1.1. Основные понятия электротехники
1.5. Нагрузка, перегрузка, короткое замыкание. Электрическая защита
Электрик, электромонтёр - специалист по монтажу электрических сетей, по установке и присоединению к ним различного электрооборудования (электродвигателей, трансформаторов, холодильников, электроплит и т.д.), по наладке, профилактике и ремонту электроустановок.
Для домашнего электрика основной задачей является содержание в порядке электропроводки и электрооборудования в квартире. Он должен владеть определённым минимумом электротехнических знаний и навыков, чтобы уметь правильно и безопасно определить и по возможности устранить неисправности в квартирной электропроводке, бытовых электроприборах, электроустановочных устройствах, а также обеспечить полноценную защиту квартирной электросети от перегрузок и коротких замыканий. К работам, выполняемым домашним электриком, относятся, например, монтаж несложной электропроводки, замена неисправных штепсельных розеток, выключателей, перезарядка штепсельных вилок, замена или ремонт сетевых шнуров бытовых электроприборов. Для выполнения этих работ ему потребуются: из инструментов - нож, кусачки, 2-3 отвёртки под разные шлицы, дрель, электропаяльник; из материалов - провода, изоляционная лента, картон, жесть, листовой асбест, алебастр, ролики, болты, шайбы, гвозди, шурупы и т.п.; из электроустановочных устройств - штепсельные розетки и вилки, выключатели, патроны и др.
1.1. Основные понятия электротехники
Области применения электричества весьма разнообразны. Соответственно и электроустановки имеют существенные различия, но любая из них имеет одну и ту же основу: она образует замкнутую электрическую цепь, обеспечивающую упорядоченное движение в ней заряженных частиц - электронов. Такое упорядоченное движение называется электрическим током. Для создания электрического тока цепь должна содержать источник тока (генератор, гальванический элемент, электробатарею и т.д.), соединённый с электроприёмником (лампой накаливания, электродвигателем, телевизором, бытовым электроприбором и т.п.) двумя проводами - прямым и обратным. По прямому проводу ток поступает от источника в электроприёмник, а по обратному - возвращается снова к источнику тока; без таких электрических цепей ни один электроприёмник не может работать. Для управления электрическими цепями в них вводят коммутационные устройства (выключатели, переключатели, реле и др.), а для предотвращения перегрузок и разрушения от очень большого тока при коротком замыкании - приборы электрической защиты: плавкие предохранители или (лучше) автоматические выключатели.
Источник тока создаёт в цепи напряжение. Оно измеряется в вольтах (В) или производных от вольта единицах: киловольтах (кВ), милливольтах (мВ); 1 кВ = 1000 В, 1 мВ = 0,001 В. В квартирах напряжение обычно 220 или 127 В, в плоской батарейке для карманного фонарика - 4,5 В, в гальваническом элементе - 1,5 В. Напряжения линий электропередач - 110, 220, 500 или 750 кВ, городских кабельных линий - 6...10 кВ.
Сила тока (или просто ток) в цепи измеряется в амперах (А), килоамперах (кА), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА); 1 кА=1000 А, 1 мА = 0,001 А, 1 мкА = 0,000001 А. Например, ток лампы накаливания мощностью 100 Вт на номинальное напряжение 220 В равен 0,45 А, на напряжение 127 В - 0,78 А. Ток в электронных часах измеряется микроамперами.
Частота переменного тока (напряжения) измеряется в герцах (Гц). Промышленная частота переменного тока, вырабатываемого всеми электростанциями в России, 50 Гц, т.е. 50 периодов в секунду. Частота, на которой работают вторая и третья программы трёхпрограммного радиовещания, 78 и 120 кГц; 1 кГц =1000 Гц.
Мощность активная, которую потребляет какой-либо электроприёмник, измеряется в ваттах (Вт), гектоваттах (гВт), киловаттах (кВт), мегаваттах (МВт); 1 гВт= 100 Вт, 1 кВт=1000 Вт, 1 МВт =1 000 000 Вт =1000 кВт. Мощности ламп накаливания в квартирах - 15...150 Вт, электродвигателей лифтов, насосов водоснабжения и др. - несколько киловатт, утюга - 1 кВт, пылесоса - 0,6 кВт, холодильника - 0,2 кВт, электроплиты - 5,8 кВт (цифры средние). Мощности электростанций достигают сотен тысяч киловатт или, что то же самое, сотен-мегаватт. Кроме активной мощности, в цепях переменного тока вводится понятие полной (кажущейся) мощности, которая характеризует мощность, отдаваемую в цепь источником переменного тока. Единица полной мощности - вольт-ампер (В·А).
