电工基础与安全用电教材

第一章直流电路
第一节电路的基本概念
一、电路的组成与作用：
1.电路：就是能使电流流通的闭合电路。

2.电路的组成：最简单的电路是由电源、负载、中间环节等部分组
成。

3.电路各组成部分的作用：
●电源：如发电机、电池等，电源可将其它形式的能量转换成电
能，是向电路提供能量的装置。

●负载：指电动机、电灯等各类用电器，在电路中是接收电能的
装置，可将电能转换成其它形式的能量。

●中间环节：将电源和负载连成通路的输电导线、控制电路通断
的开关设备和保护电路的设备等。

4.电路的作用：
●在电力系统中，电路可以实现电能的传输、分配、转换和控制。

在电子系统中，电路可以实现电信号的传递、存储和处理。

电路中能量的转换、传送、分配和控制，是反映在电流和电压等物理量上的，而通过负载的电流又与其电阻有关，所以首先要讨论一下几个基本的电量。

二、电流、导体和绝缘体：
1.电流：自由电荷（包括自由电子和离子）的定向运动叫做电流。

物体内部有可以自由移动的电荷是产生电流的内因，电场（或是电压）作用是产生电流的外因。

电流的方向：电流是由自由电子定向运动形成的。

但习惯上规定正电荷运动的方向为电流的方向。

即电流的方向是从电源的正极经导线、负载以及另一根导线，流向电源负极。

实际上是自由电子从电源的负极经导线、负载及另一根导线流向电源的正极。

2.电流强度：是衡量电流强弱的物理量。

通过导体截面的电流强度
的大小，等于单位时间内通过该截面的电量。

电流主要分为两类：一类为大小和方向均不随时间改变的电流，称为恒定电流，简称直流，常简写作dc或DC，其强度用符号I或i表示；另一类为大小和方向都随时间变化的电流，称为变动电流，其强度用符号i表示。

其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交流，常简写作ac或AC，其强度也用符号i表示。

(a)
3.导体和绝缘体：
●导体：各种金属、酸、碱、盐的水溶液以及大地，人体等，因为
有自由电子、离子等带电微粒的存在，比较善于传导电流，这一类的物体称为导体。

●绝缘体：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、电木、油类以及干燥
的木材、纸张、空气等物体，一般情况下内部几乎没有自由电子，以及不善于传导电流，这类物体被称为绝缘体。

●半导体：硅、锗、磷、镓等，导电能力介于导体与绝缘体之间的
这一类物体称为半导体
注意：导体和绝缘体的区分是相对的、有条件的，不是永恒不变的。

如果外加条件，可以促使绝缘体产生自由电荷，是之变成导体。

●如空气：在通常情况下是绝缘体，但是在高电压的作用下，气体
分分子将被电离成离子，气体就成了导体。

三、电位、电压和电动势。

1.电位：是指在电路中任选一点作为参考点，某点到参考点的
电压就叫做该点的电位。

电位用V表示。

通常规定大地的电
位为零（零电位）。

物体带正电荷时，它的电位比大地电位高
（正电位），并且所带的正电荷越多，它的电位也越高；物体
带有负电荷时，它的电位比大地的电位低（负电位），并且所
带的负电荷越多，电位也越低。

