第1章　家裝水電工的必備基礎(chǔ)

1.1　家裝水電工的知識(shí)基礎(chǔ)

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(guān)儀表儀器，對(duì)配電、照明、給排水、采暖及各種管路設(shè)備進(jìn)行敷設(shè)、安裝和維護(hù)、維修操作。

在學(xué)習(xí)實(shí)際的操作技能之前，要求水電工從業(yè)人員必須掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并以此作為指導(dǎo)實(shí)踐操作的依據(jù)，規(guī)范操作過(guò)程，具備從業(yè)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(yè)過(guò)程中最常遇到的兩個(gè)物理量，在給排水工程或采暖工程前期，首先需要設(shè)計(jì)工程方案，都需要計(jì)算出相關(guān)的水流量或供熱量，以確保設(shè)計(jì)方案的可實(shí)行性和有效性。

（1）水流量

水流量是指在單位時(shí)間內(nèi)水通過(guò)管道或管道有效截面的數(shù)量（m3/s）。在給排水管路設(shè)計(jì)中，可用管道中水的流速乘以管道直徑來(lái)計(jì)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(shè)計(jì)、施工過(guò)程，保證給排水工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（2）供熱量

供熱量是指單位時(shí)間內(nèi)加熱設(shè)備（加熱器）所輸出的熱量，單位一般為kJ/h（千焦/小時(shí)），是采暖工程或熱水供應(yīng)系統(tǒng)中重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

了解加熱設(shè)備的供熱量可為設(shè)計(jì)有效的采暖或熱水供應(yīng)方案提供依據(jù)。

1.1.2　直流電路基礎(chǔ)知識(shí)

直流電路是電流方向與大小不隨時(shí)間產(chǎn)生變化，并且電流方向單一的電路，它是最基本也是最簡(jiǎn)單的電路。圖1-2所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的直流電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使直流電動(dòng)機(jī)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

在生活和生產(chǎn)中，直流電路的應(yīng)用十分廣泛，如LED節(jié)能燈、直流電動(dòng)機(jī)等均采用直流電路完成供電，實(shí)現(xiàn)照明或裝飾（節(jié)目彩燈）、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。另外，大部分使用半導(dǎo)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(zhuǎn)換成直流電，如圖1-4所示。

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

1.1.3　交流電路基礎(chǔ)知識(shí)

交流電路是指在電路功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，電流的方向會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生相應(yīng)變化的一類電路。相對(duì)直流電路而言，就是一種采用交流電進(jìn)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(diǎn)。

交流電（alternating current，AC）一般是指電流的大小和方向（即正負(fù)極性）會(huì)隨時(shí)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(fā)電機(jī)產(chǎn)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(hào)（表示信息內(nèi)容的信號(hào)）。

（1）單相交流電及相關(guān)電路

單相交流電是以一個(gè)交變電動(dòng)勢(shì)作為電源的電力系統(tǒng)。在單相交流發(fā)電機(jī)中，只有一個(gè)線圈繞制在鐵芯上構(gòu)成定子，轉(zhuǎn)子是永磁體，當(dāng)其內(nèi)部的定子和線圈為一組時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電壓）也為一組（相），由兩條線進(jìn)行傳輸，這種電源就是單相電源。

知識(shí)學(xué)習(xí)

圖1-5所示為單相交流電的產(chǎn)生。

采用單相電源進(jìn)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(guī)律隨時(shí)間變化。

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

（2）多相交流電及相關(guān)電路

在發(fā)電機(jī)內(nèi)設(shè)置兩組定子線圈，互相垂直分布在轉(zhuǎn)子外圍，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)兩組定子線圈產(chǎn)生兩組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這兩組電動(dòng)勢(shì)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(dòng)化設(shè)備中使用。

三相交流電是由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。在定子槽內(nèi)放置著三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的定子繞組A、B、C，這些繞組在空間互隔120°。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，其磁場(chǎng)在空間按正弦規(guī)律變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子由水輪機(jī)或汽輪機(jī)帶動(dòng)以角速度w等速地順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在三個(gè)定子繞組中，就產(chǎn)生頻率相同、幅值相等、相位上互差120°的三個(gè)正弦電動(dòng)勢(shì)，這樣就形成了對(duì)稱三相電動(dòng)勢(shì)，如圖1-8所示。