Работа (энергия) электрического тока измеряется в ватт-секундах (Вт·с), ватт-часах (Вт·ч). Лампа накаливания мощностью 100 Вт, если она горит ежедневно по 4 ч, за месяц потребляет 100 Вт х 4ч х 30 дней = 12 000 Вт ч = 12 кВт ч. Электроплитка мощностью 1 кВт за полчаса расходует 1 кВт х 0,5 ч = 0,5 кВт·ч.
Сопротивление участка электрической цепи измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм); 1кОм = 1000Ом, 1 МОм = 1 000 000 Ом. Сопротивление нагревательного элемента утюга мощностью 1000 Вт на напряжение 220 В - ок. 50 Ом. Сопротивления резисторов, применяющихся в радиоприёмниках, лежат в пределах от нескольких ом до нескольких мегаом.
Сопротивление изоляции электропроводки измеряется в мегаомах.
В квартирах работают электроприёмники однофазного переменного тока. Между электрическими величинами в цепях однофазного тока существуют следующие зависимости.
1. P=UIcosφ, где P - мощность, Вт; U - напряжение, В; I - сила тока, А; cosφ - коэффициент мощности (φ - сдвиг по фазе между напряжением и током), равный отношению активной мощности к полной. В цепях ламп накаливания и нагревательных приборов cosφ = 1, в цепях люминесцентных ламп - примерно 0,9.
2. A = Pt, где А - работа, кВт ч; Р- мощность, кВт; t - время, ч, в течение которого нагрузка включена.
3. R=U:I; U=IR, I=U:R, где R - сопротивление, Ом; U - напряжение, В; I - сила тока, А.
Эти простые зависимости позволяют решать многие вопросы, возникающие в практике домашнего электрика.
Пример 1
В квартире установлена электроплита на напряжение 220 В с четырьмя конфорками мощностью 1000, 1500, 1800 и 2000 Вт. Мощность жарочного шкафа 2500 Вт. Плита защищена автоматическим выключателем с током расцепления 25 А. Были включены 1-я, 2-я и 4-я конфорки. Когда же включили жарочный шкаф, сработал автоматический выключатель и отключил плиту. В чём дело? Прежде всего надо проверить, исправна ли плита. Убедившись в её исправности, следует вычислить суммарный ток, потребляемый плитой, и сравнить его с уставкой (током расцепления) автоматического выключателя. Ток первой конфорки равен 4,5 А (1000:220 = 4,5), второй - 6,8 А, четвёртой - 9,1 А. Суммарный ток, потребляемый конфорками, равен 4,5 + 6,8 + 9,1=20,4 А, что меньше тока расцепления: 20,4 <25 А. При включении жарочного шкафа нагрузка на сеть возросла на 11,3 А (2500:220=11,3) и составила 20,4 + 11,3 = 31,7 А, превысив таким образом уставку автоматического выключателя. Вывод: перед включением жарочного шкафа следует разгрузить сеть, т.е. отключить одну (2-ю или 4-ю) конфорку.
Пример 2
Кондиционер на напряжение 220 В мощностью 1500 Вт подключили к сети с напряжением 127 В через автотрансформатор мощностью 800 Вт. При включении кондиционера диск электросчётчика стал чрезмерно быстро вращаться, а спустя некоторое время сгорел автотрансформатор. Почему? Кондиционер «нагружает» сеть током 11,8 А (1500:127 = 11,8), что почти вдвое превышает номинальный ток автотрансформатора 6,3 А (800:127 = 6,3). В результате обмотка трансформатора перегревается и он выходит из строя. Кроме того, при подключении кондиционера дополнительно к уже имеющейся нагрузке (светильники, холодильник, телевизор и пр.), составляющей обычно ок. 4 А, суммарный ток 11,8 + 4 = 15,8 А превышает не только номинальный ток счётчика (5 А), но и его максимально допустимое значение (15 А). Вывод: 1) мощность трансформатора не должна быть меньше мощности подключаемого к нему электроприбора; 2) ток нагрузки должен соответствовать значениям, указанным на щитке электросчётчика.