2.电压：两个带电物体的或两点之间的电位差别称为电位差，习
惯上称为电压。

电压的方向是从高电位点指向低电位点，即电
位降低的方向，因此电压也叫电位降、电压降。

3.电位与电压的区别：由于电位的参考点可以任意选定，所以电
位的数值是相对值，它与零电位的选择有关；电压的数值是绝
对值，与零电位点的选择无关。

电流的产生必须要求电位差。

4.电动势：电源中因其他形式的能量转化成电能所引起的电位差
叫做电动势，简称电势。

它等于单位正电荷从电源的负极移到
电源的正极所做的功。

由于电源内部电流的方向是从负极流向
正极的，因此电动势的方向是由负极指向正极，即电位升高的
方向。

5.电位（V）、电压（U）、电动势（E）的单位都是伏特，用字母
V表示。

四、电阻
导体中的自由电子在移动的过程中，不断地相互碰撞，并且和导体中其他不带电的质点也发生碰撞，同时还必须克服原子核对它的
吸引，因此会受到一定的阻力。

导体对电流的这种阻力称为电阻。

金属导体的电阻与其长度成正比，与其截面积成反比，并与材料、温度等因素有关。

第二节欧姆定律
欧姆定律是反映电路中的电压、电流和电阻之间关系的定律。

是电路的基本定律之一，在工程上应用非常广泛。

部分电路的欧姆定律：在一段不包括电源的电路中，导体中的电流与电阻两端的电压成正比。

I = U / R
式中：I-----流过导体的电流，安培。

U-----加在导体两端的电阻，伏特。

R-----导体的电阻，欧姆。

全电路的欧姆定律：在只有一个电源且无分支的电路中，电路中的电流与电源电动势成正比，与电路中的电阻和电源内阻之和成反比。

I=E/(R+r0)
式中：E----电源电动势，伏特。

R----外电路电阻，欧姆。

r 0----电源的内阻，欧姆。

第三节 电阻的串联、并联和混联
一、串联电路
1.电阻的串联：
把几个电阻的头尾依次连接成一串，这样的连接叫做电阻的串联。

n 个电阻串联可等效为一个电阻。

串联电路的特点：
1) 流过各个电阻的电流I 都相同（同一电流）。

n
R R R R +++= 21
两个电阻串联时分压公
2)总电压等于各个电阻上的分电压之和。

通过上面可知，电阻越
大，其分压越大。

3)串联电路的总电阻等于各分电阻之和。

串联电路的应用：在过程中用于限流、分压及降压的目的。

电源的串联：一般指电池的串联。

电池的串联把几个电池的正负极相间地连接起来。

电池串联时应注意，必须使它们推动电流的方向一致，如果把电池接反了，电池的电动势便相互抵消。

在需要获得较高的电源电压的地方，常采用电源的串联形式。

2.电阻的并联：
几个电阻并排地接到同一电压的两节点之间的连接，叫做电阻的并联。

n个电阻并联可以等效为一个电阻：
两个电阻并联时的分流公式：
并联电路的特点：
1)各并联支路两端的电压相等。

2)总电流I等于各并联支路电流之和。

3)并联电路的总电阻的倒数等于各支路的电阻倒数之和。

电源的并联：
电源的并联，是把各电源的正极与正极、负极与负极分别相接。

电源并联时，各个电源的电动势以及内阻必须相等（至少非常相近）；如果正极和负极接错时，就会产生大量的换流在它们内部循环，这就相当于把串联的电池组的两极短接了。

在负载需要较大电流时，常采用电源的并联连接。

电池并联后，总内阻降低，而回路的容量增大。

并联电路的应用：用于分流、减小回路电阻等。

3.混联电路：
既含有电阻的串联形式有含有电阻的并联形式的混合的联接方式，称为电阻的混联。

混联电路的计算方法：
1)整流化简电路：把几个串联或并联的电阻分别用等效电阻来
替代，然后求出该电路的总电阻。

2)根据电路的总电压、总电阻，计算出该电路的总电流。

3)最后推算出各部分的电压降和电流。

第四节电功率和电能的计算
功率：是指负载在单位时间内所消耗的电量。

在数值上等于负载两端的电压和流过它的电流的乘积，单位：W。

P=UI
电能：在直流电路中，电动势、电流、电压都是不变的，因而功率也是不变的。

把负载接收的功率乘以时间，得到的就是其在该时间内所接受的电量。

W=Pt=UIt
第二章 单相交流电
第一节 单相交流电路的基本概念
随时间按正弦规律变化的电压、电流称为正弦电压和正弦电流。

表达式为：
1. 正弦交流电的周期、频率和角频率
1) 周期T ： 正弦量完整变化一周所需要的时间。

2) 频率f ： 正弦量在单位时间内变化的周数。

3) 角频率ω： 正弦量单位时间内变化的弧度数。

周期与频率的关系：
)
sin(u m t U u ψω+=)
sin(i m t I i ψω+=
2. 正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值： 1) 瞬时值是以解析式表示的： 2) 最大值就是上式中的I m ， I m 反映了正弦量振荡的幅度。

3) 有效值指与交流电热效应相同的直流电数值。

最大值与有效值之间的关系：
3. 正弦交流电的相位、初相和相位差 1) 相位：正弦量表达式中的角度。

2) 初相位：t =0时的相位。

3) 相位差：指两个同频率正弦量之间的相位差，数值上等于它们的初相之差。

4. 正弦量的三要素
1) 最大值反映了正弦交流电的大小问题； 2) 角频率反映了正弦量随时间变化的快慢程度； 3) 初相确定了正弦量计时始的位置。

第二节 各组参数的正弦交流电路
1.
电阻元件：
电阻元件上的电压、电流的关系：I = U / R ，且同相位。

)
sin()
(i m t I t i ψω+=
2. 电感元件：
电感元件上电压、电流的有效值关系为：U=ωLI =2πf LI=IX L 电感元件上 电压 超前电流90°电角。

