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插頭、插座面面觀

發(fā)布時間:2009-10-09

中心議題:
  • 插頭、插座來源
  • 插頭、插座的分類
  • 插座接線極性
  • 辨識接線故障
解決方案:
  • 定位線路故障點
  • 預(yù)估線路帶載能力與電源質(zhì)量
  • 測量導(dǎo)體阻抗

電氣時代,人們通常注重用電器本身的質(zhì)量與性能,卻忽視了:如果供電不滿足要求,任何電器都無法發(fā)揮其最優(yōu)性能,甚至造成火災(zāi)、設(shè)備損壞和人身傷害。大多數(shù)民用和商用電器設(shè)備的供電都來自交流墻壁插座,但如果使用不當(dāng),墻壁插座不僅是電源,還會成為“觸電”和火災(zāi)的根源。

考察墻壁插座的歷史與現(xiàn)狀后會發(fā)現(xiàn),盡管插座本身沒有涉及復(fù)雜高深的技術(shù),而正確地使用好它并非通常認(rèn)為的那么簡單。

一、兩岸青山相對出,孤帆一片日邊來——插頭/座探源

愛迪生發(fā)明的白熾燈把世界帶入了電氣時代,但墻壁插座并非與燈泡同時出現(xiàn)。考慮成本因素,當(dāng)電扇、電烤面包機(jī)、吸塵器、電吹風(fēng)出現(xiàn)時,它們?nèi)匀谎匾u了燈泡的供電方式——接到燈頭座上(圖1.1)。盡管HarveyHubbell在1904年發(fā)明了更方便的2芯插頭/座(圖1.2),但采用燈頭取電的方式一直沿用到20世紀(jì)20年代。
                                                
                                                  圖1.1用螺口燈頭座供電的電烤面包機(jī)圖 

                                                  

                                                          圖 1.2與燈頭螺口兼容的2芯插頭/座

據(jù)說PhilipF.Labre有感于房東太太一次觸電事故,于1928年發(fā)明了帶保護(hù)地線的3芯插頭/座(圖1.3)。引入保護(hù)地線,對安全用電和電氣設(shè)備更可靠地運行具有重大意義。

                                                            
                                                       圖1.3最早的3芯帶保護(hù)地線插座與插頭
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二、虎鼓瑟兮鸞回車,仙之人兮列如麻——種類繁多的插頭/座

交流電墻壁插座的歷史不過80年,此間隨著用電量、用電經(jīng)驗與事故教訓(xùn)的增加,由于技術(shù)、安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素,加之地理、歷史、政治等原因,世界各地在發(fā)展民用電器供電裝置時,并沒有采用美國最初的插座設(shè)計而形成了不同標(biāo)準(zhǔn),使得墻壁插座形式多種多樣。美國商務(wù)部統(tǒng)計了全球常見電源插頭/座(表2.1)樣式,并以字母進(jìn)行了分類。

表2.1美國商務(wù)部統(tǒng)計的插頭/座類型
                               
這些插頭/座大多彼此互不兼容,如果再把同一類型中耐壓、功率的差別計入在內(nèi),種類就更多了。這種情況顯然造成:即使電器設(shè)備供電電壓相同,也無法在不同地區(qū)使用。國際電工委員會(IEC)曾經(jīng)在1986年和1992年頒布了電源插頭/座的國際標(biāo)準(zhǔn):針對250V電壓等級的IEC60906-1和針對125V電壓等級的IEC60906-2。其3芯插頭外觀(圖2.1)類似于表2.1中的J型,由于與全球范圍內(nèi)大多數(shù)插頭/座不兼容(圖2.2),推行受到很大阻力。

