家庭电路的设计.docx

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家庭电路的设计

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1绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

古时候人民便想着控制雷电，时至今日电终于融入人们的生活，与人息息相关。

然而电还是存在着危险性，因此需要设计出安全的电路才能安全的运用电能。

安全电压：

不高于36V的电压。

不要接触火线或与火线连通的导体，特别注意原来绝缘的物体导了电。

不要靠近高压带电体，因为高压触电有两种类型：

高压电弧触电和跨步电压触电，不接触也可以触电。

触电处理：

有人发生触电事故，绝不用手拉触电人，应赶快切断电源，或用干燥绝缘体把线挑开；高压触电，宜赶快通知专业人士。

急救：

触电人如果昏迷，应先切断电源，再做人工呼吸，并送医院；如发生火灾，应先断电，再灭火。

1.2运用、市场格局及竞争状况

运用：

接地就是将电器设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以保证电子、电器设备的正常运行和人员的人身安全。

接地从类别来看分为防雷接地、交流工作接地、安全保护接地、直流接地、屏蔽接地与防静电接地。

防雷接地和其他接地（电气安全、防静电、工作地）可能共地，也可能分地。

从应用来说，接地具有更广泛的需求。

常规接地技术主要是利用接地体几何尺寸，实现接地泄流、降低接地电阻的目的,量使用角钢、扁钢等构筑地网。

现在由于各行业新技术、新设备的广泛运用，对接地提出了更多新的要求，接地工程需求增大。

接地技术厂家也为在该行业取得先期市场而积极提高自己的技术优势，多种优化接地技术、新型接地专利产品在市场上逐步兴起.

在接地技术行业，地网材料从钢质—铜质的演变引发了行业对电化学腐蚀的关注，并推动了新型接地材料的问世。

工程技术人员在全面综合接地网的泄流耗散能力、地网结构、寿命和稳定性的基础上构建科学、安全、稳定、持久的整体等电位接地系统

新型接地材料的适用性更加广泛，为接地工程的设计和实施提供了更多的选择，比如：

考虑低电阻的铜包钢接地极、离子接地极；考虑地网结构和稳定的放热焊接技术及产品；考虑综合性价比的复合接地模块；考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等。

由于大量新型接地材料和新技术方案的采用，我国高土壤电阻率条件下的接地技术得到迅速发展。

目前，国内各行业针对自身情况已制订或正在制定比较细致的接地行业标准，国内接地技术规范逐步趋向于与国际技术规范接轨，部分等同采用国际规范。

接地市场格局及竞争状况：

从2000年开始，随着业务需求量的放大，国内新型接地材料厂家数量迅速增加，迄今国内的接地企业总数已逾200家，但市场集中度非常低，除了艾力高、成都桑莱特、北京沃思华、北京金合益、四川中光等几家知名企业外，大部分接地企业还处于资本分散，各自为战，纵向一体化程度较低的状态，时常因信息不对称造成产、销、施工环节脱节，影响工程质量。

目前，各厂家业务基本还集中于自己熟悉的地域或行业。

尽管国内配套企业及工程招标已出现多家供货的情况，但参与投标的厂家数量有限，说明接地行业目前竞争性仍不激烈，还处于朝阳行业初期的蓝海市场状态。

1.3主要研究内容、研究方法及思路

家庭电器设备的安全保护接地问题:

随着国家“家电下乡”政策的实施，全国各地“家电下乡”活动也火热开展起来。

他们在开展“家电下乡”配套服务过程中发现，农村地区低压供电线路多数为三相四线制，农户的进户线路为一火一零两根线，没有接地线。

而有些家用电器，如洗衣机、电冰箱、电饭煲等的产品说明书中，明确要求在使用当中配备带接地的单相电源。

但是，农户家中电源均为单相无接地电源，无法满足这类家电使用的安全要求。

为保证安全金属外壳的家电设备，一般均采用保护接地来避免发生触电事故。

高压电缆接地问题。

按我国的法定规范，高压是指1000伏以上的电力输变电电压或380伏以上的配用电电压。

35kV及以下电压等级的电缆都采用两端接地方式，这是因为这些电缆大多数是三芯电缆，在正常运行中，流过三个线芯的电流总和为零，在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链，这样，在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压，所以两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层。

但是当电压超过35kV时，大多数采用单芯电缆，单芯电缆的线芯与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。

