第1章　家裝水電工的必備基礎

1.1　家裝水電工的知識基礎

水電工是水工（管工）和電工的總稱，要求能夠借助電工、管工工具和有關儀表儀器，對配電、照明、給排水、采暖及各種管路設備進行敷設、安裝和維護、維修操作。

在學習實際的操作技能之前，要求水電工從業人員必須掌握扎實的基礎理論知識，并以此作為指導實踐操作的依據，規范操作過程，具備從業資格。

1.1.1　水流量與供熱量

水流量和供熱量是水電工從業過程中最常遇到的兩個物理量，在給排水工程或采暖工程前期，首先需要設計工程方案，都需要計算出相關的水流量或供熱量，以確保設計方案的可實行性和有效性。

（1）水流量

水流量是指在單位時間內水通過管道或管道有效截面的數量（m3/s）。在給排水管路設計中，可用管道中水的流速乘以管道直徑來計算獲得管路的水流量，如圖1-1所示。

特別提示

水流量是控制給排水設計、施工過程，保證給排水工程質量的關鍵因素。

（2）供熱量

供熱量是指單位時間內加熱設備（加熱器）所輸出的熱量，單位一般為kJ/h（千焦/小時），是采暖工程或熱水供應系統中重要的設計指標。

了解加熱設備的供熱量可為設計有效的采暖或熱水供應方案提供依據。

1.1.2　直流電路基礎知識

直流電路是電流方向與大小不隨時間產生變化，并且電流方向單一的電路，它是最基本也是最簡單的電路。圖1-2所示為一個簡單的直流電路，它能夠實現對直流電動機的驅動，使直流電動機按要求轉動。

在生活和生產中，直流電路的應用十分廣泛，如LED節能燈、直流電動機等均采用直流電路完成供電，實現照明或裝飾（節目彩燈）、直流電動機轉動的功能。另外，大部分使用半導體器件和集成電路的單元電路及其元件也多采用直流供電，因此也屬于直流電路，不同的是需要先將外部的交流電轉換成直流電，如圖1-4所示。

交流220V電壓經變壓器T，先變成交流低壓（12V）。再經整流二極管VD整流后變成脈動直流，脈動直流經LC濾波后變成穩定的直流電壓。

1.1.3　交流電路基礎知識

交流電路是指在電路功能實現的過程中，電流的方向會隨時間產生相應變化的一類電路。相對直流電路而言，就是一種采用交流電進行供電的電路，因此，在了解交流電路之前，首先了解一下交流電的概念和特點。

交流電（alternating current，AC）一般是指電流的大小和方向（即正負極性）會隨時間作周期性變化的電源，包括有交變電流和交變電壓，用“AC”或“ac”表示。

交流電是由交流發電機產生的，主要有單相交流電和多相交流電。

特別提示

交流電又分為交流電源（單相交流電和多相交流電，一般作為能量源如照明電燈用的電源）和交流信號（表示信息內容的信號）。

（1）單相交流電及相關電路

單相交流電是以一個交變電動勢作為電源的電力系統。在單相交流發電機中，只有一個線圈繞制在鐵芯上構成定子，轉子是永磁體，當其內部的定子和線圈為一組時，它所產生的感應電動勢（電壓）也為一組（相），由兩條線進行傳輸，這種電源就是單相電源。

知識學習

圖1-5所示為單相交流電的產生。

采用單相電源進行供電的電路即為單相交流電路。在單相交流電路中，只具有單一的交流電壓，其電流和電壓都是按正弦規律隨時間變化。

單相交流電路在日常生活中非常普遍，在我國家庭照明用電和小功率的用電設備都是單相交流電路，如圖1-6所示。

（2）多相交流電及相關電路

在發電機內設置兩組定子線圈，互相垂直分布在轉子外圍，轉子旋轉時兩組定子線圈產生兩組感應電動勢，這兩組電動勢之間有90°的相位差，如圖1-7所示。這種電源為兩相電源。這種方式多在自動化設備中使用。

三相交流電是由三相交流發電機產生的。在定子槽內放置著三個結構相同的定子繞組A、B、C，這些繞組在空間互隔120°。轉子旋轉時，其磁場在空間按正弦規律變化，當轉子由水輪機或汽輪機帶動以角速度w等速地順時針方向旋轉時，在三個定子繞組中，就產生頻率相同、幅值相等、相位上互差120°的三個正弦電動勢，這樣就形成了對稱三相電動勢，如圖1-8所示。

通常，把三相電源線路中的電壓和電流統稱三相交流電，這種電源由三條線來傳輸，三線之間的電壓大小相等（380V）、頻率相同（50Hz）、相位差為120°。采用三相交流電作為能量源的電路即為三相交流電路。

三相交流電路主要用在電力傳輸及供電系統中，為單相交流電路提供動力源，也可直接用于電力拖動設備用電，如圖1-9所示。

特別提示

三相交流電路中，相線與零線之間的電壓為220V，而相線與相線之間的電壓為380V。

通常，家庭中所使用的單相交流電路往往是三相電源分配過來的。如圖1-10所示，供配電系統送來的電源多為交流380V電源。這種電源是由三根相位差為120°的相線（火線）和一根零線（又稱中性線）構成的。三根相線之間的電壓為380V，而每根相線與零線之間的電壓為220V。這樣，三相交流380V電源就可以分成三組單相220V電源使用。