                                                          
                                         圖2.1IEC頒布的60906-1/2標(biāo)準(zhǔn)插頭/座

                          
                                     圖2.2IEC60906-1/2與目前全球使用的大多數(shù)插座不兼容

可以預(yù)見,在相當(dāng)長的時間內(nèi),交流電插頭/座還會維持現(xiàn)狀。在不能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而又要解決互換使用的情況下,轉(zhuǎn)接適配器(圖2.3)成為目前行之有效的辦法。實現(xiàn)將某種插座轉(zhuǎn)換成能與多種插頭匹配的樣式(圖2.4)。適配器自身插頭改進(jìn)后,適用范圍可更廣。

                                       
                                                           圖2.3轉(zhuǎn)接適配器樣式








                                   圖2.4轉(zhuǎn)接適配器自身插頭樣式

不過問題尚未徹底解決。因為插頭/座的互連互通不僅要解決機(jī)械連接,還要求電氣連接正確,而且更為重要。觀察轉(zhuǎn)接適配器,尤其采用兩芯接入方式的,它們雖然很還好地解決了不同插頭的機(jī)械連接問題,但失去了保護(hù)地線所提供的保護(hù)功能。在3芯連接方式中,轉(zhuǎn)接后的電源極性還有可能改變,給用電安全埋下隱患。
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三、橫看成嶺側(cè)成峰,遠(yuǎn)近高低各不同——插座接線極性

大多數(shù)電器并不區(qū)分交流電零線與火線的接入方式也能正常工作。規(guī)范兩芯或三芯插座的極性是出于安全考慮。例如:電器開關(guān)都要求安裝在設(shè)備的相線上,開關(guān)斷開后即可使設(shè)備不再帶電。如果電源插頭或插座極性接反,則失去了這種保護(hù)功能。

3.1中國標(biāo)準(zhǔn)插座

以中國標(biāo)準(zhǔn)墻壁插座接線方式為例,在《GB50303-2002建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中是強(qiáng)制條款,標(biāo)準(zhǔn)22.1.2中規(guī)定:單相兩孔插座,面對插座的右孔或上孔與相線連接,左孔或下孔與零線連接,單相三孔插座的右孔與相線連接,左孔與零線連接;……接地(PE)線接在上孔(圖3.1)。這樣的接線被簡稱為:“左零右火”。

3.2與中國標(biāo)準(zhǔn)兼容的插座

同屬“I”型的大洋洲標(biāo)準(zhǔn)(AS/NZS3112)插座(圖3.2),與中國插座外形相似,兩者基本能夠兼容,但安裝方式不同——旋轉(zhuǎn)了180度,其保護(hù)地線位置在下方,成了“左火右零”,與中國標(biāo)準(zhǔn)插頭連接時,電氣連接關(guān)系未變,但使用不同標(biāo)準(zhǔn)的直角出線插頭(圖3.3a中國標(biāo)準(zhǔn)插頭,圖3.3bAS/NZS3112標(biāo)準(zhǔn)插頭)時,可能受到空間限制出現(xiàn)小麻煩。

                                         
                                                圖3.2AS/NZS3112標(biāo)準(zhǔn)插頭/座

                                                     
                                               圖3.3地線位置不同的直角出線插頭

3.3轉(zhuǎn)換后極性相反的插座

北美ANSI/NEMA標(biāo)準(zhǔn)插座的安裝方向沒有限制(圖3.4a),插座的零/火線通過插孔尺寸識別——零線插孔較火線更寬(圖3.4b)。相應(yīng)地,插頭上零線插片也較寬(圖3.4c)。這樣,即使插頭為兩芯也能防止插反。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還特別規(guī)定,20A插頭的零線方向與火線方向垂直(圖3.4d),與之匹配的插座零線插孔為T形(圖3.4e),可向下兼容兩種不同插頭。




