1.1 电路基础

1.1.1　电路与电路图

所谓电路就是将一些电气设备或元件用一定方式组合起来的电流通路。按功能可分为两大类。

一类是为了实现能量的传输、转换和分配，这类电路称为电力电路。例如，电厂发电机发出的电能，通过升压变压器、输电线、变配电站输送到用电单位，再通过用电设备把电能转换为其他形式的能量，这便组成了供电电路。

另一类是实现信号的传递和处理，这类电路称为信号电路。例如收音机和电视机中的电路，其功能就是使电信号经过调谐、滤波、放大等环节的处理，而成为人们所需要的其他信号。

电路的组成

不论简单还是复杂的电路基本都是由电源、负载和中间环节三部分组成的。

电路的模型

由实际电气元件组成的电路称为实际电路。实际电气元件在工作时的电磁性质不是单一的，而是比较复杂的。为了便于对实际电路进行分析和计算，通常是将实际电气元件用能够反映其主要电磁特征的理想电路元件来代替。

理想电路元件（简称电路元件或元件）是具有某种确定的电磁性能的理想化器件。理想电路元件通常包括电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源和理想电流源。

前三种元件均不产生能量，称为无源元件；后两种元件是电路中提供能量的元件，称为有源元件。由这些理想电路元件所组成电路就是实际电路的电路模型。

1.1.2　电流与电压

电流

电荷在电路中沿着一定方向移动，电路中就有了电流。电流通过导体时会产生各种效应，可以根据产生的效应的大小来判断电流的大小。把一只小灯泡用导线跟一节干电池连通，再把这只小灯泡跟两节干电池连通，注意观察这两种情况下小灯泡的发光亮度。

对同一小灯泡，越亮就表示通过它的电流产生的效应越大，也就是电流越大。

电流是由电荷的移动形成的，在一定时间内，通过导体某一横截面的电荷越多，即电量越多，电流就越大。电流的大小用电流强度（简称电流）表示，电流强度等于1s内通过导体横截面的电量。国际上通常用字母I表示电流，如果用Q表示通过导体横截面的电量，t表示通电时间，那么就有：

在相同的时间里，通过横截面S的电荷少，电流就小；通过横截面S的电荷多，电流就大。如果在10s内通过导体横截面的电量是20C，那么导体中的电流：

电流强度的单位是安培，简称安，符号为A。在实际生活中，安培是一个常用的单位，但对于小电流，常用的单位为毫安（mA）、微安（μA）。换算公式是：1A＝103mA＝106μA；而对于大电流，常用的单位为千安（即103A，符号为kA）。

金属导体中有大量的带有负电荷的自由电子，自由电子的流动形成金属导体中的电流。规定正电荷定向流动方向为电流方向，这与电子流动方向相反，所以电流方向从电源正极指向负极。电荷有两种，电路中有电流时，发生定向移动的电荷可能是正电荷，也可能是负电荷，还可能是正负电荷同时向相反方向发生定向移动。

电压

电场中任意两点间的电位之差称为两点间的电压。电压与水压相似，水压越大，水流越急，反之水压越小，水流越缓；电压越高灯泡就越亮，电压越低灯泡越暗。

电压的物理意义是电场力对电荷所做的功。下图电路中a、b两点间的电压Uab等于单位正电荷在电场力的作用下从a点移动到b点所做的功。在电路分析中，电压的计算经常与电位的概念有关。

电压分析

在电路分析中，要对电路中的电压选取参考系，即电压的参考极性或参考方向，使电压成为可计算的代数量。电压的参考方向可以用标在电路图中的一对“＋”“–”符号来表示。

在电路分析中，通常参考点的选取是任意的，电路中各点的电位数值与参考点的选取有关，而任意两点间的电压则等于该两点电位之差，与参考点的选取无关，例如，ab间电压Uab＝Va–Vb。因此，电压与电位差是等同的。

在上图中：

若电压U=–2V，则可判断出实际的电压极性是b点为正极，a点为负极。

若b点电位高于a点电位2V，可以写出U＝–2V，Uab＝–2V，Uba＝2V，Va–Vb＝–2V。

在国际单位制中，电压的单位为伏特（V），其他常用的单位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV），一般用单位伏特表示，简称伏；高电压可以用千伏（kV）表示；低电压可以用毫伏（mV）表示。

它们之间的换算关系是：1kV＝1000V、1V＝1000mV。

1.1.3　电阻、电位和电动势

电阻

金属容易导电，自由电子在金属中流动时会受到阻碍作用，即导体对电流有阻碍作用。把具有一定几何形状、在电路中起阻碍电流作用的元器件称为电阻器，简称电阻。

电阻器可以稳定和调节电路中的电压、电流，限制电路电流，分配电路电压。电压过高时，用电阻分压；电流过大时，用电阻分流。电阻器大体可分为固定电阻和可调电阻；按材料分又可分为绕线、膜式、实心敏感电阻等。

决定导体电阻值的因素有导体对电流的阻碍程度与导体的长度、导体的材料、导体的截面积。

导体截面积越大，导体电阻越小，截面积越小，导体电阻越大。

在其他因素一定的情况下，导体越长，电阻越大；导体越短，电阻越小；导体的电阻率越大，电阻越大。

大量实验结果表明：在温度不变时，导体的电阻（R）跟它的长度（L）成正比，跟它的横截面积（S）成反比。这就是电阻定律，电阻定律的公式为

在国际单位制中，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是Ω。如果导体两端电压是1V，通过的电流是1A，这段导体的电阻就是1Ω。其他的电阻单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ），它们的换算关系是：

