第1章　家装水电工的必备基础

1.1　家装水电工的知识基础

水电工是水工（管工）和电工的总称，要求能够借助电工、管工工具和有关仪表仪器，对配电、照明、给排水、采暖及各种管路设备进行敷设、安装和维护、维修操作。

在学习实际的操作技能之前，要求水电工从业人员必须掌握扎实的基础理论知识，并以此作为指导实践操作的依据，规范操作过程，具备从业资格。

1.1.1　水流量与供热量

水流量和供热量是水电工从业过程中最常遇到的两个物理量，在给排水工程或采暖工程前期，首先需要设计工程方案，都需要计算出相关的水流量或供热量，以确保设计方案的可实行性和有效性。

（1）水流量

水流量是指在单位时间内水通过管道或管道有效截面的数量（m3/s）。在给排水管路设计中，可用管道中水的流速乘以管道直径来计算获得管路的水流量，如图1-1所示。

特别提示

水流量是控制给排水设计、施工过程，保证给排水工程质量的关键因素。

（2）供热量

供热量是指单位时间内加热设备（加热器）所输出的热量，单位一般为kJ/h（千焦/小时），是采暖工程或热水供应系统中重要的设计指标。

了解加热设备的供热量可为设计有效的采暖或热水供应方案提供依据。

1.1.2　直流电路基础知识

直流电路是电流方向与大小不随时间产生变化，并且电流方向单一的电路，它是最基本也是最简单的电路。图1-2所示为一个简单的直流电路，它能够实现对直流电动机的驱动，使直流电动机按要求转动。

在生活和生产中，直流电路的应用十分广泛，如LED节能灯、直流电动机等均采用直流电路完成供电，实现照明或装饰（节目彩灯）、直流电动机转动的功能。另外，大部分使用半导体器件和集成电路的单元电路及其元件也多采用直流供电，因此也属于直流电路，不同的是需要先将外部的交流电转换成直流电，如图1-4所示。

交流220V电压经变压器T，先变成交流低压（12V）。再经整流二极管VD整流后变成脉动直流，脉动直流经LC滤波后变成稳定的直流电压。

1.1.3　交流电路基础知识

交流电路是指在电路功能实现的过程中，电流的方向会随时间产生相应变化的一类电路。相对直流电路而言，就是一种采用交流电进行供电的电路，因此，在了解交流电路之前，首先了解一下交流电的概念和特点。

交流电（alternating current，AC）一般是指电流的大小和方向（即正负极性）会随时间作周期性变化的电源，包括有交变电流和交变电压，用“AC”或“ac”表示。

交流电是由交流发电机产生的，主要有单相交流电和多相交流电。

特别提示

交流电又分为交流电源（单相交流电和多相交流电，一般作为能量源如照明电灯用的电源）和交流信号（表示信息内容的信号）。

（1）单相交流电及相关电路

单相交流电是以一个交变电动势作为电源的电力系统。在单相交流发电机中，只有一个线圈绕制在铁芯上构成定子，转子是永磁体，当其内部的定子和线圈为一组时，它所产生的感应电动势（电压）也为一组（相），由两条线进行传输，这种电源就是单相电源。

知识学习

图1-5所示为单相交流电的产生。

采用单相电源进行供电的电路即为单相交流电路。在单相交流电路中，只具有单一的交流电压，其电流和电压都是按正弦规律随时间变化。

单相交流电路在日常生活中非常普遍，在我国家庭照明用电和小功率的用电设备都是单相交流电路，如图1-6所示。

（2）多相交流电及相关电路

在发电机内设置两组定子线圈，互相垂直分布在转子外围，转子旋转时两组定子线圈产生两组感应电动势，这两组电动势之间有90°的相位差，如图1-7所示。这种电源为两相电源。这种方式多在自动化设备中使用。

三相交流电是由三相交流发电机产生的。在定子槽内放置着三个结构相同的定子绕组A、B、C，这些绕组在空间互隔120°。转子旋转时，其磁场在空间按正弦规律变化，当转子由水轮机或汽轮机带动以角速度w等速地顺时针方向旋转时，在三个定子绕组中，就产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的三个正弦电动势，这样就形成了对称三相电动势，如图1-8所示。

通常，把三相电源线路中的电压和电流统称三相交流电，这种电源由三条线来传输，三线之间的电压大小相等（380V）、频率相同（50Hz）、相位差为120°。采用三相交流电作为能量源的电路即为三相交流电路。

