阻越大。

大量實驗結果表明：在溫度不變時，導體的電阻（R）跟它的長度（L）成正比，跟它的橫截面積（S）成反比。這就是電阻定律，電阻定律的公式為

在國際單位制中，電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號是Ω。如果導體兩端電壓是1V，通過的電流是1A，這段導體的電阻就是1Ω。其他的電阻單位還有千歐（kΩ）和兆歐（MΩ），它們的換算關系是：

1MΩ＝1×106Ω，1kΩ＝1×103Ω

電位

正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電量的比稱為該點的電位。

電路中的電位是相對的，與參考點的選擇有關，某點的電位等于該點與參考點間的電壓。在實際電路中，參考點通常選為大地、機器外殼或某一個公共連接點，該點的電位Va=0。

若電場中選擇不同的參考點，某點的電位也是不同的。為了方便，把參考點的電位規定為零，高于參考點的電位為正，反之為負。實際用電器的底板和金屬外殼常作為參考點。電位的單位是伏特（簡稱伏），用字母V來表示。

常用的單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）。1kV＝1×103V＝1×106mV。

電動勢

要想得到持續的電流，離不開電源，電源具有電動勢。或者說，電源內部非靜電力移送單位正電荷，將其從電源的負極移至正極所做的功，叫電源的電動勢。

電動勢是反映電源把其他形式的能轉換成電能的本領的物理量。電動勢使電源兩端產生電壓。

電動勢方向指電位升高的方向。在電源內部，由低電位端指向高電位端，即由電源負極指向電源正極。電動勢的符號是e。在國際單位制中，電動勢的單位為V（伏特），其他常用的單位有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）。

電動勢與電壓的區別

電動勢和電壓的物理意義不同，電動勢表示了外力（非電場力）做功的能力，而電壓表示電場做功的能力，例如新電池做功能力很強，電能充足，但長時間使用后做功的能力會大大下降，這時電壓也低了。

電動勢只存在于電源的內部，而電壓存在于電源的兩端，并且存在于電源外部電路中，即電路中的兩點之間。

兩者方向不同。電動勢有方向，在電源的內部，電動勢方向與電壓方向相反，電動勢方向是電位升高的方向，而電壓方向是指向電位降低的方向。

1.1.4　電路的三種狀態

通路

開路

斷路

1.1.5　接地與接零

接地

接地是指電力系統和電氣裝置的中性點、電氣設備的外露導電部分和裝置外導電部分經由導體與大地相連。

當外殼接地的電氣設備發生碰殼短路或帶電的相線斷線觸及地面時，電流就從電氣設備的接地體或相線觸地點向大地作半球形流散，使其附近的地表面產生跨步電壓。距觸地點越近的地方，單位距離內的電壓降越高，距觸地點越遠的地方，電壓降越低。通常，在直徑20m范圍以外，電壓降接近于零（即“零”電位）。

接地裝置

用金屬導線將電氣設備需要接地的部分與埋入地中（直接接觸大地）的金屬導體可靠地連接起來，稱為接地。其中：金屬導線稱為接地線，埋入地中的金屬導體稱為接地體。接地體和接地線總稱為接地裝置。

接地體

接地線

接地線分為自然接地線和人工接地線。為其他用途裝設的金屬導線，兼作接地線，稱為自然接地線。為接地需要專門安裝的金屬導線，稱為人工接地線。

接地裝置按接地體的多少分為單極接地裝置、多極接地裝置和接地網絡三種。

接地的種類

按照接地作用的不同，接地可分為工作接地、保護接地、保護接零和重復接地等方式。

工作接地

為保證電氣設備能可靠地運行，將電力系統中的變壓器低壓側中性點接地，稱為工作接地。

保護接地

將所有的電氣設備不帶電的部分，如金屬外殼、金屬構架和操作機構及互感器二次繞組的負極，妥善而緊密地進行接地，稱為保護接地。

保護接地適用于中性點不接地的低壓電網。由于接地裝置的接地電阻很小，絕緣擊穿后用電設備的熔體就熔斷。即使不立即熔斷，也會使電氣設備的外殼對地電壓大大降低，人體與帶電外殼接觸，不致發生觸電事故。

保護接零

在中性點直接接地系統中，把電氣設備金屬外殼等與電網中的零線作可靠的電氣連接，稱為保護接零。保護接零可以起到保護人身和設備安全的作用。

將變壓器和發電機直接接地的中性線連接起來的導線稱為零線。在中性點直接接地的380/220V三相四線制電力網中，將電動機等電氣設備的金屬外殼與零線用導線連接起來，稱為保護接零，簡稱接零。

保護接零的作用是，當單相短路時，使電路中的保護裝置（如熔斷器、漏電保護器等）迅速動作，將電源切斷，確保人身安全。

在低壓電網中，零線除應在電源（發電機或變壓器）的中性點進行工作接地以外，還應在零線的其他地方進行三處以上的接地，這種接地稱為重復接地。

重復接地連接示意圖

無重復接地，斷路時增加觸電危險

有重復接地，斷路時減少觸電危險

重復接地的作用如下：

減輕零線斷路時的觸電危險

在上頁無重復接地示意圖中，當某相碰殼時，零線斷開后，由于無重復接地，設備外殼所帶的電壓均等于相電壓，危及人身安全。而在有重復接地的情況下，當零線斷路時，由于有重復接地，帶電設備外殼的電壓Up＝IdRp，Rp的電阻值很小（Rp≤10Ω），Up值也遠低于相電壓，從而減輕了觸電危險。

縮短保護裝置的動作時間

在三相四線制供電系統中，保護接零與重復接地配合使用，一旦發生短路故障，重復接地電阻與工作接地電阻便形成并聯電路，線路阻值減小，加大短路電流，使保護裝置更快地動作，縮短故障時間。

降低漏電設備的對地電壓

無重復接地時，漏電設備外殼對地電壓Ud為單相短路電流在零線上產生的電壓降：Ud＝IdZ（Z為ABCD路徑上的阻抗）。有重復接地時，漏電設備外殼對電壓Ud，為接地短路電流在重復接地和工作接地構成的并聯支路上產生的電壓降。顯然，此時漏電設備外殼對地電壓降低，觸電的危險性減小。

改善架空線路的防雷性能

在架空線路的零線上實行重復接地，對雷電流有分流作用。

應重復接地的場合和對重復接地的要求如下：

要求1：關于距離

中性點直接接地低壓線路、架空線路的終端、分支線長度超過200m的分支處以及沿線每隔1km處，零線應重復接地。

要求2：關于接地體

要求3：關于應用場所

要求4：關于接地線纜