圖3.4北美ANSI/NEMA標(biāo)準(zhǔn)插頭/座

由于安裝方向不固定,在觀察者看來零線沒有固定位置。在檢查接線時遵循:從保護(hù)地線開始,按順時針方向,依次為“零線”、“火線”。

對比中國(澳洲)插座和北美插座后就會發(fā)現(xiàn),兩者保護(hù)地線位置是相反的。當(dāng)通過轉(zhuǎn)接適配器連接不同類型插頭時,“零/火”位置就會對調(diào),電器開關(guān)斷開的將是零線而非火線,可能導(dǎo)致安全隱患。換言之,轉(zhuǎn)換適配器雖解決了不同標(biāo)準(zhǔn)插頭/座的機(jī)械連接問題,但未解決電氣連接的極性問題。
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四、雙兔傍地走,安能辨我是雄雌——辨識接線故障

無論哪種插座,正確接線只有1種,其它組合都是錯誤的。為確保設(shè)備和人身安全,插座在投入使用之前,必須依照規(guī)范進(jìn)行檢查。準(zhǔn)確辨別各種接線錯誤(3芯插座的接線錯誤歸納于表4.1)需要必要的工具和方法。
表4.1插座常見接線錯誤與檢查手段

                                

對于表中所列能通過“直接測量”查出的錯誤,除使用試電筆、電壓表等常規(guī)測量工具外,還可利用類似圖4.1的快速檢查工具,不過此類工具的插頭樣式與電壓等級都是按美標(biāo)設(shè)計的,不適合檢查國標(biāo)插座。

物理定律決定了,在檢查“零/地接反”和“線路接觸不良”時,必須接入功率足夠大的負(fù)載,并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,才能確認(rèn)故障,但往往由于現(xiàn)場客觀條件限制不便操作。而此類故障對設(shè)備運行和電氣安全都構(gòu)成巨大威脅。

                                                          
                                         圖4.1IDEAL61-051鑒別插座接線工具

4.1鑒別“零/地接反”

TN-S(圖4.2)與TN-C-S(圖4.3)配電系統(tǒng)中,零線(N)與保護(hù)地線(PE)只有1點連接,除此之外是嚴(yán)格(部分)分開的,兩者均為0電位,區(qū)別在于:單相系統(tǒng)中零線承載與相線相等的負(fù)載電流;除非有漏電,正常情況下保護(hù)地線不帶電。

                                                
                                                圖4.2TN-S配電系統(tǒng)圖4.3TN-C-S系統(tǒng)

4.1.1“零/地接反”的危害

如果單相線路中某插座零/地接反,保護(hù)地線雖能為負(fù)載提供電流回路——設(shè)備仍能運行,但源于其它負(fù)載的零線電流會以干擾信號形式串入設(shè)備,錯接的保護(hù)地線使濾波器失效,對于敏感電子設(shè)備尤其不利。高保真音響出現(xiàn)明顯交流噪聲是這種接線錯誤的典型表現(xiàn)。

由于保護(hù)地線只起等電位聯(lián)結(jié)作用,不承載功率,所以線徑可能較零線細(xì)。當(dāng)承載較大負(fù)載電流時,會比零線有更大線路壓降,發(fā)熱嚴(yán)重,成為火災(zāi)隱患。

4.1.2鑒別“零/地接反”

配電線路空載狀態(tài)下,零線與保護(hù)地線的電氣屬性沒用任何差別,單從插座處測量無法鑒別,只有接入負(fù)載后,通過測量線路上的電流差異才能判斷正誤。

線路上的“漏電保護(hù)器(或稱:剩余電流保護(hù)器RCD)”,也能有效防范此類錯誤。“零/地接反”的插座上接入負(fù)載后,保護(hù)裝置能探查出零線與相線電流不等,觸發(fā)保護(hù)使線路斷電。

4.2通過插座檢查“線路接觸不良”

發(fā)明電源插座的目的是安全、可靠、方便地為電氣設(shè)備提供電源,插座滿足正確接線要求外,還必須滿足電壓輸出標(biāo)準(zhǔn)?!禛B50052供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》4.0.4規(guī)定,“正常運行情況下,用電設(shè)備端子處電壓允許值”在+5%~-10%之間,一般為±5%;《JGJ/T16-92民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》3.3.3也有類似規(guī)定。

