第8节 安全电路设计
# 1. 电路设计
正如我们前面所看到的，从安全的角度来看，一个没有与地线安全连接的电力系统是不可预测的。没有办法保证电路中的任何一点与地线之间会存在多少或多少电压。
通过将电力系统电压源的一侧接地，可以保证电路中至少有一个点与大地共电，因此不会产生电击危险。在一个简单的两线制电力系统中，与地相连的导体被称为中性线，另一个导体被称为火线，也被称为活线或主动线：
就电压源和负载而言，接地根本就没有什么区别。它的存在纯粹是为了人身安全，保证电路中至少有一个点是可以安全触摸的（对地电压为零）。
电路的 "Hot（火）"端，因其潜在的电击危险而被命名，除非通过适当地切断电源（最好是使用系统的锁定/标记程序）来确保电压，否则触摸它是危险的。
在一个简单的电源电路中，两根导体之间的这种不平衡的危险是需要理解的。下面的一系列插图是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）。
如果我们看一下一个简单的家用电器，如带有导电金属外壳的烤面包机，我们可以看到，当它正常运行时，应该不会有电击危险。通往面包机加热元件的电源线通过橡胶或塑料进行绝缘，不会接触到金属外壳（以及相互之间）。
然而，如果烤面包机内的一根电线意外地接触到金属外壳，外壳将与电线共通，触摸外壳与触摸裸线一样危险。这是否会带来电击危险，取决于意外接触的是哪根电线：
如果“Hot（火）”线与外壳接触，则会将烤面包机的用户置于危险之中。另一方面，如果中性线接触外壳，则没有触电的危险：
为了帮助确保前者比后者更不可能发生故障，工程师们试图在设计电器时尽量减少热导体与外壳的接触。
当然，在理想情况下，你不希望任何一条线意外地与电器的导电外壳接触，但通常有办法设计部件的布局，使一条线的意外接触比另一条线更少。
然而，这种预防措施只有在电源插头的极性能够得到保证时才有效。如果插头可以反转，那么更有可能接触外壳的导体很可能是 "Hot "的那根。
这样设计的电器通常带有 "极化 "插头，插头的一个棱角比另一个略窄。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，而且可以保证电器内导体的身份。请记住，这对电器的基本功能没有任何影响：这完全是为了用户的安全着想。
一些工程师仅仅通过使电器的外部外壳不导电来解决安全问题。这样的电器被称为双重绝缘，因为绝缘外壳是导体本身以上的第二层绝缘。如果电器内部的电线不小心接触到外壳，就不会对电器的使用者造成危险。
其他工程师解决安全问题的方法是保持一个导电的外壳，但使用第三个导体将该外壳与地面牢固连接：
电源线上的第三个插脚提供了从设备外壳到接地的直接电气连接，使两个点在电气上相互共用。如果它们在电气上是通用的，那么它们之间就不会有任何电压降。
至少，它应该是这样工作的。如果热导体意外接触到金属电器外壳，它将通过接地线直接短路回到电压源，从而触发任何过流保护装置。该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脚插座时，切勿将第三个插脚从电源插头上剪掉是如此重要的原因。如果这样做，设备外壳将不会接地，以确保用户安全。
该设备仍然可以正常工作，但如果内部故障导致热线与外壳接触，结果可能是致命的。如果必须使用两脚插座，则可以安装一个二至三脚插座适配器，并将接地线连接到接地盖螺钉。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在负载处结束。可以在电路的电源侧而不是设备本身上设置最终的防触电保护措施。这种保护措施称为接地故障检测，它的工作原理如下：
在正常运行的设备中（如上所示），通过热导体测量的电流应该完全等于通过中性导体的电流，因为电子在电路中流动只有一条路径。电器内部没有故障，电路导体和接触外壳的人之间没有连接，因此不会受到冲击。
但是，如果火线不小心接触到金属外壳，就会有电流通过接触外壳的人。冲击电流的存在将表现为插座处两个电源导体之间的电流差：
“Hot”导体和“中性”导体之间的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，这种电流差可以用作检测故障条件的一种方式。
如果设置了一个设备来测量两个电源导体之间的这种电流差，则可以使用电流不平衡的检测来触发断开开关的打开，从而切断电源并防止严重的电击：
这种装置被称为接地故障电流断路器，简称GFCI。在北美以外地区，GFCI被称为安全开关、剩余电流装置（RCD）、RCBO或RCD/MCB（如果与微型断路器结合），或漏电断路器（ELCB）。
它们非常紧凑，可以内置到电源插座中。这些插座很容易通过其独特的 "测试 "和 "复位 "按钮来识别。使用这种方法来确保安全的最大优势是，无论电器设计如何，它都能发挥作用。
当然，除了GFCI插座外，使用双重绝缘或接地的电器会更好，但令人欣慰的是，在电器的设计和条件之外，还可以做些什么来提高安全性。
故障电弧断路器（AFCI）是一种为防止火灾而设计的断路器，被设计为在间歇性电阻性短路时打开。例如，一个正常的15A的断路器被设计为在负载远远超过15A的额定值时迅速打开电路，而在稍微超过额定值时则比较缓慢。
虽然这可以分别保护直接短路和几秒钟的过载，但它并不能保护电弧--类似于电弧焊接。电弧是一个高度可变的负载，反复达到70A以上的峰值，开路时有交变电流过零。
虽然平均电流不足以使标准断路器跳闸，但却足以引发火灾。这种电弧可能是由金属短路产生的，它将金属烧开，留下一个电离气体的电阻溅射等离子体。
AFCI包含电子电路，可以感知这种间歇性的电阻性短路。它可以防止热对中性线和热对地电弧。AFCI不能像GFCI那样保护个人电击危险。因此，GFCI仍然需要安装在厨房、浴室和室外的电路中。
由于AFCI经常在启动大型电机时跳闸，而且更普遍的是在有刷电机上跳闸，因此根据美国国家电气法规，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电路上运行带有马达的电器时，滋扰性跳闸是一个问题。
# 2. 总结
- 电力系统通常将电源的一侧连接到大地，以确保该点的安全。
- 电力系统中“接地”的导体称为中性导体，而未接地的导体称为火线。
- 电力系统中的接地是为了人身安全，而不是为了负载的运行。
- 设备或其他负载的电气安全性可以通过良好的工程来提高：极化插头、双重绝缘和三相“接地”插头都是可以在负载侧最大限度地提高安全性的方法。
- 接地故障电流中断器 (GFCI) 通过感测向负载供电的两个导体之间的电流差来工作。电流应该没有区别。任何差异都意味着电流必须通过两个主要导体以外的其他方式进入或离开负载，这是不好的。显著的电流差将自动打开断路开关机构，完全切断电源。