- 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
- 定位線路故障點
- 預估線路帶載能力與電源質量
- 測量導體阻抗
電氣時代，人們通常注重用電器本身的質量與性能，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、設備損壞和人身傷害。大多數民用和商用電器設備的供電都來自交流墻壁插座，但如果使用不當，墻壁插座不僅是電源，還會成為“觸電”和火災的根源。
考察墻壁插座的歷史與現狀后會發(fā)現，盡管插座本身沒有涉及復雜高深的技術，而正確地使用好它并非通常認為的那么簡單。
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?？紤]成本因素，當電扇、電烤面包機、吸塵器、電吹風出現時，它們仍然沿襲了燈泡的供電方式——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20年代。
圖1.1用螺口燈頭座供電的電烤面包機圖
圖 1.2與燈頭螺口兼容的2芯插頭/座
據說PhilipF.Labre有感于房東太太一次觸電事故，于1928年發(fā)明了帶保護地線的3芯插頭/座（圖1.3）。引入保護地線，對安全用電和電氣設備更可靠地運行具有重大意義。
圖1.3最早的3芯帶保護地線插座與插頭
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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、用電經驗與事故教訓的增加，由于技術、安全性、經濟性等因素，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計而形成了不同標準，使得墻壁插座形式多種多樣。美國商務部統計了全球常見電源插頭/座（表2.1）樣式，并以字母進行了分類。
表2.1美國商務部統計的插頭/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，種類就更多了。這種情況顯然造成：即使電器設備供電電壓相同，也無法在不同地區(qū)使用。國際電工委員會（IEC）曾經在1986年和1992年頒布了電源插頭/座的國際標準：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，由于與全球范圍內大多數插頭/座不兼容（圖2.2），推行受到很大阻力。
圖2.1IEC頒布的60906-1/2標準插頭/座
圖2.2IEC60906-1/2與目前全球使用的大多數插座不兼容
可以預見，在相當長的時間內，交流電插頭/座還會維持現狀。在不能統一標準而又要解決互換使用的情況下，轉接適配器（圖2.3）成為目前行之有效的辦法。實現將某種插座轉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后，適用范圍可更廣。
圖2.3轉接適配器樣式
圖2.4轉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械連接，還要求電氣連接正確，而且更為重要。觀察轉接適配器，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械連接問題，但失去了保護地線所提供的保護功能。在3芯連接方式中，轉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、橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同——插座接線極性
大多數電器并不區(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：電器開關都要求安裝在設備的相線上，開關斷開后即可使設備不再帶電。如果電源插頭或插座極性接反，則失去了這種保護功能。
3.1中國標準插座
以中國標準墻壁插座接線方式為例，在《GB50303－2002建筑電氣工程施工質量驗收規(guī)范》中是強制條款，標準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與中國標準兼容的插座
同屬“I”型的大洋洲標準（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——旋轉了180度，其保護地線位置在下方，成了“左火右零”，與中國標準插頭連接時，電氣連接關系未變，但使用不同標準的直角出線插頭（圖3.3a中國標準插頭，圖3.3bAS/NZS3112標準插頭）時，可能受到空間限制出現小麻煩。
圖3.2AS/NZS3112標準插頭/座
圖3.3地線位置不同的直角出線插頭
3.3轉換后極性相反的插座
北美ANSI/NEMA標準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。相關標準還特別規(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標準插頭/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，兩者保護地線位置是相反的。當通過轉接適配器連接不同類型插頭時，“零/火”位置就會對調，電器開關斷開的將是零線而非火線，可能導致安全隱患。換言之，轉換適配器雖解決了不同標準插頭/座的機械連接問題，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。為確保設備和人身安全，插座在投入使用之前，必須依照規(guī)范進行檢查。準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設計的，不適合檢查國標插座。
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載，并對測量數據進行分析，才能確認故障，但往往由于現場客觀條件限制不便操作。而此類故障對設備運行和電氣安全都構成巨大威脅。