三相交流电路主要用在电力传输及供电系统中，为单相交流电路提供动力源，也可直接用于电力拖动设备用电，如图1-9所示。

特别提示

三相交流电路中，相线与零线之间的电压为220V，而相线与相线之间的电压为380V。

通常，家庭中所使用的单相交流电路往往是三相电源分配过来的。如图1-10所示，供配电系统送来的电源多为交流380V电源。这种电源是由三根相位差为120°的相线（火线）和一根零线（又称中性线）构成的。三根相线之间的电压为380V，而每根相线与零线之间的电压为220V。这样，三相交流380V电源就可以分成三组单相220V电源使用。

单相交流电对传输电线的颜色有着严格的要求，一般相线可以用红色、绿色、黄色三种颜色的电线，零线用蓝色电线，其他颜色的电线不能相互替代使用。

三相交流电对传输电线的颜色也有着严格的要求，通常三根相线可用红色、绿色和黄色电线，零线用蓝色电线，地线则必须用黄绿相间的电线。不能相互替代，更不能将不同颜色的电线掺杂混合使用，否则会有短路或触电事故发生。

1.1.4　供配电基础知识

供配电是指提供、分配和传输电能。通常按承载电能类型的不同可分为高压供配电线路和低压供配电线路两种，这里主要介绍低压供配电线路。

低压供配电线路是指对380V/220V低压电进行传输和分配的线路，可分为单相（220V）供配电和三相（380V）供配电两种。

（1）单相供配电

单相供配电是指采用交流220V电压作为能量源进行供电和配电的系统。一般来说，普通的家庭用电和公共照明设备等多采用220V进行供电。例如，图1-11所示为家用低压供配电线路的基本结构组成。

在单相供配电系统中，根据线路接线方式不同，有单相两线式、单相三线式两种。

① 单相两线式　单相两线式是指供配电线路仅由一根相线（L）和一根零线（N）构成，通过这两根线获取220V单相电压，分配给各用电设备。图1-12所示为典型的单相两线式配电系统在家庭照明中的应用。

② 单相三线式　单相三线式是在单相两线式基础上，添加一条地线，即由一根相线、一根零线和一根地线构成，其中，地线与相线之间的电压为220V，零线（中性线N）与相线（L）之间电压为220V。由于不同接地点存在一定的电位差，因而零线与地线之间可能有一定的电压。

图1-13所示为单相三线式配电系统在家庭照明中的应用。

（2）三相供配电

三相供配电是指采用交流三相电源作为能量源进行供电和配电的系统。一般来说，工厂、建筑工地、大部分工业用大功率设备、电力拖动等动力设备以及楼宇中的电梯等多采用380V（三相电）进行供电。

三相电源系统广泛应用于电力传输、分配的线路和设备中。实际上，住宅用电的供给是从三相供配电系统中抽取其中的某一相电压。目前，常见的三相供配电主要有三相三线式、三相四线式以及三相五线式三种。

① 三相三线式　高压电经过变压器变压后，变成低压380V，由变压器引出三根相线，经供配电线路分配后，供给各种电气设备。每根相线之间的电压为380V，因此额定电压为380V的电气设备可直接连接在相线上，如图1-14所示。

② 三相四线式　三相四线式供电方式与三相三线式供电方法不同的是从变压器输出端多引出一条零线，如图1-15所示，接上零线的电气设备在工作时，电流经过电气设备做功，没有做功的电流就可经零线回到电厂，对电气设备起到了保护的作用，这种供配电方式常用于380V/220V低压动力与照明混合配电。

特别提示

在三相四线式供电方式中，在三相负载不平衡时或低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化、导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。在零线断线的特殊情况下，断线以后的单相设备和所有保护接零的设备会产生危险的电压，这是不允许的。

③ 三相五线式　图1-16所示为典型三相五线制应用的示意图。在上文所述的三相四线制供电系统中，再把零线的两个作用分开，即一根线作为工作零线（N），另一根线作为保护零线（PE或地线），这样的供电接线方式称为三相五线制供电方式。

特别提示

采用三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离三相四线制供电方式所造成的危险电压，用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。

1.1.5　漏电保护与接地

1.1.5.1　漏电保护

自从发明并使用电以后，电不仅为人类的日常生活、学习教育、工业生产等方面带来了很多的方便，同时也给人类带来了一定的潜在危害，其中漏电就是危害人类的主要事故原因，漏电可能会烧坏电器，引起火灾，或者使人触电，造成人身危害。

（1）漏电保护的应用场合

为了避免漏电事故的发生，避免许多不必要的损失，就诞生了漏电保护的装置，用来保护电器设备或人身安全，比较常见的就是漏电保护器（漏电开关），如图1-22所示。漏电保护器主要用于电路或电气绝缘设备发生对地短路时或人身触电时，自动切断电源，从而保护人身或设备不受损害。