通常，把三相電源線路中的電壓和電流統(tǒng)稱三相交流電，這種電源由三條線來(lái)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(tǒng)中，為單相交流電路提供動(dòng)力源，也可直接用于電力拖動(dòng)設(shè)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(guò)來(lái)的。如圖1-10所示，供配電系統(tǒng)送來(lái)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(gòu)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(duì)傳輸電線的顏色有著嚴(yán)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(lán)色電線，其他顏色的電線不能相互替代使用。

三相交流電對(duì)傳輸電線的顏色也有著嚴(yán)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(lán)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(huì)有短路或觸電事故發(fā)生。

1.1.4　供配電基礎(chǔ)知識(shí)

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(duì)380V/220V低壓電進(jìn)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(jìn)行供電和配電的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，普通的家庭用電和公共照明設(shè)備等多采用220V進(jìn)行供電。例如，圖1-11所示為家用低壓供配電線路的基本結(jié)構(gòu)組成。

在單相供配電系統(tǒng)中，根據(jù)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(gòu)成，通過(guò)這兩根線獲取220V單相電壓，分配給各用電設(shè)備。圖1-12所示為典型的單相兩線式配電系統(tǒng)在家庭照明中的應(yīng)用。

② 單相三線式　單相三線式是在單相兩線式基礎(chǔ)上，添加一條地線，即由一根相線、一根零線和一根地線構(gòu)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(diǎn)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(tǒng)在家庭照明中的應(yīng)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(jìn)行供電和配電的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，工廠、建筑工地、大部分工業(yè)用大功率設(shè)備、電力拖動(dòng)等動(dòng)力設(shè)備以及樓宇中的電梯等多采用380V（三相電）進(jìn)行供電。

三相電源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力傳輸、分配的線路和設(shè)備中。實(shí)際上，住宅用電的供給是從三相供配電系統(tǒng)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(jīng)過(guò)變壓器變壓后，變成低壓380V，由變壓器引出三根相線，經(jīng)供配電線路分配后，供給各種電氣設(shè)備。每根相線之間的電壓為380V，因此額定電壓為380V的電氣設(shè)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(shè)備在工作時(shí)，電流經(jīng)過(guò)電氣設(shè)備做功，沒有做功的電流就可經(jīng)零線回到電廠，對(duì)電氣設(shè)備起到了保護(hù)的作用，這種供配電方式常用于380V/220V低壓動(dòng)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(fù)載不平衡時(shí)或低壓電網(wǎng)的零線過(guò)長(zhǎng)且阻抗過(guò)大時(shí)，零線將有零序電流通過(guò)，過(guò)長(zhǎng)的低壓電網(wǎng)，由于環(huán)境惡化、導(dǎo)線老化、受潮等因素，導(dǎo)線的漏電電流通過(guò)零線形成閉合回路，致使零線也帶一定的電位，這對(duì)安全運(yùn)行十分不利。在零線斷線的特殊情況下，斷線以后的單相設(shè)備和所有保護(hù)接零的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)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(yīng)用的示意圖。在上文所述的三相四線制供電系統(tǒng)中，再把零線的兩個(gè)作用分開，即一根線作為工作零線（N），另一根線作為保護(hù)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(shè)備上所連接的工作零線N和保護(hù)零線PE是分別敷設(shè)的，工作零線上的電位不能傳遞到用電設(shè)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(xiǎn)電壓，用電設(shè)備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設(shè)備產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓的隱患。

1.1.5　漏電保護(hù)與接地

1.1.5.1　漏電保護(hù)

自從發(fā)明并使用電以后，電不僅為人類的日常生活、學(xué)習(xí)教育、工業(yè)生產(chǎn)等方面帶來(lái)了很多的方便，同時(shí)也給人類帶來(lái)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(huì)燒壞電器，引起火災(zāi)，或者使人觸電，造成人身危害。

（1）漏電保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合

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

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

低壓配電系統(tǒng)中設(shè)漏電保護(hù)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(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。但安裝漏電保護(hù)器后并不等于絕對(duì)安全，運(yùn)行中仍應(yīng)以預(yù)防為主，并應(yīng)同時(shí)采取其他防止觸電和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。