1.2. Электроснабжение домов
Присоединение дома к электросети. Электроэнергия к светильникам и бытовым электроприборам, а также к общедомовым потребителям (лифты, насосы, вентиляторы, освещение территории) поступает от вторичной обмотки трансформатора, установленного вблизи дома. От трансформатора отходят четыре провода: три фазных A, В, С (или Ж, 3, К соответственно, т.к. на подстанциях шины окрашены в жёлтый, зелёный и красный цвета). Четвёртый провод нулевой 0, его же называют нейтральным N.
Между каждой парой фаз А-В, В-С, С-А напряжение 380 В, между каждой фазой и нулевым проводом A-0, В-0, С-0 - 220 В. В старых домах можно встретить сети на напряжение между фазами 220 В, а между фазными и нулевым проводами - 127 В. Нейтраль в этих сетях изолирована. Пропускная способность сетей на 220/127 В мала, что препятствует применению бытовых электроприборов сравнительно большой мощности. Заменяя трансформатор и расчётные счётчики (но не провода), повышают пропускную способность сети втрое.
Ввод в дом. В небольшие дома, питающиеся от воздушных линий, вводы выполняют изолированными проводами. В большой дом питающий кабель от трансформатора подводят к вводно-распределительному устройству. От него отходят стояки - провода, прокладываемые вертикально по лестничным клеткам. К стоякам на каждом этаже присоединяют этажные щитки (рис. 1). Фазы нагружают равномерно, питая от каждого фазного провода стояка одинаковое количество квартир.
Рис. 1. Примеры исполнений этажных щитков: а - щиток для присоединения двух квартир, устанавливаемый в нише; б - щиток для присоединения четырёх квартир; в - присоединение стояка к сети; 1 - предохранители; 2 - автоматические выключатели; 3 - петли для крышки; 4 - отверстия для ввода проводов; 5 - номера квартир; 6 - выключатели; 7 - верхний отсек; 8 - окна, через которые снимают показания счётчиков; 9 - панель, закрывающая счётчики; 10 - предохранители в фазных проводах; 11 - общий выключатель в начале стояка.
Стояк может быть отключён от сети общим выключателем. Каждая фаза защищается предохранителем либо автоматическим выключателем.
СТРОГОЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: В нулевой провод в начале стояка нельзя вводить ни выключатели, ни предохранители.
1.3. Электрические схемы
Условные графические обозначения для принципиальных электрических схем приведены на рис. 2. Схема групповой квартирной сети современного дома дана на рис. 3: фазные провода А, В и С и нулевой (нейтральный) провод N образуют стояк; в фазные провода введены предохранители 1 (в нейтральном проводе, конечно, предохранителей нет); 2 - двухполюсный пакетный выключатель; 3 - счётчик на номинальный ток 10 А, допускающий длительную нагрузку 34 А; 4 - автоматический выключатель на ток 16 А для защиты группы, питающей лампы 5 общего освещения; 6 - автоматический выключатель на ток 16 А для защиты сети штепсельных розеток 7 (розетки без защитных контактов) и розетки 8 в кухне на 10 А с защитным контактом (в неё включают бытовые приборы, требующие зануления корпуса); 9 - автоматический выключатель на ток 32 А для электроплиты мощностью до 8 кВт; 10 - штепсельная розетка с защитным контактом для электроплиты.
