保安电路的设计
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第409页（4180字）
实用电路的安全可靠性是每一位电路设计者必须考虑到的重要问题。电气设备的安全设计和作业应按照国家标准《电气设备安全设计导则》GB4064－83、《电业安全工作规程》以及《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232－82执行。具体地说，在电路结构上必须考虑保险丝和接地线等保护电路；根据工作环境确定具有相应的防火、防爆、防雷电的电路安全措施；当一个电路设计完成后，要仔细地选择导线的材料和尺寸并选择合适的绝缘材料。
在一般情况下，钢芯导线比铝芯导线应用更广泛，因为钢线的电导率很高，机械强度也较大，并且更容易焊接，铜料耐腐蚀性好，也便于用螺钉等装置固定。铝线的特点是重量轻，价格较便宜，常用于室外的传输线。
为了电路的安全还应根据通过导线的最大电流值选择合适的导线横截面尺寸。电路中温度的变化与电流的平方成正比，如下式所示。
T=fI2R
式中系数f是与所使用的温度计量系统有关的常数。这个关系式说明，无论是电流I过大，或者是选用导线横截面尺寸过小而造成导线电阻R的增大，都可导致电路系统的温度升高。当热效应的积累超过一定限度时，必然酿成火灾。实验表明，一根标称截面1mm2的铜线传导15A电流时几乎不发热；但如果使其传导45A电流，则导线温度将超过300℃。一根标称截面1．5mm2的铜线传导22A的电流时还不会过热；但如果让它承受110A的电流，导线温度将达到大约1650℃。
确保电路安全的另一个重要方面是选择合适的绝缘材料。绝缘材料种类繁多，从纸、棉布、塑料到橡胶以及它们的合成制品。选择绝缘材料应根据其各自的特点考虑如下因素：材料的电阻率，机械强度，抗磨损性，抗切割性，抗冲击性，耐老化，耐热性以及对环境的适应能力；在有些场合还应考虑抗溶剂(如汽油)的能力。有时为了减小机械损坏还可在绝缘线外再覆盖一层网状的或带状的金属(铠装)。
除上面介绍的保安电路设计中要考虑的材料问题外，在结构上还必须安装两种保护电路，即保险丝和接地线。
保险丝是一种由铅锡合金制成的低熔点金属导线。将它串接在电路中成为电路导线的一部分，当通过保险丝的电流超过额定值时，保险丝因温度升高而熔断，从而自动将电源与负载断开。保险丝越粗，则允许通过的电流值越大，不应怕保险丝熔断而随意增加保险丝直径或用双股丝，严禁用铜线代替保险丝。
在电路中常应用的另一种保护措施是断路器，它与保险丝有相同的功能。断路器有热敏式和磁敏式两种形式。热敏式的工作原理与保险丝相同；目前常用的断路器大部分是磁敏式，它的工作特点是当电路过载时，电路被切断，电路故障排除后，又将电路自动接通，所以这种断路器可重复使用而不用更换任何器件。
设置保险丝或断路器的作用是为了保护电路或设备，也可以防止电线因超负载发热而引起的火灾。它们发生动作仅仅是由于电流超过了额定值，这个电流值常常是15～100A，比人体所能承受的电流量要大得多。前面曾提到，通过人体某些关键部位的电流只需几mA即可伤害人的生命。所以，保险丝或断路器并不是为保护人员的安全而设置的。
接地线的作用与保险丝不同，当电气设备基本绝缘发生故障时，可以用来为操作电器的人提供安全保护。缺乏适当的接地电路是导致触电事故的主要原因之一。接地线有两种类型，一种是工作接地，另一种是安全接地。工作接地是为了保护用电系统免受闪电、雷击等引起的过流冲击。安全接地是要保护与带电仪器接触的操作者免受触电危害。
安全技术所感兴趣的主要是安全接地问题，就是将设备的外壳通过导线与地线相联。接地的方式有两种，一种是将设备的外壳与电源的零线相联。如果采用这种布线方式，那么一旦电源的零线因某种原因被切断，设备的外壳就成了高压的带电体!因此这种方式并不十分可靠。另一种是接地线不与正常工作电路的任一部分相联，其保护性能最好。采用这一方式，即使有其它带电体(或设备本身)与设备外壳(或机架)发生短路，电流也会通过接地电极导入地下而不致造成意外伤害。
接地电极是埋在地下的具有一定表面积的导体，其形状不同接地电阻也就不同。设计人员可以根据对接地电阻的要求以及相应的地质条件选择合适的几何形状。一般埋在地下1．5m左右处。我国北方大部分地区属高电阻率土壤，为了满足接地电阻小于4Ω的要求，还应采取下述方法以降低接地电阻。