（2）漏電保護(hù)的原理

漏電保護(hù)器是一種低壓安全保護(hù)電器，是對(duì)低壓電網(wǎng)中的直接和間接觸電的一種有效保護(hù)。斷路器和熔斷器主要是切斷電源供電線路，保護(hù)動(dòng)作電流是按線路上的正常工作最大負(fù)荷電流來(lái)確定的，電流較大；而漏電保護(hù)器是依靠剩余電流進(jìn)行動(dòng)作，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的剩余電流幾乎為零，在發(fā)生漏電和觸電時(shí)，電路產(chǎn)生剩余電流，這個(gè)電流對(duì)斷路器和熔斷器來(lái)說(shuō)，根本不足以使其動(dòng)作，而漏電保護(hù)器則會(huì)可靠的動(dòng)作。一旦有事故發(fā)生，馬上切斷電源，保護(hù)電路和人身安全。

如圖1-24所示為漏電保護(hù)器的工作原理，電路中的電源供電線穿過(guò)零序電流互感器的環(huán)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(hù)電路工作正常，沒有發(fā)生漏電或觸電的情況下，通過(guò)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(wú)輸出，漏電保護(hù)器不動(dòng)作，系統(tǒng)保持正常供電。當(dāng)負(fù)載或用電設(shè)備發(fā)生漏電或有人觸電時(shí)，由于漏電電流的存在，使供電電流大于返回電流，通過(guò)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(xiàn)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(yīng)電流產(chǎn)生，當(dāng)達(dá)到額定值時(shí)，脫扣器自動(dòng)跳閘，切斷故障電路，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

特別提示

在安裝和連接漏電保護(hù)器時(shí)，接地線（PE）不能通過(guò)零序電流互感器，因?yàn)榻拥鼐€（PE）通過(guò)零序電流互感器時(shí)，漏電電流經(jīng)保護(hù)線又送回穿過(guò)零序電流互感器，導(dǎo)致電流抵消，從而互感器上檢測(cè)不出漏電電流值，在出現(xiàn)故障時(shí)，造成漏電保護(hù)器不動(dòng)作，起不到保護(hù)作用。

（3）漏電保護(hù)器的種類

根據(jù)漏電保護(hù)器的動(dòng)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(hù)器比電壓型的漏電保護(hù)器的性能優(yōu)越，目前大多數(shù)漏電保護(hù)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(shè)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(guò)金屬導(dǎo)線與接地裝置的連接而實(shí)現(xiàn)的。

接地主要目的是為家庭或樓宇供電線路、電氣設(shè)備等提供接地保護(hù)，接地可將電氣設(shè)備上產(chǎn)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(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故，如圖1-26所示。

通常，接地主要分為保護(hù)接地和防雷接地兩種。

（1）保護(hù)接地

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

如圖1-27所示為保護(hù)接地的工作原理。

家庭室內(nèi)多個(gè)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(dāng)安裝6個(gè)或少于6個(gè)的插座，并且電源相線總電流不超過(guò)30A時(shí)，接地干線的一端需要與接地體連接；安裝6個(gè)以上的插座時(shí)，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(yīng)按T形連接法進(jìn)行連接，連接處要用錫焊進(jìn)行加固。

當(dāng)房屋和樓宇需要進(jìn)行接地保護(hù)時(shí)，一般會(huì)將整個(gè)房屋內(nèi)的電源地線連接在一起后，用一根導(dǎo)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(yīng)當(dāng)根據(jù)房屋內(nèi)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(diǎn)，接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備接地電阻不得超過(guò)4Ω。小區(qū)中的電氣設(shè)備系統(tǒng)很小，變電室的容量不超過(guò)100kVA，保護(hù)接地電阻不要超過(guò)10Ω。1000V以上的小區(qū)接地系統(tǒng)中，其保護(hù)接地不得超過(guò)0.5Ω。

（2）防雷接地

雷電接收裝置可以直接使用導(dǎo)線或接避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)和避雷器等金屬導(dǎo)電設(shè)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(hù)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(dǎo)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。