Рис. 2. Условные графические обозначения для принципиальных электрических схем: 1 - провод; 2 - провода пересекаются, но без соединения; 3 - провода соединяются (точка); 4 - ответвление провода; 5 - выключатель; 6 - выключатель автоматический; 7 - предохранитель плавкий; 8 - выключатель кнопочный нажимной (кнопка); 9 - контакт реле времени: замыкается сразу, размыкается с выдержкой времени; 10 - то же: замыкается с выдержкой времени, размыкается сразу; 11 - контакт путевого и конечного выключателей замыкающий; 12 - то же размыкающий; 13 - звонок; 14 - гнёзда двухполюсной штепсельной розетки; 15 - штыри (штифты, контакты) двухполюсной вилки; 16 - трёхполюсное штепсельное соединение; 17 - лампа накаливания; 18 - нагревательный элемент бытового электроприбора; 19 - светильник с люминесцентными лампами; 20 - счётчик однофазный (жирная черта - токовая обмотка, тонкая черта - обмотка напряжения).
Рис. 3. Схема групповой сети современного дома и её присоединение к стояку.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ. 1. Для зануления от этажного щитка прокладывается отдельный проводник (на рис. 3 - синий) сечением, равным сечению фазного проводника. Ни в нулевом защитном (синем), ни в нулевых рабочих (чёрных) проводах аппараты защиты (предохранители, автоматические выключатели) не устанавливают. 2. Выключатель 2 перед счётчиком 3 служит для безопасной смены счётчика.
Исходные схемы. Схемы, приведённые на рис. 4, 5, 6, в конкретных случаях могут применяться в любых сочетаниях, поэтому они названы исходными. На рисунках сверху (а) даны картинки, из которых ясно, какие элементы электропроводки рассматриваются. Под ними (б) показаны соответствующие им схемы.
Рис. 4. Исходная схема. Лампы накаливания и штепсельные розетки.
Рис. 5. Исходная схема. Люстры и звонки.
Рис. 6. Исходная схема. Люминесцентные светильники: 1 - стартёродержатель; 2 - стартёр; 3 - пускорегулирующий аппарат (ПРА); 4 - колодка, через которую присоединяется ПРА; 5 - конденсатор для подавления радиопомех; 6 - ламподержатель; 7 - колодка для присоединения проводов от сети и выключателя.
Итак, на любой исходной схеме изображены два питающих провода, условно обозначенные I (красный) и II (синий); между ними напряжение 220 или 127 В. Рассмотрим 16 наиболее важных на практике схем подключения к питающим проводам штепсельных розеток, выключателей, патронов ламп накаливания, звонков, люминесцентных ламп в различных комбинациях.
1. Штепсельная розетка. Один провод, идущий к ней, присоединён только к проводу I, другой - только к проводу II.
2. Две штепсельные розетки, расположенные одна под другой. Левые гнёзда обеих розеток соединены между собой, правые - тоже между собой. В результате к левым гнёздам подаётся питание от провода I, к правым - от провода II.
3. В схеме настенного патрона с выключателем провод I присоединён к одному из выводов патрона, провод II - к одному из выводов выключателя. Другие выводы патрона и выключателя соединены между собой. Таким образом, на пути от провода II к патрону врезан выключатель.
4. Две лампы в настенном бра соединены параллельно. К верхним выводам их патронов присоединён провод I. Нижние выводы соединены с выключателем. К другому выводу выключателя подходит провод II. Выключатель включает и гасит сразу обе лампы.
5. Лампа подвешена к потолку, выключатель установлен на стене. Провод I подведён к патрону, провод II - к выключателю. Свободные выводы патрона и выключателя соединены.
6. Тот же случай, но под выключателем установлена розетка. К розетке нужно подвести провода I и II. Но провод II уже присоединён к выключателю, а он находится рядом. Поэтому между левым выводом выключателя и левым гнездом розетки просто сделана перемычка. К правому гнезду от провода I выполнен спуск, причём без захода к выключателю. Таким образом, на участке от проводов I и II до выключателя идут три провода, от выключателя до розетки - два, причём один из них к выключателю не присоединён, хотя может проходить под ним.
Примечание. Присоединять штепсельную розетку параллельно выводам выключателя (т.е. без третьего провода) неверно. При включении в неё, например, настольной лампы она окажется соединённой последовательно с лампой, подвешенной к потолку, и пока выключатель отключён, обе лампы будут светиться неполным накалом (напряжение между ними разделится пропорционально их сопротивлениям). Когда же выключатель включат, лампа на потолке загорится нормально, а настольная погаснет.
7. Схема лампы, укреплённой на потолке, с выключателем на стене такая же, как схема 5.
