- 插頭、插座來源
- 插頭、插座的分類
- 插座接線極性
- 辨識(shí)接線故障
- 定位線路故障點(diǎn)
- 預(yù)估線路帶載能力與電源質(zhì)量
- 測(cè)量導(dǎo)體阻抗
電氣時(shí)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(huì)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(huì)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(jiǎn)單。
一、兩岸青山相對(duì)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(shí)代，但墻壁插座并非與燈泡同時(shí)出現(xiàn)?？紤]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(shí)，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(duì)安全用電和電氣設(shè)備更可靠地運(yùn)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(yàn)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(shí)，并沒有采用美國(guó)最初的插座設(shè)計(jì)而形成了不同標(biāo)準(zhǔn)，使得墻壁插座形式多種多樣。美國(guó)商務(wù)部統(tǒng)計(jì)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(guó)商務(wù)部統(tǒng)計(jì)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(jì)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）曾經(jīng)在1986年和1992年頒布了電源插頭/座的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：針對(duì)250V電壓等級(jí)的IEC60906-1和針對(duì)125V電壓等級(jí)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，交流電插頭/座還會(huì)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(shí)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?yàn)椴孱^/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(guó)標(biāo)準(zhǔn)插座
以中國(guó)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(yàn)收規(guī)范》中是強(qiáng)制條款，標(biāo)準(zhǔn)22.1.2中規(guī)定：?jiǎn)蜗鄡煽撞遄鎸?duì)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(jiǎn)稱為：“左零右火”。
3.2與中國(guó)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(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)插頭連接時(shí)，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(guó)標(biāo)準(zhǔn)插頭，圖3.3bAS/NZS3112標(biāo)準(zhǔn)插頭）時(shí)，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(shí)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(shí)遵循：從保護(hù)地線開始，按順時(shí)針方向，依次為“零線”、“火線”。
對(duì)比中國(guó)（澳洲）插座和北美插座后就會(huì)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(shí)，“零/火”位置就會(huì)對(duì)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(shí)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(cuò)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(cuò)誤（3芯插座的接線錯(cuò)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(cuò)誤與檢查手段
對(duì)于表中所列能通過“直接測(cè)量”查出的錯(cuò)誤，除使用試電筆、電壓表等常規(guī)測(cè)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(jí)都是按美標(biāo)設(shè)計(jì)的，不適合檢查國(guó)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(shí)，必須接入功率足夠大的負(fù)載，并對(duì)測(cè)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(chǎng)客觀條件限制不便操作。而此類故障對(duì)設(shè)備運(yùn)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(diǎn)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：?jiǎn)蜗嘞到y(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(yùn)行，但源于其它負(fù)載的零線電流會(huì)以干擾信號(hào)形式串入設(shè)備，錯(cuò)接的保護(hù)地線使濾波器失效，對(duì)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(cuò)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(shí)，會(huì)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(cè)量無法鑒別，只有接入負(fù)載后，通過測(cè)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(cuò)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)。《GB50052供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.0.4規(guī)定，“正常運(yùn)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(jì)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(diǎn)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(cè)量線路電壓降進(jìn)而判斷線路故障，是簡(jiǎn)單可行的辦法。
測(cè)量電壓降必須使用大功率負(fù)載，這給檢測(cè)過程帶來不大不小的麻煩。理論上，測(cè)試人員可用一個(gè)大電爐子當(dāng)負(fù)載，但實(shí)際操作即不安全也不方便。弄不好，線路沒測(cè)成，電爐卻造成了火災(zāi)。圖4.3是帶載測(cè)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(jì)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(cè)量電壓降
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五、少小雖非投筆吏，論功還欲請(qǐng)長(zhǎng)纓——專用儀表簡(jiǎn)介
為能簡(jiǎn)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(guó)理想工業(yè)公司（IDEAL）研制了SureTest®（型號(hào)：61-164CN圖5.1）交流電路分析儀。儀表根據(jù)220V中國(guó)電壓制式設(shè)計(jì)，并使用國(guó)標(biāo)3芯插頭接入被測(cè)線路完成全部測(cè)量與測(cè)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(bào)告插座接線狀態(tài)
在判斷零線與保護(hù)地線是否接反時(shí)，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(cè)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(cè)插座上的零線與保護(hù)地線接反，則此插座上的中性線對(duì)地電壓（61-164CN實(shí)際測(cè)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(shí)可通過對(duì)比插座上的導(dǎo)體阻抗（61-164CN實(shí)際測(cè)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(cè)量。
5.2定位線路故障
發(fā)現(xiàn)線路虛接或高阻點(diǎn)最有效方法，是帶額定負(fù)載測(cè)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(cè)量線路電壓降，且不會(huì)觸發(fā)斷路器影響運(yùn)行中的設(shè)備，測(cè)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(cè)量電壓與壓降結(jié)果
5.2.1定位線路故障點(diǎn)
實(shí)際檢測(cè)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(cè)量。
圖5.4通過插座測(cè)量線路壓降的順序
壓降測(cè)量結(jié)果無非以下4種：
A、每個(gè)插座的壓降均正常（<5%）,說明線路正常；
B、兩個(gè)插座的讀數(shù)有明顯變化，說明故障就在這兩個(gè)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(zhǎng)度或負(fù)載用電的要求，應(yīng)檢查線徑，必要時(shí)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(gè)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(gè)電流值，能快速預(yù)估被測(cè)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(cè)試，讀數(shù)乘以2即得到16A時(shí)線路壓降情況。
除測(cè)量電壓有效值外，61-164CN還可測(cè)量峰值，通過計(jì)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(cè)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(cè)量中性線（零線）對(duì)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(shí)際應(yīng)用
5.3測(cè)量導(dǎo)體阻抗
電壓降測(cè)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(diǎn)，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(diǎn)。61-164CN導(dǎo)體阻抗測(cè)量功能（圖5.6），可分別測(cè)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(cè)量零線（N）阻抗
需要說明一點(diǎn)，61-164CN在測(cè)量保護(hù)地（PE）線阻抗時(shí)，需在地線上施加測(cè)試電流。如果被測(cè)線路中裝有漏電保護(hù)器，則有可能觸發(fā)其動(dòng)作，因此測(cè)量前需暫時(shí)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(chǎng)測(cè)試漏電保護(hù)器（RCD）性能
61-164CN能實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試”RCD性能，操作簡(jiǎn)單到“只按一鍵”！
圖5.7IDEAL61-164CN測(cè)試RCD性能
當(dāng)“測(cè)試”按鈕被按下時(shí)，儀表在插座中的保護(hù)地線施加約30mA測(cè)試電流，同時(shí)啟動(dòng)斷電計(jì)時(shí)器。如果線路上的保護(hù)裝置能被觸發(fā)，線路會(huì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)斷電。由于61-164CN供電來自被測(cè)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(dòng)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(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。
儀表供電直接來自被測(cè)插座，省去了因電池電量不足造成測(cè)量不準(zhǔn)和換電池的麻煩，堪稱獨(dú)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(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，這對(duì)于電氣設(shè)備運(yùn)行和使用者的人身安全都是十分重要的。