漏电保护器一般安装在配电箱的供电支路上，或是总电源进线上，如图1-23所示。

低压配电系统中设漏电保护器是防止人身触电事故的有效措施之一，也是防止因漏电引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。但安装漏电保护器后并不等于绝对安全，运行中仍应以预防为主，并应同时采取其他防止触电和电气设备损坏事故的技术措施。

（2）漏电保护的原理

漏电保护器是一种低压安全保护电器，是对低压电网中的直接和间接触电的一种有效保护。断路器和熔断器主要是切断电源供电线路，保护动作电流是按线路上的正常工作最大负荷电流来确定的，电流较大；而漏电保护器是依靠剩余电流进行动作，正常运行时系统的剩余电流几乎为零，在发生漏电和触电时，电路产生剩余电流，这个电流对断路器和熔断器来说，根本不足以使其动作，而漏电保护器则会可靠的动作。一旦有事故发生，马上切断电源，保护电路和人身安全。

如图1-24所示为漏电保护器的工作原理，电路中的电源供电线穿过零序电流互感器的环形铁芯，零序电流互感器的输出端与漏电脱扣器相连接，在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电的情况下，通过零序电流互感器的电流向量和等于零，这样零序电流互感器的输出端无输出，漏电保护器不动作，系统保持正常供电。当负载或用电设备发生漏电或有人触电时，由于漏电电流的存在，使供电电流大于返回电流，通过零序电流互感器两路电流的向量和不再等于零，在铁芯中出现了交变磁通。在交变磁通的作用下，零序电流互感器的输出端就有感应电流产生，当达到额定值时，脱扣器自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护。

特别提示

在安装和连接漏电保护器时，接地线（PE）不能通过零序电流互感器，因为接地线（PE）通过零序电流互感器时，漏电电流经保护线又送回穿过零序电流互感器，导致电流抵消，从而互感器上检测不出漏电电流值，在出现故障时，造成漏电保护器不动作，起不到保护作用。

（3）漏电保护器的种类

根据漏电保护器的动作原理，可将其分为电压型和电流型两大类。电流型的漏电保护器比电压型的漏电保护器的性能优越，目前大多数漏电保护器都是电流型的，如图1-25所示。

1.1.5.2　接地

接地是一种为了能够使电工设备正常工作，以及人身的安全，而采取的一种用电安全措施，一般接地是通过金属导线与接地装置的连接而实现的。

接地主要目的是为家庭或楼宇供电线路、电气设备等提供接地保护，接地可将电气设备上产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故，如图1-26所示。

通常，接地主要分为保护接地和防雷接地两种。

（1）保护接地

保护接地是为家庭或楼宇的供电线路和家用电器设备提供接地保护，可将供电电路或家用电器设备产生的漏电流传送到地，从而起到保护的作用。

如图1-27所示为保护接地的工作原理。

家庭室内多个插座上的接地线必须由接地干线和接地支线组成，接地干线采用多股绝缘绞线；接地支线允许采用单芯绝缘硬线。当安装6个或少于6个的插座，并且电源相线总电流不超过30A时，接地干线的一端需要与接地体连接；安装6个以上的插座时，接地干线的两端分别需要与接地体连接，如图1-28所示。插座的接地干线与接地支线之间，应按T形连接法进行连接，连接处要用锡焊进行加固。

当房屋和楼宇需要进行接地保护时，一般会将整个房屋内的电源地线连接在一起后，用一根导电性能良好接地棒将其插入地下一定的深度中，如图1-29所示。该深度应当根据房屋内整体的电流量而决定，并将接地线与接地棒连接在一起。

特别提示

1000V以下接地点，接地系统中的电气设备接地电阻不得超过4Ω。小区中的电气设备系统很小，变电室的容量不超过100kVA，保护接地电阻不要超过10Ω。1000V以上的小区接地系统中，其保护接地不得超过0.5Ω。

（2）防雷接地

雷电接收装置可以直接使用导线或接避雷针、避雷带、避雷网和避雷器等金属导电设备，它位于防雷接地装置的顶部，是直接接收雷击的部件，作用是利用其高出被保护物的突出地位把雷电引向自身，承接直击雷放电。接地线用金属导体制成，用于连接雷电接收装置和接地装置，作用是把雷电接收装置截获的雷电流引至接地装置，是雷电流流入大地的通道。接地装置是接地线和接地体的总和，被埋在地下一定的深度中，作用是使雷电流顺利流散到大地中去。

图1-31为防雷接地的工作原理。