8. Тот же случай, но по потолку дальше на противоположную сторону идут провода к штепсельной розетке. Так как к одному выводу патрона уже подведён провод I, то к этому выводу нужно присоединить провод, идущий к одному гнезду розетки. К другому гнезду приходится вести самостоятельный провод для присоединения к проводу II. Таким образом, на участке от проводов I и II до патрона идут три провода, а от патрона до розетки - два, причём один из них в патрон не заходит.
Примечание. Присоединить штепсельную розетку параллельно выводам патрона неверно, т.к. при отключённом выключателе штепсельная розетка работать не будет.
9. Штепсельная розетка с тремя гнёздами. К ней подходят три провода. Два из них присоединяются так же, как в схеме 1. Третье гнездо защитное, к нему от этажного щитка прокладывается отдельный проводник, у которого сечение равно сечению фазного проводника. Этот защитный проводник через этажный щиток соединён с нулевой точкой трансформатора, т.е. с его помощью осуществляется зануление.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Ни при каких обстоятельствах нельзя провод от защитного гнезда присоединять к водопроводной, канализационной, отопительной или газовой сети. Такое присоединение не только бесполезно, но и опасно, потому что при повреждении изоляции прибора не гарантируется перегорание предохранителя (отключение автоматического выключателя). А это значит, что трубы и краны водопроводной, канализационной и отопительной сети окажутся под напряжением.
Обратите внимание также на то, что в розетке с двумя гнёздами совершенно безразлично, как она присоединена; важно, чтобы один провод подходил к одному гнезду, а другой - к другому гнезду. В розетке с тремя гнёздами необходимо строго соблюдать порядок присоединения.
10. Люстра с двумя выключателями (рис. 5). Первые выводы всех ламп соединены с проводом I. К обоим выключателям присоединён провод II. Одна из ламп включается выключателем S1. Вторые выводы остальных ламп соединены между собой, и все эти лампы включаются выключателем S2.
11. Та же схема, но использован сдвоенный двухклавишный выключатель S3.
12. Безыскровый звонок Н1 (рис. 5) имеет две обмотки: питающую (на рис. - зелёная) и управляющую (чёрная). Кнопочный выключатель и проводка должны быть рассчитаны на 250 В. Такая схема применяется в сухих отапливаемых помещениях. Управляющая обмотка замкнута накоротко; питающая - кратковременно включается кнопочным выключателем SВ1.
13. Безыскровый звонок Н2. Эта схема применяется, если кнопочный выключатель находится в сыром помещении. Питающая обмотка всегда присоединена к проводам I и II. Кнопочный выключатель SВ2 введён в цепь управляющей обмотки.
14. Настенный светильник с U-образной люминесцентной лампой (рис. 6). Пускорегулирующий аппарат, стартёр и конденсатор находятся внутри светильника; их соединяют на заводе-изготовителе. Снизу в светильник встроен выключатель S5. Светильник присоединяется к сети двумя проводами.
15. Настенный светильник с одной люминесцентной лампой. Выключатель S6 вынесен и установлен отдельно.
16. Двухламповый подвесной светильник с вынесенным выключателем S7.
Присоединение бытовых электроприборов к сети выполняется с помощью штепсельных розеток и вилок по одной из следующих двух схем. Двухпроводная схема (рис. 7, а) применяется в тех случаях, если конструкцией прибора не предусмотрено зануление (заземление) корпуса. Приборами пользуются в сухих отапливаемых помещениях без повышенной опасности, например в жилых комнатах. Трёхпроводная схема (рис. 7, б) применяется только в тех случаях, когда зануление (заземление) предусмотрено конструкцией прибора: провода от пластин 1 и 2 вилки 3 являются рабочими, т.е. именно они присоединяют прибор к сети; пластина 4 - защитная (зануляющая или заземляющая), провод от неё присоединяют к корпусу прибора 5. У специальной вилки (рис. 7, в) защитная пластина 4 вилки 3 длиннее рабочих, благодаря чему при включении вилки раньше осуществляется зануление корпуса, а лишь затем присоединяется к сети прибор. При отключении вилки сначала отсоединяется прибор и только после этого снимается зануление. Пластины трёхпроводной вилки и гнёзда розетки расположены таким образом, что вилку в розетку можно включить только одним-единственным способом.