1MΩ＝1×106Ω，1kΩ＝1×103Ω

电位

正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电量的比称为该点的电位。

电路中的电位是相对的，与参考点的选择有关，某点的电位等于该点与参考点间的电压。在实际电路中，参考点通常选为大地、机器外壳或某一个公共连接点，该点的电位Va=0。

若电场中选择不同的参考点，某点的电位也是不同的。为了方便，把参考点的电位规定为零，高于参考点的电位为正，反之为负。实际用电器的底板和金属外壳常作为参考点。电位的单位是伏特（简称伏），用字母V来表示。

常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）。1kV＝1×103V＝1×106mV。

电动势

要想得到持续的电流，离不开电源，电源具有电动势。或者说，电源内部非静电力移送单位正电荷，将其从电源的负极移至正极所做的功，叫电源的电动势。

电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电动势使电源两端产生电压。

电动势方向指电位升高的方向。在电源内部，由低电位端指向高电位端，即由电源负极指向电源正极。电动势的符号是e。在国际单位制中，电动势的单位为V（伏特），其他常用的单位有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）。

电动势与电压的区别

电动势和电压的物理意义不同，电动势表示了外力（非电场力）做功的能力，而电压表示电场做功的能力，例如新电池做功能力很强，电能充足，但长时间使用后做功的能力会大大下降，这时电压也低了。

电动势只存在于电源的内部，而电压存在于电源的两端，并且存在于电源外部电路中，即电路中的两点之间。

两者方向不同。电动势有方向，在电源的内部，电动势方向与电压方向相反，电动势方向是电位升高的方向，而电压方向是指向电位降低的方向。

1.1.4　电路的三种状态

通路

开路

断路

1.1.5　接地与接零

接地

接地是指电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连。

当外壳接地的电气设备发生碰壳短路或带电的相线断线触及地面时，电流就从电气设备的接地体或相线触地点向大地作半球形流散，使其附近的地表面产生跨步电压。距触地点越近的地方，单位距离内的电压降越高，距触地点越远的地方，电压降越低。通常，在直径20m范围以外，电压降接近于零（即“零”电位）。

接地装置

用金属导线将电气设备需要接地的部分与埋入地中（直接接触大地）的金属导体可靠地连接起来，称为接地。其中：金属导线称为接地线，埋入地中的金属导体称为接地体。接地体和接地线总称为接地装置。

接地体

接地线

接地线分为自然接地线和人工接地线。为其他用途装设的金属导线，兼作接地线，称为自然接地线。为接地需要专门安装的金属导线，称为人工接地线。

接地装置按接地体的多少分为单极接地装置、多极接地装置和接地网络三种。

接地的种类

按照接地作用的不同，接地可分为工作接地、保护接地、保护接零和重复接地等方式。

工作接地

为保证电气设备能可靠地运行，将电力系统中的变压器低压侧中性点接地，称为工作接地。

保护接地

将所有的电气设备不带电的部分，如金属外壳、金属构架和操作机构及互感器二次绕组的负极，妥善而紧密地进行接地，称为保护接地。

保护接地适用于中性点不接地的低压电网。由于接地装置的接地电阻很小，绝缘击穿后用电设备的熔体就熔断。即使不立即熔断，也会使电气设备的外壳对地电压大大降低，人体与带电外壳接触，不致发生触电事故。

保护接零

在中性点直接接地系统中，把电气设备金属外壳等与电网中的零线作可靠的电气连接，称为保护接零。保护接零可以起到保护人身和设备安全的作用。

将变压器和发电机直接接地的中性线连接起来的导线称为零线。在中性点直接接地的380/220V三相四线制电力网中，将电动机等电气设备的金属外壳与零线用导线连接起来，称为保护接零，简称接零。

保护接零的作用是，当单相短路时，使电路中的保护装置（如熔断器、漏电保护器等）迅速动作，将电源切断，确保人身安全。

在低压电网中，零线除应在电源（发电机或变压器）的中性点进行工作接地以外，还应在零线的其他地方进行三处以上的接地，这种接地称为重复接地。

重复接地连接示意图

无重复接地，断路时增加触电危险

有重复接地，断路时减少触电危险

重复接地的作用如下：

减轻零线断路时的触电危险

在上页无重复接地示意图中，当某相碰壳时，零线断开后，由于无重复接地，设备外壳所带的电压均等于相电压，危及人身安全。而在有重复接地的情况下，当零线断路时，由于有重复接地，带电设备外壳的电压Up＝IdRp，Rp的电阻值很小（Rp≤10Ω），Up值也远低于相电压，从而减轻了触电危险。

缩短保护装置的动作时间

在三相四线制供电系统中，保护接零与重复接地配合使用，一旦发生短路故障，重复接地电阻与工作接地电阻便形成并联电路，线路阻值减小，加大短路电流，使保护装置更快地动作，缩短故障时间。

降低漏电设备的对地电压

无重复接地时，漏电设备外壳对地电压Ud为单相短路电流在零线上产生的电压降：Ud＝IdZ（Z为ABCD路径上的阻抗）。有重复接地时，漏电设备外壳对电压Ud，为接地短路电流在重复接地和工作接地构成的并联支路上产生的电压降。显然，此时漏电设备外壳对地电压降低，触电的危险性减小。

改善架空线路的防雷性能

在架空线路的零线上实行重复接地，对雷电流有分流作用。

应重复接地的场合和对重复接地的要求如下：

要求1：关于距离

中性点直接接地低压线路、架空线路的终端、分支线长度超过200m的分支处以及沿线每隔1km处，零线应重复接地。

要求2：关于接地体

要求3：关于应用场所

要求4：关于接地线缆