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）配電系統中，零線（N）與保護地線（PE）只有1點連接，除此之外是嚴格（部分）分開的，兩者均為0電位，區(qū)別在于：單相系統中零線承載與相線相等的負載電流；除非有漏電，正常情況下保護地線不帶電。
圖4.2TN-S配電系統圖4.3TN-C-S系統
4.1.1“零/地接反”的危害
如果單相線路中某插座零/地接反，保護地線雖能為負載提供電流回路——設備仍能運行，但源于其它負載的零線電流會以干擾信號形式串入設備，錯接的保護地線使濾波器失效，對于敏感電子設備尤其不利。高保真音響出現明顯交流噪聲是這種接線錯誤的典型表現。
由于保護地線只起等電位聯結作用，不承載功率，所以線徑可能較零線細。當承載較大負載電流時，會比零線有更大線路壓降，發(fā)熱嚴重，成為火災隱患。
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“漏電保護器（或稱：剩余電流保護器RCD）”，也能有效防范此類錯誤。“零/地接反”的插座上接入負載后，保護裝置能探查出零線與相線電流不等，觸發(fā)保護使線路斷電。
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準。《GB50052供配電系統設計規(guī)范》4.0.4規(guī)定，“正常運行情況下，用電設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造成的。檢查插座本身接線質量，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負載，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。圖4.3是帶載測量線路的設置：大功率負載＋鉗形電流表（配合特殊適配器）＋電壓表，得到接通負載前后負載端電壓，再計算出電壓降百分數，得到數據比較麻煩。
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、準確地檢查墻壁插座接線，發(fā)現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220V中國電壓制式設計，并使用國標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)
在判斷零線與保護地線是否接反時，需要根據不同情況進行分析：
A、線路上裝有漏電保護裝置
如果被測插座零線與保護地線接反，接入儀表后地線上出現電流，則可能觸發(fā)保護裝置；
B、線路上沒有漏電保護裝置，但線路或其它插座上帶有負載（用電器）
由于負載原因，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裝置，也沒有其它用電器或負載很小
此時可通過對比插座上的導體阻抗（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裝置，沒有其它用電器或負載很小，地線導體與其它導體無區(qū)別
如果出現零/地接反，無法通過墻壁插座外部檢出，必須接負載后按“B”情形測量。
5.2定位線路故障
發(fā)現線路虛接或高阻點最有效方法，是帶額定負載測量線路壓降。SureTest®電路分析儀最重要的功能是：仿真5A、8A、10A負載（相當于220V電壓下，功率分別為1100W、1760W、2200W的負載）測量線路電壓降，且不會觸發(fā)斷路器影響運行中的設備，測量過程中不僅顯示各負載電流下的線路電壓，還直接給出準確的電壓降％數據（圖5.3）。
圖5.3IDEAL61-164CN仿真負載測量電壓與壓降結果
5.2.1定位線路故障點
實際檢測一般從距配電盤最遠的插座開始，如圖5.4所示，由遠及近逐一測量。
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、兩個插座的讀數有明顯變化，說明故障就在這兩個插座之間，需檢查導線端接或連接情況；
C、各插座間壓降無明顯變化，但最遠端插座壓降偏大，由遠及近，壓降逐漸變小，則說明線徑選擇偏細，不能滿足配電長度或負載用電的要求，應檢查線徑，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預估線路帶載能力與電源質量
通過儀表提供的3個電流值，能快速預估被測插座的帶載能力，例如：某空調插座額定電流為16A，只要在此插座用8A負載測試，讀數乘以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（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用
5.3測量導體阻抗
電壓降測量只能告知帶電導體（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體上有問題，也不能告知接地線上是否有高阻點。61-164CN導體阻抗測量功能（圖5.6），可分別測量相線、零線、保護地線阻抗，為進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器，則有可能觸發(fā)其動作，因此測量前需暫時將保護裝置斷開或旁路，否則無法得到準確阻抗數據。
5.4現場測試漏電保護器（RCD）性能
61-164CN能實現“現場測試”RCD性能，操作簡單到“只按一鍵”！
圖5.7IDEAL61-164CN測試RCD性能
當“測試”按鈕被按下時，儀表在插座中的保護地線施加約30mA測試電流，同時啟動斷電計時器。如果線路上的保護裝置能被觸發(fā)，線路會在規(guī)定時間內斷電。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，但斷電數據被自動保存，恢復線路供電后，儀表將顯示圖5.7所示數據。大字顯示的數據就是保護裝置動作響應時間。
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備的動力之門，也是透視供電線路質量的一扇窗。借助適當的工具和方法，就能了解電氣設備的供電環(huán)境，及時發(fā)現安全隱患，這對于電氣設備運行和使用者的人身安全都是十分重要的。