当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层，使它的两端出现感应电压。

防雷接地设计思想。

防雷工程是一项系统工程，要求将外部防雷装置和内部防雷装置统一考虑，着眼于全方位的雷电综合防护，把机房建筑物的防雷、雷电电磁脉冲（LEMP）防护、设备防雷、电源系统防雷、线路防雷、接地系统、保护装置等综合因素考虑在内。

而从EMC（电磁兼容）的观点来看，由外到内可分为几级保护区。

运营楼建筑物外部是直接雷的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为0区；建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,可将其分为1区、2区，越往内部，危险程度越低。

综合运营楼各弱电系统设备机房雷击电磁脉冲防护按A类要求设计，供电电源应采取3-4级电涌保护器（SPD）进行保护。

从而将雷电过电压降低到设备能够承受的水平。

配电网中性点接地方式。

主要分为两大类：

一、有效接地系统，即中性点直接接地系统，包括我们熟知的中性点直接接地和中性点经小电抗接地；二、中性点非有效接地系统，即小电流接地系统，包括中性点不接地，中性点经小电阻接地和中性点经消弧线圈接地三种方式。

电力系统中性点接地方式是一个涉及电力系统许多方面的综合性技术课题，它不仅涉及到电网本身的安全可靠性、过电压绝缘水平的选择，而且对通讯干扰、人身安全有重要影响。

2电路接地的分类及特点

2.1电路接地的分类

在电力系统中，接地是用来保护人身及电力、电子设备安全的重要措施。

通常我们将接地分为工作接地、系统接地、防雷接地、保护接地、直流接地、屏蔽接地与防静电接地、功率接地系统、重复接地,用他们来保护不同的对象，这几种接地形式从目的上来说是没有什么区别的，均是通过接地接地导体将过电压产生的过电流通过接地装置导入大地，从而实现保护的目的。

现代工厂在接地上都要求形成一张严密的网，而所有的被保护对象都挂在这个安全的接地网上，但不同的接地都需要从接地装置处的等电位点连接。

2.2电力系统接地类型的特点

防雷接地:

为把雷电迅速引入大地，以防止雷害为目的的接地。

如避雷针、避雷器的接地防雷装置如与电报设备的工作接地合用一个总的接地网时，接地电阻应符合其最小值要求。

防雷接地，主要是通过将雷电产生的雷击电流通过接地网这一有效途径引入大地，从而对建筑物起到保护作用。

一般有两种避雷方式供选择，其一是避雷针接地，其二是采用法拉第笼方式接地。

它们是两种不同的防雷模式，它们在防雷原理上有显著的区别。

避雷针的原理是空中拦截闪电、使雷电通过自身放电，从而保护建筑物免受雷击，避雷针的保护范围是从地面算起的以避雷针高度为滚球半径的弧线下的面积，对于法拉第笼，它认为避雷针的范围很小，而且在避雷针保护的空间内仍有电磁感应作用，而且避雷针附近是强的电磁感应区，有很大的电位梯度，在它周围有陡的跨步电压存在，在这一范围内的人们有生命危险，鉴于种种观点，现在的防雷接地系统中法拉第笼占有重要地位。

实验证明，一个封闭的金属壳体是全屏蔽的，在雷电流通过时，是沿着壳体的外表面流入大地，而在壳体的内部没有感应电动势及磁通，即雷电流没有对内部的设备产生干扰效应。

而法拉第笼下部的环状接地环、等电位均压网也避免了人在此等电位环境中被雷击的危险。

工作接地:

将电力系统中的某一点，直接或经特殊设备与大地作金属连接。

工作接地主要指的是变压器中性点或中性线（N线）接地。

N线必须用铜芯绝缘线。

在配电中存在辅助等电位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内。

必须注意，该接线端子不能外露；不能与其它接地系统，如直流接地、屏蔽接地、防静电接地等混接；也不能与PE线连接。

在TN-C系统和TN-C-S系统中，为使电路或设备达到运行的要求的接地，如变压器中性点接地。

该接地称为工作接地或配电系统接地。

工作接地的作用是保持系统电位的稳定性，即减轻低压系统由高压窜入低压系统所产生过电压的危险性。

如没有工作接地则当10kV的高压窜入低压时，低压系统的对地电压上升为5800V左右。

当配电网一相故障接地时，工作接地也有抑制电压升高的作用。

如没有工作接地，发生一相接地故障时，中性点对地电压可上升到接近相电压，另两相对地电压可上升到接近线电压。

如有工作接地，由于接地故障电流经工作接地成回路，对地电压的“漂移”受到抑制，在线电压0.4kV的配电网中。

中性点对地电压一般不超过50V，另外两相对地电压一般不超过250V。

安全保护接地:

安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。

即将大楼内的用电设备以及设备附近的一些金属构件，有PE线连接起来，但严禁将PE线与N线连接。

保护接地是当前低压电力网中的一种行之有效的安全保护措施。

通常有两种做法，即接地保护和接零保护。

将设备和用电装置的中性点、外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接是电气工作的一个重点，也就是我们通常说的接地。

将电气设备和用电装置的金属外壳与系统零线相接叫做接零。

由于电力系统中采用保护接地，是我们对用电设备、金属结构及电子等设备采取的接地保护措施，这样就可以避免电器设备漏电、线路破损或绝缘老化漏电等漏电事故造成的伤害。

通过接地导体将可能产生的线路漏电、设备漏电及电磁感应、静电感应等产生的过电压通过接地回路导入大地，而避免设备等的损坏及保证人生的安全。

有了接地保护，可以将漏电电流迅速导入地下，而实现此目的就是要求所有的用电设备、钢结构及电子、仪表设备都要与接地网可靠连接，简单而言，在电力系统中，接地和接零的目的，一是为了电气设备的正常工作，例如工作性接地；二是为了人身和设备安全，如保护性接地和接零。

虽然就接地的性质来说，还有重复接地，防雷接地和静电屏蔽接地等，但其作用都不外是上述两种。

而针对不同的供电系统，这些接地也有不同的选择。

两种不同的保护方式使用的客观环境又不同，如果选择不当，不仅会影响对设备及人身的保护性能，还会影响电网的供电可靠性。

对于不同供电方式所要求的接地系统也有区别，采取的保护措施也不同。

屏蔽接地与防静电接地:

为防止智能化大楼内电子计算机机房干燥环境产生的静电对电子设备的干扰而进行的接地称为防静电接地。

为了防止外来的电磁场干扰，将电子设备外壳体及设备内外的屏蔽线或所穿金属管进行的接地，称为屏蔽接地。

为了避免外界电场对仪器设备的影响,或者为了避免电器设备的电场对外界的影响,用一个空腔导体把外电场遮住,使其内部不受影响,也不使电器设备对外界产生影响,这就叫做静电屏蔽。

空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽,空腔导体接地的屏蔽为全屏蔽。

空腔导体在外电场中处于静电平衡,其内部的场强总等于零。

因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。

若空腔导体内有带电体,在静电平衡时,它的内表面将产生等量异号的感生电荷。

如果外壳不接地则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感生电荷,此时感应电荷的电场将对外界产生影响,这时空腔导体只能对外电场屏蔽,却不能屏蔽内部带电体对外界的影响,。

静电屏蔽接地封闭时内部有电荷电场为何不受外界电场影响_。

如果空腔内有电荷,则空腔导体仍与地等势,导体内无电场（你在导体内外壳之间做高斯面,内部的感应电荷与原电荷相加为零,顾无电场）。

这时因空腔内壁有异号感应电荷,因此空腔内有电场。

此电场由壳内电荷产生,壳外电荷对壳内电场仍无影响。

3家用电器接地简要知识及应用状况

3.1家用电器接地的简要知识

那根被人叫着“地线”的导线，在住宅里，不是真正意义上的地线，而是叫着PE线即保护线，他实际上是从电源端的零线引出的一根线，这种线路叫做保护接零。

有了这根线，当用电器的绝缘发生损坏而漏电时，如果接有漏电开关的，开关就会跳闸而断开电源，从而保护人身安全；即使没有漏电保护开关，由于有了这根线，就相当于用电器的金属外壳是零线，当用电器绝缘发生击穿时就会造成短路，短路电流迫使开关会跳闸，也会保护人身安全。

所以，家用电器，如果外壳是金属的，必须接这根保护线。

家用电器设备由于绝缘性能不好或使用环境潮湿，会导致其外壳带有一定静电，严重时会发生触电事故。

为了避免出现的事故可在电器的金属外壳上面连接一根电线，将电线的另一端接入大地，一旦电器发生漏电时接地线会把静电带入到大地释放掉。

另外对于电器维修人员在使用电烙铁焊接电路时，有时会因为电烙铁带电而击穿损坏电器中的集成电路，这一点比较重要。

用户在安全使用家用电器之前首先要确认家中的电源地线是否安全并可靠地与大地相连，如果家中的接地线没有接好，电器自身接地再完善也起不到保护作用。

如果是Ⅰ设备，配备的电源线本身带接地线，用户要考虑的只是家中的电网地线是否已经安全接地了。

如果有用户能自己更换的电源线，那一定要使用带有接地线的电源软线。

在没有专门接地电源线的情况下，可以将电器的金属外壳通过普通导线和家中的自来水管连接，起到暂时保护的作用。

对于电器的接地，只是一种附加保护措施，安全使用家用电器不能完全依靠接地保护，只有做好了接地保护并掌握一定的安全用电常识、养成良好的用电习惯才能真正做到安全使用家用电器。