Рис. 7. Присоединение к сети бытовых электроприборов: а - двухпроводная схема; б - трёхпроводная; в - вилка и розетка с защитными контактами.
КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ: 1) приделывать защитный провод, если он не предусмотрен конструкцией прибора; 2) ликвидировать защитный провод; 3) пересоединять защитный провод с одной пластины (штифта) на другую (другой штифт); 4) менять местами провода, подходящие к штепсельной розетке; 5) объединять один из рабочих проводов с защитным.
1.4. Зануление и заземление
Зануление и заземление имеют одно и то же назначение - защитить от поражения электрическим током человека, прикоснувшегося к корпусу электроприбора, если корпус из-за нарушения изоляции оказался под напряжением. Применение в одних случаях зануления, а в других заземления определяется системой электропитания. Так, в сетях с глухозаземлённой нейтральной (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатора применяется зануление, т.е. соединение металлических нетоковедущих частей (корпусов) с глухозаземлённой нейтральной точкой трансформатора. Зануление применяется во всех новых жилых домах, а также в старых домах, где произведено переключение электропитания квартир со 127 на 220 В. Смысл зануления состоит в следующем. При повреждении изоляции прибора (любого электроприёмника, присоединённого к сети) образуется цепь: начало фазной обмотки трансформатора - фазный провод - прибор - место замыкания на корпус - защитный проводник - нулевая точка вторичной обмотки трансформатора. Возникает однофазное короткое замыкание, ток резко возрастает. В результате срабатывает автоматический выключатель (перегорает вставка предохранителя) и отключает прибор с повреждённой изоляцией, что и требуется.
Защитное заземление - это преднамеренное соединение с «землёй» или её эквивалентом; оно применяется в сетях с изолированной нейтралью, например в старых домах с сетями 220/127 В.
Совершенно ясно, что: а) в защитном проводнике не должно быть разрывов, в него не включают ни выключатели, ни предохранители и все соединения выполняют особенно тщательно; б) сопротивление защитного проводника должно быть достаточно мало, иначе ток однофазного короткого замыкания не достигнет значения, при котором срабатывает автоматический выключатель; в) водопроводные, отопительные и газовые трубы хотя и не изолированы, но с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора непосредственно не соединены. Поэтому они не могут заменить защитный проводник. Более того, если из-за повреждения изоляции проводов на трубах появится напряжение, а автоматический выключатель не отключится (т.к. ток короткого замыкания будет слишком мал), все трубы окажутся под напряжением.
1.5. Нагрузка, перегрузка, короткое замыкание. Электрическая защита
Ток, проходящий по проводу и нагревающий его, называется нагрузкой. Чем нагрузка больше, тем провод горячее. Но пока температура не превышает допустимого значения, изоляция работает устойчиво, надёжно и служит достаточно долго. Нагрев провода сокращает срок службы изоляции: резина высыхает, растрескивается, осыпается; бумага и пряжа обугливаются; пластмассы размягчаются и оплавляются. Нагрузкой называют также любой приёмник (потребитель) электроэнергии в электрической цепи.
Ток, вызывающий чрезмерный нагрев, называется перегрузкой. При больших перегрузках изоляция быстро разрушается (перегорает) и между проводами возникает короткое замыкание. При коротком замыкании ток катастрофически быстро повышается (в десятки и сотни раз), и если его быстро не отключить, то изоляция вспыхнет, обгорит, разрушится, что может привести к пожару.
Короткое замыкание нередко возникает и в результате механических повреждений проводов и небрежного обращения с электроприборами. Возможные причины коротких замыканий проиллюстрированы на рис. 8: неосторожное обращение с оголёнными токоведущими частями аппаратов; закорачивание металлическими предметами штепсельных гнёзд 1, штифтов штепсельных вилок 2, внутренних частей патрона 3; перетирание изоляции в местах, где провода перегибаются, например у ввода в вилку 4, настольную лампу 5, патрон 6, медицинский рефлектор 7; перекручивание проводов 8, протискивание их под трубы 9, за багет и т.п.; изгибание под прямым углом 10; повреждение изоляции при малярных работах (если электропроводка открытая), при сооружении антресолей, стенных шкафов или навешивании полок.