排除外部供電原因,電源欠壓主要是由線路虛接、高阻點或線徑選擇不當(dāng)造成的。檢查插座本身接線質(zhì)量,可排除部分故障。線路問題,多是隱蔽工程,無法直接檢查,通過墻壁插座測量線路電壓降進(jìn)而判斷線路故障,是簡單可行的辦法。

測量電壓降必須使用大功率負(fù)載,這給檢測過程帶來不大不小的麻煩。理論上,測試人員可用一個大電爐子當(dāng)負(fù)載,但實際操作即不安全也不方便。弄不好,線路沒測成,電爐卻造成了火災(zāi)。圖4.3是帶載測量線路的設(shè)置:大功率負(fù)載+鉗形電流表(配合特殊適配器)+電壓表,得到接通負(fù)載前后負(fù)載端電壓,再計算出電壓降百分?jǐn)?shù),得到數(shù)據(jù)比較麻煩。

                                                            
                                                         圖4.3常規(guī)儀表測量電壓降
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五、少小雖非投筆吏,論功還欲請長纓——專用儀表簡介

為能簡單、快速、安全、準(zhǔn)確地檢查墻壁插座接線,發(fā)現(xiàn)低壓交流供電線路中常見故障,美國理想工業(yè)公司(IDEAL)研制了SureTest®(型號:61-164CN圖5.1)交流電路分析儀。儀表根據(jù)220V中國電壓制式設(shè)計,并使用國標(biāo)3芯插頭接入被測線路完成全部測量與測試。

                                                          
                                               圖5.2IDEAL61-164CN顯示插座接線狀態(tài)

表5.1SureTest電路分析儀(61-164CN)報告插座接線狀態(tài)

                                      

在判斷零線與保護(hù)地線是否接反時,需要根據(jù)不同情況進(jìn)行分析:

A、線路上裝有漏電保護(hù)裝置
如果被測插座零線與保護(hù)地線接反,接入儀表后地線上出現(xiàn)電流,則可能觸發(fā)保護(hù)裝置;

B、線路上沒有漏電保護(hù)裝置,但線路或其它插座上帶有負(fù)載(用電器)
由于負(fù)載原因,線路中性線上存在壓降,如果被測插座上的零線與保護(hù)地線接反,則此插座上的中性線對地電壓(61-164CN實際測量功能)較其它插座偏低;

C、線路上既沒有裝漏電保護(hù)裝置,也沒有其它用電器或負(fù)載很小
此時可通過對比插座上的導(dǎo)體阻抗(61-164CN實際測量功能),判斷是否零/地接反;

D、線路上既沒有裝漏電保護(hù)裝置,沒有其它用電器或負(fù)載很小,地線導(dǎo)體與其它導(dǎo)體無區(qū)別
如果出現(xiàn)零/地接反,無法通過墻壁插座外部檢出,必須接負(fù)載后按“B”情形測量。

5.2定位線路故障

發(fā)現(xiàn)線路虛接或高阻點最有效方法,是帶額定負(fù)載測量線路壓降。SureTest®電路分析儀最重要的功能是:仿真5A、8A、10A負(fù)載(相當(dāng)于220V電壓下,功率分別為1100W、1760W、2200W的負(fù)載)測量線路電壓降,且不會觸發(fā)斷路器影響運行中的設(shè)備,測量過程中不僅顯示各負(fù)載電流下的線路電壓,還直接給出準(zhǔn)確的電壓降%數(shù)據(jù)(圖5.3)。