3.2家用电器安全性能的简易测试方法

为了确保家用电器具有良好的电气性能，对于电热电器和电动电器要进行泄漏电流和绝缘电气强度试验。

在家用电器产品标准中，一般规定要测试工作温度下的电气绝缘和泄漏电流，试验比较复杂。

为了简化，下面介绍的三种电器安全性能测试，均是在冷态、不连接电源情况下进行。

绝缘电阻测试:

家用电器产品绝缘电阻是评价其绝缘质量好坏的重要标志之一。

绝缘电阻是指家用电器带电部分与外露非带电金属部分之间的电阻。

随着家用电器工业迅速发展和这类产品的普及率大大提高，为确保使用者人身安全，对家用电器的绝缘质量要求也越来越严格。

国际电工委员会（IEC）标准规定测量带电部件与壳体之间的绝缘电阻时，基本绝缘条件的绝缘电阻值不应小于2MΩ；加强绝缘条件的绝缘电阻值不应小于7MΩ；Ⅱ类电器的带电部件和仅用基本绝缘与带电部件隔离的金属部件之间，绝缘电阻值不小于2MΩ；Ⅱ类电器的仅用基本绝缘与带电部件隔离的金属部件和壳体之间，绝缘电阻值不小于5MΩ。

泄漏电流测试:

家用电器的泄漏电流是指电器在加电压作用下，所测试量测到的漏电流，对于各类家用电器，各国家标准也都规定了泄漏电流不应超过的上限值，产品出厂前都要进行测试。

测试时施加电压为家用电器额定电压1.06倍（或1.1倍），在电压施加5sec内进行测量，施加试验电压的部位是家用电器带电部件和仅用基本绝缘与带电部件隔离的壳体之间，以及带电部件和用加强绝缘与带电部件隔离的壳体之间。

如果带电部件和金属壳或金属盖之间距离小于IEC60335-12001《家用和类似用途电器的安全通用要求》第29.1条所规定的适当间隙时，施加试验电压的部位是用绝缘材料做衬里的金属壳或金属盖与贴在衬里内表面的金属箔之间。

1982年10月IEC3351第三次修正时才确定泄漏电流测试线路，标准规定电热器具要测热和潮湿状态下泄漏电流，电动器具要测工作温度状态下泄漏电流。

绝缘电气强度试验:

通用要求规定，电热器具在作温度和湿热试验后均要进行电气强度试验，电动器具只在湿热试验后进行电气强度试验。

家用电器在长期使用过程中，不仅要承受额定电压，还要承受工作过程中短时间内高于额定工作电压的过电压的作用，当过电压达到一定值时，就会使绝缘击穿，家用电器就不能正常工作，使用者就可能触电而危及人身安全。

电气强度试验俗称耐压试验，是衡量电器的绝缘在过电压作用下耐击穿的能力，这也是一种考核该产品是否保证使用安全的可靠手段。

电气强度试验分两种：

一种是直流耐压试验，另一种是交流工频耐压试验。

家用电器产品一般进行交流工频耐压试验。

电气强度试验受试部位和试验电压值，在各产品标准中都作了具体说明和规定。

3.3家用电器的接地状况

目前大多数住宅室内的电源线是一条为相线，俗称火线，一条为中性线，俗称零线。

从家用电器（如洗衣机、电冰箱等）引出的电源线是三芯的，分别用作相线、零线和“地线”，一般接线是相线为红色或棕色塑料套管的，用L表示，中性线是蓝色或黑色套管的线，用N表示，接地线则是黄绿双色的线，用G表示，其中“地线”与电器金属外壳相连。

三线按规定分别接至电源插头上，与插座相对应。

插座必须使用单相三孔插座，并规定为“左零、右火、上接地”。

由于住宅室内的电源线与家用电器的插头线芯数的不同，家用电器的“接地”状况有以下几种：

插痤接地端空缺未用:

大多数用户只在插座的左端接零线，右端接相线（也有少数用户将插座的零线与相线反接）的情况下使用家用电器。

插座的接地端（上端）没有用，这对于家用电器的正常运行没有影响，但没有安全技术保护措施。

电器内部带电部件触及到金属外壳时，则有可能发生触电事故。

插座接地端与左端相连:

这种方式是将工作零线兼作保护零线使用，电器内部带电部件触及到金属外壳时，短路电流通过“地线”到插座接地端，再通过零线形成回路。

这种方当零线断裂或者零线与相线反接时，也会发生危险。

无法起到保护作用，所以不宜提倡这种接线方式。

插座接地端另接接地线:

一种情况是接地线连在自来水管上，另一种情况是接地线通过接地体与大地相连。

前一种情况存在着接地电阻符合要求，则与后一种情况相同，皆属保护接地。

4照明电路设计

4.1照明电路原理图1

图1

4.2家庭照图2

火线：

零线：

图2

4.3电器元件说明：

灯泡：

；

开关和电源插头：

；

灯管：

；

开关：

；

电源装置（电表或空气开关）：

。

阳台灯的自动控制系统：

白天不亮，晚上感应到人自动点亮，离去后自动熄灭。

电路工作原理:

该感应式延时照明灯电路由电源电路、光控电路、单稳态触发器和控制执行电路组成,如图所示.

  电路中,电源电路由降压电容器C1、电阻器R1、整流二极管VD1、VD2,滤波电容器C2和稳压二极管VS组成;光控电路由电位器RP1、RP2、红外发光二极管VL和红外接收光敏晶体管V组成;单稳态触发器由时基集成电路IC,电位器RP2、RP3和电容器C3、C4组成;控制执行电路由电阻器R2和晶闸管VT组成.交流220V电压经C1降压、VD1和VD2整流、C2滤波和VS稳压后,为光控电路和单稳态触发器提供+12V工作电源.

  平时（无人靠近感应式延时照明灯时）,红外接收光敏晶体管V因接收不到VL发出的红外光而处于高阻状态C因2脚为高电平而处于稳态,3脚输出低电平,VT处于截止状态,照明灯EL不亮.

当有人靠近该感应式延时照明灯时,人体将VL发射的红外光线反射回来,V接收到被人体反射回来的红外光后导通,变为低阻状态,使IC的2脚由高电平变为低电平,使IC内电路翻转,由稳态变为暂态,3脚由低电平跳变为高电平,使VT受触发而导通,将EL点亮.与此同时,延迟电容器C4通过IC的7脚内部的放电电路快速放电,使IC的6脚、7脚变为低电平.随后,+12V电压又通过RP3对C4充电,使C4两端电压不断上升.当C4充满电、IC的6脚电压上升至8V以上时（约20min左右）,单稳态触发器翻转（由暂态恢复为稳态）,IC的3脚变为低电平,VT截止,EL熄灭。

  调整RP3的阻值,改变C4的充电时间常数,从而改变照明灯延时点亮的时间。

4.4元器件选择

R1选用1/2W金属膜电阻器;R2选用1/4W金属膜电阻器.

  RP1一RP3均选用密封式可变电阻器.

  C1选用耐压值为400V以上的涤纶电容器或CBB电容器;C2选用耐压值为25V的铝电解电容器;C3选用独石电容器;C4选用耐压值为16V的铝电解电容器.

  VDI和VD2均选用1N4007型硅整流二极管.

  VS选用1N4742（1W、12V）型硅稳压二极管.

  VL和V选用TLP947型一体化红外发射/接收头,使用时应加装滤色片、以防止误触发.,

  IC选用NE555型时基集成电路.

  VT选用MCR100-6型晶闸管.

  EL选用40一loow的白炽灯泡.

电路调试:

调试时,先将RPl一RP3的阻值调至最大.接通电源后,调整RP1的阻值,使VL的工作电流为lOmA左右.再调整RP2的阻值,使V两端电压为9V左右.

感应式照明灯电路

4.5本章小结

本章展示了设计图已经符号表示的意思。

总结

系统地归纳和介绍了电力系统接地的基本理论知识，包括基本构成和优点等，突出了电力系统接地的局限性，引出电力系统接地的意义。

随着人类社会、经济的发展，电已成为人们生活和工作中不可缺少的重要部分，供电的安全性和可靠性是供电质量标准中的最基本而又是最重要的指标。

因而电力系统接地已越来越引起工程技术人员的重视，电力工程的接地不合格，该电力工程就不能通过验收，这已成为广大电力工作人员的共识。

在科学技术迅猛发展的今天，在传统的接地的设计被广泛应用的基础上，新工艺、新技术、新材料的大量涌现，必将使电力系统中的电力系统接地更加可.