Рис. 8. Места и причины возникновения коротких замыканий.
Чтобы не повредить провода, проложенные скрыто, нужно мысленно соединить ответвительные коробки, выключатели, штепсельные розетки, светильники. По всей вероятности, по этим кратчайшим трассам скрыто проложены провода. В этих местах нельзя ни сверлить стены, ни забивать гвозди.
Избирательность - важнейшее достоинство электрической защиты. Обратившись к рис. 9, видим, что ток короткого замыкания проходит не через один, а через несколько предохранителей.
Рис. 9. Избирательность: а - при коро ком замыкании перегорают предохранители, расположенные ближе всего к источнику короткого замыкания, если идти по направлению от источника питания к нагрузке; б - графики, иллюстрирующие время перегорания различных предохранителей при заданной силе тока.
Если предохранители выбраны правильно и они исправны, то при коротком замыкании перегорают те из них, которые расположены ближе всего к месту короткого замыкания, остальные остаются целыми.
В нашем примере одна из квартир получает питание от проводов С и N. Зигзагообразными красными стрелками К1, К2 ..., К5 показаны примерные места возможных коротких замыканий (происходящих, конечно, неодновременно). Цветными линиями обведены участки проводки - зоны защиты, при замыканиях в которых должен перегореть предохранитель, находящийся ближе всего к данной зоне. Так, при коротком замыкании в точках К2 и К3перегорает только предохранитель III. Из схемы видно, что чем дальше от источника питания расположен предохранитель, тем меньшее число потребителей лишается электропитания при его перегорании. Например, предохранитель IV отключает только телевизор, III - целую группу, т.е. несколько комнат, II - всю квартиру, I - все квартиры, присоединённые к фазе С стояка. Значит, нужно стремиться к тому, чтобы при коротких замыканиях перегорали только те предохранители, которые находятся ближе к месту короткого замыкания. В противном случае будет нарушаться электропитание большего числа потребителей, чем это возможно при данном расположении предохранителей. Это требование в технике называется избирательностью, или селективностью.
Идею избирательности предохранителей иллюстрирует график (рис. 9, б). По горизонтальной оси отложены значения токов, по вертикальной - время перегорания предохранителей, а кривые I, II, III, IV- их характеристики. По ним, задавшись силой тока, можно узнать, за какое время перегорает предохранитель.
Пусть, например, ток короткого замыкания в точке К1 составляет I. Чтобы определить время перегорания различных предохранителей, через точку I проводят вертикальную линию, а из мест её пересечения с характеристиками - горизонтальные линии до пересечения с вертикальной осью и отсчитывают по ней интересующее нас время. Так, время tIV перегорания предохранителя IV меньше времени tIII, а время tII предохранителя II больше времени tIII, и т.д. Одним словом, при коротком замыкании в точке К1, прежде всего перегорит предохранитель IV. После его перегорания место короткого замыкания окажется отсоединённым от сети и ток уменьшится до нормального значения, а все остальные предохранители останутся целыми. А что если предохранитель IV слишком толст и не смог перегореть за положенное ему время? Тогда перегорит предохранитель III. А если и он плох? Перегорит предохранитель II, и вся квартира останется без света. Если откажет предохранитель II, то перегорит предохранитель I и свет погаснет во всех квартирах.
Надо знать, что время перегорания пробки каждого следующего предохранителя (по направлению от нагрузки к питанию) больше, из-за чего ток короткого замыкания через провода проходит дольше и, следовательно, сильнее их нагревает. При отказе предохранителя в квартире не исключено, что тонкие провода в ней загорятся раньше, чем успеет перегореть предохранитель I.
1.6. Экономия электроэнергии
Расход электроэнергии учитывают счётчики. Расходовать электроэнергию нужно экономно, но экономить её - вовсе не значит ограничивать разумное потребление. Не нужно ради экономии читать при плохом освещении, есть недоваренную пищу, ходить по тёмным лестницам. Но получить хорошие результаты возможно и при экономном расходовании электроэнергии.