3. 电容元件：
电容元件上电压、电流的有效值关系为：
I C =U ωC=U2πf C=U/X C
电容元件上电流 超前电压 90°电角。

4. RLC 串联电路：
R
L
当C
L ωω1
=
时，X = 0，0=z ϕ，电路呈电阻性。

此时电路的总阻抗
最小，易发生串联谐振，产生过电压。

5. RLC 并联电路
+
u L
－ + u R －
C (a) RLC 串联电路 (b) 相量模型 +
L
U
－
+ R U － －jX C
（1）当C
L ωω1
>
时，X > 0，0>z ϕ，电路呈感性。

（2）当
C L ωω1<时，X < 0，0<z ϕ，电路呈容性。

（3）当C
L ωω1
=时，X = 0，0=z ϕ，电路呈电阻性。

C U L
U C
U (a) X > 0 (b) X < 0 (c) X = 0
(a) RLC 并联电路 (b) 相量模型U
当C
L ωω1=
时，X = 0，0=z ϕ，电路呈电阻性。

此时电路的总电流
最小，易发生并联谐振，产生过电流。

第三节 提高功率因素
实际生产和生活中，大多数电气设备和用电器都是感性的，因此要向电源吸取一定的无功功率，造成线路功率因数较低的现象。

功率因数低不仅造成电力能源的浪费，还能增加线路上的功率损耗，为了避免此类现象造成的影响，电力系统要设法提高线路的功率因数。

提高功率因数的意义： 1. 提高发配电设备的利用率；
2. 减少输电线上的电压降和功率损失。

为提高功率因素，应尽量减少感性设备的空载和轻载，或在感性设备两端并联适当电容。

第三章 三相交流电路
现代电力工程上几乎都采用三相四线制。

三相交流供电系统在发电、输电和配电方面都具有很多优点，因此在生产和生活中得到了极其广泛的应用。

第一节 三相电源与三相负载
由3个频率相同、振幅相同、相位互差120°的正弦电压源所构成的电源称为三相电源。

由三相电源供电的电路称为三相电路。

一、三相电源：
三相电源由三相交流发电机产生的。

在三相交流发电机中有3个相同的绕组。

3个绕阻的首端分别用A 、B 、C 表示，末端分别用X 、Y 、Z 表示。

这3个绕组分别称为A 相、B 相、C 相，所产生的三相电压分别为：
1.三相电源连接： 1） 星形连接（Y 接）
将三相绕组AX 、 BY 、 CZ 的相头A 、 B 、 C 作为三相输出端， 而相尾X 、 Y 、 Z 连接在同一中点N 上。

从相头A 、 B 、 C 引出的三根线称为端线（又叫火线）； 从中点N 引出的线称为中线（又叫零线）。

这种接法又称为三相四线制。

)
120sin(2)120sin(2sin 2C B A ︒+=︒-==t U u t U u t U u p p p ωωω︒∠=︒-∠=︒∠=1201200C B A p
p p U U U U U U
C
B
U (b) 相量图
C
A
N
B
C
每相绕组两端的电压称为相电压， 即
从相量图看出，各线电压均超前其对应的相电压30°。

2） 三角形连接（△接）
将三相绕组的相头和相尾依次连接在一起， 即A 接Z ， B 接X ， C 接Y (如图6.7所示)， 称为三角形连接。

这时从三个连接点分别引出的三根端线A 、 B 、 C 就是火线， 显然三角形连接时， 线电压与相电压的关系为
二、三相负载及其连接
三相负载同样也有两种连接方式： 星形连接和三角形连接。

C CA C BC A AB
U U U U U U ===,,C CN B BN A AN U U U U U U ===,,
C
A
B C
1.负载的星形连接：如下图所示是三相负载和三相电源均为星形连接的三相四线制电路， 其中， ZA 、 ZB 、 ZC 表示三相负载， 若ZA =ZB =ZC ， 我们称其为对称负载， 否则， 称其为不对称负载。