                                                     
                                      圖5.3IDEAL61-164CN仿真負(fù)載測量電壓與壓降結(jié)果

5.2.1定位線路故障點

實際檢測一般從距配電盤最遠(yuǎn)的插座開始,如圖5.4所示,由遠(yuǎn)及近逐一測量。

                               
                                                  圖5.4通過插座測量線路壓降的順序

壓降測量結(jié)果無非以下4種:
A、每個插座的壓降均正常(<5%),說明線路正常;
B、兩個插座的讀數(shù)有明顯變化,說明故障就在這兩個插座之間,需檢查導(dǎo)線端接或連接情況;
C、各插座間壓降無明顯變化,但最遠(yuǎn)端插座壓降偏大,由遠(yuǎn)及近,壓降逐漸變小,則說明線徑選擇偏細(xì),不能滿足配電長度或負(fù)載用電的要求,應(yīng)檢查線徑,必要時更換配線;
D、各插座之間壓降無明顯變化,但壓降值始終偏大,則說明問題出在第一個接頭處或配電盤本身有問題。

5.2.2預(yù)估線路帶載能力與電源質(zhì)量

通過儀表提供的3個電流值,能快速預(yù)估被測插座的帶載能力,例如:某空調(diào)插座額定電流為16A,只要在此插座用8A負(fù)載測試,讀數(shù)乘以2即得到16A時線路壓降情況。

除測量電壓有效值外,61-164CN還可測量峰值,通過計算兩者比值判斷交流電波形是否發(fā)生畸變,衡量諧波情況。

通過鱷魚夾適配器(圖5.5),既可以檢測各種非插座終端(例如:電燈、電扇等)線路,也可接入三相四線系統(tǒng)(三相中的某1相)后,測量中性線(零線)對地電壓,初步判斷中性線電流是否過大,協(xié)助確定是否存在3倍次諧波。
                                                        
                                      圖5.5配合IDEAL61-164CN的鱷魚夾適配器與實際應(yīng)用

5.3測量導(dǎo)體阻抗

電壓降測量只能告知帶電導(dǎo)體(相線與零線)回路中存在虛接或高阻點,而不能明確告知哪根導(dǎo)體上有問題,也不能告知接地線上是否有高阻點。61-164CN導(dǎo)體阻抗測量功能(圖5.6),可分別測量相線、零線、保護(hù)地線阻抗,為進(jìn)一步精確定位故障提供幫助。
                                                          
                                             圖5.6用IDEAL61-164CN測量零線(N)阻抗

需要說明一點,61-164CN在測量保護(hù)地(PE)線阻抗時,需在地線上施加測試電流。如果被測線路中裝有漏電保護(hù)器,則有可能觸發(fā)其動作,因此測量前需暫時將保護(hù)裝置斷開或旁路,否則無法得到準(zhǔn)確阻抗數(shù)據(jù)。

5.4現(xiàn)場測試漏電保護(hù)器(RCD)性能

61-164CN能實現(xiàn)“現(xiàn)場測試”RCD性能,操作簡單到“只按一鍵”!

                                                          
                                                        圖5.7IDEAL61-164CN測試RCD性能

當(dāng)“測試”按鈕被按下時,儀表在插座中的保護(hù)地線施加約30mA測試電流,同時啟動斷電計時器。如果線路上的保護(hù)裝置能被觸發(fā),線路會在規(guī)定時間內(nèi)斷電。由于61-164CN供電來自被測電源插座,線路斷電后儀表也停止工作,但斷電數(shù)據(jù)被自動保存,恢復(fù)線路供電后,儀表將顯示圖5.7所示數(shù)據(jù)。大字顯示的數(shù)據(jù)就是保護(hù)裝置動作響應(yīng)時間。

儀表供電直接來自被測插座,省去了因電池電量不足造成測量不準(zhǔn)和換電池的麻煩,堪稱獨特。

六、鑿屋分將一尺明,坐令隔幌見簾屏

交流電源墻壁插座不僅是電氣設(shè)備的動力之門,也是透視供電線路質(zhì)量的一扇窗。借助適當(dāng)?shù)墓ぞ吆头椒?,就能了解電氣設(shè)備的供電環(huán)境,及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,這對于電氣設(shè)備運行和使用者的人身安全都是十分重要的。
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