(1)外引接地法 将接地电极引至附近的水井、泉眼、水沟、河边、水库边、大树下等土壤潮湿、电阻率较低的地方；或者敷设水下接地网，以降低接地电阻。但应注意外引接地装置要避开人行道，以防跨步电压触电；穿过公路的外引线的埋设深度不应小于0．8m。
(2)化学处理法 即应用减阻剂来降低土壤的电阻率。如将盐、硫酸铵、碳粉等与泥土一起分层填入接地电极坑内，并在地面上留有小井，不定期地向内补充稀盐水。
(3)换土法 给接地电极坑内换上电阻率低的土壤，也可降低接地电阻。
(4)深埋法 即埋于地面以下越深，土壤湿度越大，土壤的电阻率越低，故可将接地电极埋入较深的土壤中。
(5)接地电极延长法 即通过增加接地电极与土壤的接触面积来降低接地电阻。
接地电极埋入地下后，还应定期检查接地电阻，及时更换受腐蚀而损坏的接地电极。
此外，一套完善的电源线分布设计应考虑地线的设置，就是说建筑物内的配电盘上应有标志明显的、与电源零线相分离的接地线，以供设备联接用。
还有一种更可靠的保护操作人员的方法是采用意外接地电路断流器(简写为GFCI)。所谓意外接地是指经非前述正常途径接地，如站在地面上的人单手触电形成到地的电流通路。当火线和零线间由于有电流经过非正常途径进入大地而出现非常小的不平衡电流时，GFCI可以自动检测出来并驱动继电器断开电源线。GFCI所响应的不平衡电流通常为5±1mA，响应时间为0·025s。
GFCI可以应用于工厂、住宅以及任何用电装置的场合。有些国家规定新建住宅的屋外或阳台上的配电盘必须装有GFCI。我国市面上作为商品出售的触电保安器或漏电保护装置实际上正是上面所说的GFCI。
需要指出的是，GFCI不能代替接地装置，而只是在保持接地装置的情况下附加的另一种装置。另外，对一个仅接触电路中的两根线而与地没有接触的触电人员，GFCI不能提供帮助，即它仅保护从电源到地的触电情况。
目前，小型电动工具和电器设备已经广泛地应用于各种场合。这些工具和设备通常是铁制外壳，在恶劣的工作条件下(如振动等)，它们很容易发生漏电现象，即带电导线与外壳内壁接触，使整个外壳成为带电体。显然，如果这时操作人员使用它们，就会引起人员伤害。防止出现这种触电事故的方法一般有两种：其一是采用双层绝缘保护，即在外壳的内部用双层绝缘材料；其二是将外壳采用绝缘材料制作。目前多数厂家生产的电动工具或小型电气设备均配有三线插头，其中较长的一根插头已与外壳相联并可以与插座上的地线相接。这时要特别注意插座接线要与插头的接线相匹配(按国际标准)。如果这套接线发生混乱非但起不到保护作用，反而会造成事故。因此，在使用这种插座前，一定要仔细检查是否已按规定接线。同时严禁不同型号插头、插座间的混用，如两线插座代替三线插头等。
下面介绍电火花的危害。在电路中产生电火花现象的原因是由于电极间电压过高造成的空气击穿放电，大量电火花聚集而形成电弧。
一般电火花的温度很高，特别是电弧，温度可达3000～6000℃。因此，电火花和电弧不仅会引起可燃物燃烧，还能使金属熔化、飞溅，构成危险的着火源。在有可燃气体、蒸气及粉尘爆炸危险的场所，电火花和电弧更是一个十分危险的因素。
电火花可以分为工作火花和事故火花两类。工作火花是指电气设备正常工作时或工作人员正常操作时产生的火花。如电机电刷与滑环滑动接触处电刷后方的微小火花、开关与接触器开合时的火花、插销拔出或插入时的火花等。事故火花是指线路或设备发生故障时出现的火花。如电路出现过载，保险丝熔断时产生的火花；导线连接松脱时也会产生火花。事故火花还可包括外来原因产生的火花，如雷电火花、静电火花、高频感应电火花等。
因此，在设计电路时应考虑到该电路的工作环境的可靠性问题。对需防火防爆的工作场合，所有电气设备及连接电路都应采取相应的措施，如采用密闭引线管，防爆电机，防爆开关，防爆灯具等。应将可能产生的电火花源与易燃易爆物质彻底隔离，并应经常检查所用电气设备的防爆性能。
雷电是一种自然放电现象。为防止由于雷击所产生的雷电流的热效应可能引起的火灾和爆炸以及避免雷击损害建筑物、工业设备和对人身的危害，应按照避雷针设计规范设计必要的防护设施，将雷电由避雷针引入大地。