三相电路中， 若电源对称， 负载也对称， 称为三相对称电路。

2. 负载的三角形连接：将三相负载首尾依次连接成三角形后， 分别接到三相电源的三根端线上， 如下图 所示， ZAB 、 ZBC 、 ZCA 分别为三相负载，流在负载上的电流称为负载的相电流， 其参考方向如图所示。

三、三相对称电路的计算：负载无论在哪种接法下，均可用如下公式。

I
C I
I
C I
B
C
A
'
1. 有功功率： P=3U P I P cos φ = ϕcos 3L L I U
2. 无功功率:
3. 视在功率:
对称三相电路的视在功率：
第四章 常用电气元件的介绍
对电动机和生产机械实现控制和保护的电工设备叫做控制电器。

控制电器的种类很多，按其动作方式可分为手动和自动两类。

手动电器的动作是由工作人员手动操纵的，如刀开关、组合开关、按钮等。

自动电器的动作是根据指令、信号或某个物理量的变化自动进行的，如各种继电器、接触器、行程开关等。

1. 刀开关：又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，或用来将电路与电源隔离，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。

2. 组合开关：又叫转换开关，是一种转动式的闸刀开关，主要用于接通或切断电路、换接电源、控制小型鼠笼式三相异步电动机的起动、停止、正反转或局部照明。

组合开关有若干个动触片和静触片，分别装于数层绝缘件内，静触片固定在绝缘垫板上，动触片装在转轴上，随转轴旋转而变更通、断位置。

3. 按钮：主要用于远距离操作继电器、接触器接通或断开控制电路，从而控制电动机或其他电气设备的运行。

按钮的触点分常闭触点
ϕ
ϕsin 3sin 3P P P P I U I U Q ==2
2Q P S +=L
L P P I U I U S 33==
（动断触点）和常开触点（动合触点）两种。

常闭触点是按钮未按下时闭合、按下后断开的触点。

常开触点是按钮未按下时断开、按下后闭合的触点。

按钮按下时，常闭触点先断开，然后常开触点闭合；松开后，依靠复位弹簧使触点恢复到原来的位置。

按钮内的触点对数及类型可根据需要组合，最少具有一对常闭触点或常开触点。

4.熔断器：主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。

线
路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。

5.断路器：又叫自动空气开关或自动开关，它的主要特点是具有自
动保护功能，当发生短路、过载、欠电压等故障时能自动切断电路，起到保护作用。

6.行程开关：也称为位置开关，主要用于将机械位移变为电信号，
以实现对机械运动的电气控制。

当机械的运动部件撞击触杆时，触杆下移使常闭触点断开，常开触点闭合；当运动部件离开后，在复位弹簧的作用下，触杆回复到原来位置，各触点恢复常态。

7.接触器：线圈通电时产生电磁吸引力将衔铁吸下，使常开触点闭
合，常闭触点断开。

线圈断电后电磁吸引力消失，依靠弹簧使触点恢复到原来的状态。

8.继电器：是一种根据特定输入信号而动作的自动控制电器，其种
类很多，有中间继电器、热继电器、时间继电器等类型。

（1）中间继电器：中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电
路，也可用来直接控制小容量电动机或其他电气执行元件。

中间继电器的结构和工作原理与交流接触器基本相同，与交流接触器的主要区别是触点数目多些，且触点容量小，只允许通过小电流。

在选用中间继电器时，主要是考虑电压等级和触点数目。

（2）热继电器：一般采用双金属片结构。

下层金属膨胀系数大，上层的膨胀系数小。

当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时，双金属片的自由端便向上弯曲超出扣板，扣板在弹簧的拉力下将常闭触点断开。

触点是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开便使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。