單相交流電對傳輸電線的顏色有著嚴格的要求，一般相線可以用紅色、綠色、黃色三種顏色的電線，零線用藍色電線，其他顏色的電線不能相互替代使用。

三相交流電對傳輸電線的顏色也有著嚴格的要求，通常三根相線可用紅色、綠色和黃色電線，零線用藍色電線，地線則必須用黃綠相間的電線。不能相互替代，更不能將不同顏色的電線摻雜混合使用，否則會有短路或觸電事故發生。

1.1.4　供配電基礎知識

供配電是指提供、分配和傳輸電能。通常按承載電能類型的不同可分為高壓供配電線路和低壓供配電線路兩種，這里主要介紹低壓供配電線路。

低壓供配電線路是指對380V/220V低壓電進行傳輸和分配的線路，可分為單相（220V）供配電和三相（380V）供配電兩種。

（1）單相供配電

單相供配電是指采用交流220V電壓作為能量源進行供電和配電的系統。一般來說，普通的家庭用電和公共照明設備等多采用220V進行供電。例如，圖1-11所示為家用低壓供配電線路的基本結構組成。

在單相供配電系統中，根據線路接線方式不同，有單相兩線式、單相三線式兩種。

① 單相兩線式　單相兩線式是指供配電線路僅由一根相線（L）和一根零線（N）構成，通過這兩根線獲取220V單相電壓，分配給各用電設備。圖1-12所示為典型的單相兩線式配電系統在家庭照明中的應用。

② 單相三線式　單相三線式是在單相兩線式基礎上，添加一條地線，即由一根相線、一根零線和一根地線構成，其中，地線與相線之間的電壓為220V，零線（中性線N）與相線（L）之間電壓為220V。由于不同接地點存在一定的電位差，因而零線與地線之間可能有一定的電壓。

圖1-13所示為單相三線式配電系統在家庭照明中的應用。

（2）三相供配電

三相供配電是指采用交流三相電源作為能量源進行供電和配電的系統。一般來說，工廠、建筑工地、大部分工業用大功率設備、電力拖動等動力設備以及樓宇中的電梯等多采用380V（三相電）進行供電。

三相電源系統廣泛應用于電力傳輸、分配的線路和設備中。實際上，住宅用電的供給是從三相供配電系統中抽取其中的某一相電壓。目前，常見的三相供配電主要有三相三線式、三相四線式以及三相五線式三種。

① 三相三線式　高壓電經過變壓器變壓后，變成低壓380V，由變壓器引出三根相線，經供配電線路分配后，供給各種電氣設備。每根相線之間的電壓為380V，因此額定電壓為380V的電氣設備可直接連接在相線上，如圖1-14所示。

② 三相四線式　三相四線式供電方式與三相三線式供電方法不同的是從變壓器輸出端多引出一條零線，如圖1-15所示，接上零線的電氣設備在工作時，電流經過電氣設備做功，沒有做功的電流就可經零線回到電廠，對電氣設備起到了保護的作用，這種供配電方式常用于380V/220V低壓動力與照明混合配電。

特別提示

在三相四線式供電方式中，在三相負載不平衡時或低壓電網的零線過長且阻抗過大時，零線將有零序電流通過，過長的低壓電網，由于環境惡化、導線老化、受潮等因素，導線的漏電電流通過零線形成閉合回路，致使零線也帶一定的電位，這對安全運行十分不利。在零線斷線的特殊情況下，斷線以后的單相設備和所有保護接零的設備會產生危險的電壓，這是不允許的。

③ 三相五線式　圖1-16所示為典型三相五線制應用的示意圖。在上文所述的三相四線制供電系統中，再把零線的兩個作用分開，即一根線作為工作零線（N），另一根線作為保護零線（PE或地線），這樣的供電接線方式稱為三相五線制供電方式。

特別提示

采用三相五線制供電方式，用電設備上所連接的工作零線N和保護零線PE是分別敷設的，工作零線上的電位不能傳遞到用電設備的外殼上，這樣就能有效隔離三相四線制供電方式所造成的危險電壓，用電設備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設備產生危險電壓的隱患。

1.1.5　漏電保護與接地

1.1.5.1　漏電保護

自從發明并使用電以后，電不僅為人類的日常生活、學習教育、工業生產等方面帶來了很多的方便，同時也給人類帶來了一定的潛在危害，其中漏電就是危害人類的主要事故原因，漏電可能會燒壞電器，引起火災，或者使人觸電，造成人身危害。

（1）漏電保護的應用場合

為了避免漏電事故的發生，避免許多不必要的損失，就誕生了漏電保護的裝置，用來保護電器設備或人身安全，比較常見的就是漏電保護器（漏電開關），如圖1-22所示。漏電保護器主要用于電路或電氣絕緣設備發生對地短路時或人身觸電時，自動切斷電源，從而保護人身或設備不受損害。