（3）时间继电器：通电延时空气式时间继电器利用空气的阻尼作用达到动作延时的目的。

吸引线圈通电后将衔铁吸下，使衔铁与活塞杆之间有一段距离。

在释放弹簧作用下，活塞杆向下移动。

在伞形活塞的表面固定有一层橡皮膜，活塞向下移动时，膜上面会造成空气稀薄的空间，活塞受到下面空气的压力，不能迅速下移。

当空气由进气孔进入时，活塞才逐渐下移。

移动到最后位置时，杠杆使微动开关动作。

延时时间即为从电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。

通过调节螺钉调节进气孔的大小就可调节延时时间。

吸引线圈断电后，依靠复位弹簧的作用而复原。

空气经出气孔被迅速排出。

此时间继电器有两个延时触点：一个是延时断开的常闭触点，—个是延时闭合的常开触点，此外还有两个瞬动触点。

第5章三相交流电动机常用控制电路注：本章仅作为电气知识的介绍部分，不作为中级工的考核内容。

第六章安全用电
1.防止发生用电事故的对策：
●思想重视：就是要牢固地树立安全第一的思想；
●措施落实：贯彻和执行保证安全用电的各项技术措施和组织措
施。

●组织保证：各用电单位应设立安全用电管理机构并配备专门管
理人员，在电力部门的指导下开展安全用电工作。

2.人体触电的方式：
●人体与带电体接触触电：包括单相触电和两相触电。

●跨步电压触电：当电气设备发生接地故障，接地电流通过接地
体向大地流散，在地面上形成分布电位，这时若人在接地短路
点周围行走，其两脚之间（一般以0.8米考虑）的电位差，就
是跨步电压，由跨步电压引起的人体触电，称为跨步电压触电。

●接触电压触电：接触电压是指人站在发生接地短路故障设备的
旁边，一般指距离设备水平方向0.8米处，这时人手接触设备
外壳（距地面1.8米的高处），手脚之间的电位差，由于接触
电压引起的人体触电称为接触电压触电。

3.电流对人体的伤害一般分为两种类型：
●电击伤：指电流流过人体造成的人体内部的伤害。

●电灼伤：指电弧对人体外表造成的伤害。

4.决定触电伤害的因素：
●电流的大小
●电流流经的途径
●触电方式
●通电时间的长短
●电流的频率
●人体的状况等
5.预防触电的措施：
●安全电压（是低电压，但是低电压并不一定就是安全电压）
●防护、隔离或保证良好的绝缘
●保护接零
●保护接地
●漏电保安器等
●严格按照电气操作制度操作
6.安全电压：
安全电压是低电压，但是低电压并不是安全电压。

根据我国具体的条件，一般规定安全电压有36V、24V、12V，在干燥、温暖、无导电粉尘、地面绝缘的环境中，也有以65V作为安全电压的。

用于安全电源的变压器，必须是双圈变压器。

自耦变压器绝对
不可以作为安全电压源。

7.保护接地和保护接零：
电气设备的保护接地和保护接零是为了防止人体触及绝缘损坏的电气设备所引起的触电事故而采取的有效措施。

保护接地：为了防止电气设备因绝缘损坏而使人体有遭受触电危险，将电气设备的金属外壳通过接地装置与大地连接。

保护接零：为了防止电气设备因绝缘损坏而使人体有遭受触电危险，将电气设备的金属外壳与变压器的零线相连接。

8.当触电发生时的应急处理：触电发生时最重要的是尽快使触电者
脱离电源。

9.触电现场急救：
1）. 触电者未失去知觉的抢救措施：让其在通风处静卧休息，请医生救治。

2）. 对失去知觉但心肺仍工作的触电者：在迅速请医生的同时，使其平卧于通风、凉爽处，解开衣服以利呼吸。

3）. 对呼吸停止的触电者：采用人工呼吸法使其恢复。

4）. 对心脏停止跳动的触电者：用胸处心脏挤压法，维持人体内的血液循环。

10.电气火灾的原因：
（1）线路或电器因绝缘操作或故障等原因，造成线路或用电器出现较大电流，而漏电保护开关不起作用，则会因过热而引起火灾。

（2）用电器容量超过允许值过多，线路大量发热引起火灾。

（3）电源电压过高使电路电流较大，或电源电压过低使电动机类电器长时间处于低速运行所需电流过大，最终因线路或电机过热而起火。

（4）由于大意或失误，将一些通电工作的电热器具放在可燃物上或其附近，将其引燃，发生火灾。

11.电气防火和防爆的措施：
●排除可燃易燃物质；
●排除电气火源；
●土建和其它方面的措施。

12.电气火灾的特点：
●着火后的电气设备可能仍带电且因电气绝缘损坏或带电导线
的断落等接地短路事故发生时，在一定范围内存在危险的接触
电压和跨步电压，严重时如不注意或未采取适当的安全措施，
会引起触电伤亡事故。

●充油电气设备，受热后可能喷油，甚至爆炸，造成火灾的蔓延
并危及救火人员的安全。

13.扑灭电气火灾的注意事项：
●尽可能地先切断电源
●不切断电源灭火时，应使用不导电的灭火剂灭火，如CO2、
1211、化学干粉等灭火剂。

泡沫灭火器可导电，不能带电灭火。