漏電保護器一般安裝在配電箱的供電支路上，或是總電源進線上，如圖1-23所示。

低壓配電系統中設漏電保護器是防止人身觸電事故的有效措施之一，也是防止因漏電引起電氣火災和電氣設備損壞事故的技術措施。但安裝漏電保護器后并不等于絕對安全，運行中仍應以預防為主，并應同時采取其他防止觸電和電氣設備損壞事故的技術措施。

（2）漏電保護的原理

漏電保護器是一種低壓安全保護電器，是對低壓電網中的直接和間接觸電的一種有效保護。斷路器和熔斷器主要是切斷電源供電線路，保護動作電流是按線路上的正常工作最大負荷電流來確定的，電流較大；而漏電保護器是依靠剩余電流進行動作，正常運行時系統的剩余電流幾乎為零，在發生漏電和觸電時，電路產生剩余電流，這個電流對斷路器和熔斷器來說，根本不足以使其動作，而漏電保護器則會可靠的動作。一旦有事故發生，馬上切斷電源，保護電路和人身安全。

如圖1-24所示為漏電保護器的工作原理，電路中的電源供電線穿過零序電流互感器的環形鐵芯，零序電流互感器的輸出端與漏電脫扣器相連接，在被保護電路工作正常，沒有發生漏電或觸電的情況下，通過零序電流互感器的電流向量和等于零，這樣零序電流互感器的輸出端無輸出，漏電保護器不動作，系統保持正常供電。當負載或用電設備發生漏電或有人觸電時，由于漏電電流的存在，使供電電流大于返回電流，通過零序電流互感器兩路電流的向量和不再等于零，在鐵芯中出現了交變磁通。在交變磁通的作用下，零序電流互感器的輸出端就有感應電流產生，當達到額定值時，脫扣器自動跳閘，切斷故障電路，從而實現保護。

特別提示

在安裝和連接漏電保護器時，接地線（PE）不能通過零序電流互感器，因為接地線（PE）通過零序電流互感器時，漏電電流經保護線又送回穿過零序電流互感器，導致電流抵消，從而互感器上檢測不出漏電電流值，在出現故障時，造成漏電保護器不動作，起不到保護作用。

（3）漏電保護器的種類

根據漏電保護器的動作原理，可將其分為電壓型和電流型兩大類。電流型的漏電保護器比電壓型的漏電保護器的性能優越，目前大多數漏電保護器都是電流型的，如圖1-25所示。

1.1.5.2　接地

接地是一種為了能夠使電工設備正常工作，以及人身的安全，而采取的一種用電安全措施，一般接地是通過金屬導線與接地裝置的連接而實現的。

接地主要目的是為家庭或樓宇供電線路、電氣設備等提供接地保護，接地可將電氣設備上產生的漏電流、靜電荷以及雷電電流等引入地下，避免人身觸電和可能發生的火災、爆炸等事故，如圖1-26所示。

通常，接地主要分為保護接地和防雷接地兩種。

（1）保護接地

保護接地是為家庭或樓宇的供電線路和家用電器設備提供接地保護，可將供電電路或家用電器設備產生的漏電流傳送到地，從而起到保護的作用。

如圖1-27所示為保護接地的工作原理。

家庭室內多個插座上的接地線必須由接地干線和接地支線組成，接地干線采用多股絕緣絞線；接地支線允許采用單芯絕緣硬線。當安裝6個或少于6個的插座，并且電源相線總電流不超過30A時，接地干線的一端需要與接地體連接；安裝6個以上的插座時，接地干線的兩端分別需要與接地體連接，如圖1-28所示。插座的接地干線與接地支線之間，應按T形連接法進行連接，連接處要用錫焊進行加固。

當房屋和樓宇需要進行接地保護時，一般會將整個房屋內的電源地線連接在一起后，用一根導電性能良好接地棒將其插入地下一定的深度中，如圖1-29所示。該深度應當根據房屋內整體的電流量而決定，并將接地線與接地棒連接在一起。

特別提示

1000V以下接地點，接地系統中的電氣設備接地電阻不得超過4Ω。小區中的電氣設備系統很小，變電室的容量不超過100kVA，保護接地電阻不要超過10Ω。1000V以上的小區接地系統中，其保護接地不得超過0.5Ω。

（2）防雷接地

雷電接收裝置可以直接使用導線或接避雷針、避雷帶、避雷網和避雷器等金屬導電設備，它位于防雷接地裝置的頂部，是直接接收雷擊的部件，作用是利用其高出被保護物的突出地位把雷電引向自身，承接直擊雷放電。接地線用金屬導體制成，用于連接雷電接收裝置和接地裝置，作用是把雷電接收裝置截獲的雷電流引至接地裝置，是雷電流流入大地的通道。接地裝置是接地線和接地體的總和，被埋在地下一定的深度中，作用是使雷電流順利流散到大地中去。

圖1-31為防雷接地的工作原理。