Освещение. Настольная лампа мощностью 40 Вт (рис. 10) хорошо освещает книгу. Лампа такой же мощности, расположенная под потолком, освещает книгу значительно хуже, т.к. освещённость обратно пропорциональна квадрату расстояния. Люстру, управляемую переключателем (или двумя выключателями), можно включать и полностью, и неполностью.
Рис. 10. Экономное (книга освещена настольной лампой) и неэкономное (лампа далеко от книги) освещение рабочего места.
Для освещения лестничных клеток, коридоров, прихожих, кухонь целесообразно применять светильники с люминесцентными лампами. Они экономичнее ламп накаливания, долговечнее и менее чувствительны к повышениям напряжения, что обычно бывает в ночное время.
Неэкономно полностью освещать всю ночь лестницу, по которой пройдут 2-3 человека. Гораздо лучше установить на каждом этаже кнопочный пневматический выключатель (рис. 11). Нажатием его кнопки 3 включают освещение. Отключается оно автоматически через несколько минут. Если этого времени мало, то кнопку надо нажать ещё раз. При нажатии кнопки 3 (рис. 11, а) замыкается цепь, т.к. подвижный контакт 1 соединяется с неподвижным контактом 2. Отключающая пружина 4 растягивается, возвратная пружина 6 сжимается, а из камеры 7, закрытой резиновой мембраной 5, выходит воздух. Когда кнопку отпускают, воздух через калиброванное отверстие 8 постепенно входит в камеру. Кнопка 3 при этом постепенно поднимается, но контакты остаются замкнутыми, т.к. до поры до времени места их шарнирного крепления О1 расположены ниже мест О2 крепления отключающей пружины 4. С течением времени, однако, точки О1, поднимаясь, оказываются выше точек О2, и тогда пружина 4 быстро размыкает контакты (рис. 11,6).
Рис. 11. Кнопочный выключатель - пневматическое реле времени: а - кнопка нажата, контакт замкнулся; б - кнопка отпущена, контакт с выдержкой времени разомкнулся; в - общий вид выключателя.
Выдержка времени задаётся микрометрическим винтом 9, который определяет продолжительность заполнения камеры воздухом.
1.7. Электромонтажные работы
Подготовка к работе. Многим приходится выполнять дома небольшие электромонтажные работы. Прежде чем приступить к работе, нужно ясно себе представить, какими способами и из каких материалов выполняются электропроводки. Перед выполнением собственно монтажных работ полезно провести небольшую проектную подготовку, а именно: выяснить, из какого материала сделаны стены (из дерева, кирпича или бетона) и как они оформлены: окрашены, оклеены оболми, покрыты сухой гипсовой или мокрой штукатуркой; выбрать вид проводки и подходящую марку проводов; подобрать необходимые электроустановочные устройства (выключатели, штепсельные розетки и др.) и светильники. Решив перечисленные выше вопросы, надо заготовить всё, что требуется для выполнения конкретной работы, в т.ч. материалы (ролики, шурупы, изоляционные трубки и др.), и подготовить инструменты.
Особенности применения инструментов при электромонтажных работах. Начинающий домашний мастер должен знать, что ручки пассатижей, круглогубцев, кусачек должны быть покрыты слоем изоляционного материала, а ручки отвёрток сделаны из пластмассы (лучше) или дерева (хуже). Нужно иметь две отвёртки: маленькую и большую. Маленькой отвёрткой привинчивают и отвинчивают крышки выключателей и штепсельных розеток, а также провода к зажимам аппаратов. Большой отвёрткой привинчивают ролики и розетки. Нельзя пытаться маленькой отвёрткой привинчивать большие винты, будут испорчены и прорезь (шлиц) винта, и отвёртка, а большой отвёрткой завинчивать маленькие винты (конец большой отвёртки слишком толст). Кроме того, чем больше отвёртка, тем большее усилие прикладывается к винту (рычаг больше), из-за чего можно сорвать резьбу, а винт с сорванной резьбой не обеспечит хорошего электрического контакта.
При паянии медных проводов применяют припой оловянно-свинцовый (ПОС) и канифоль. Канифоль служит флюсом, т.е. веществом, которое в расплавленном состоянии очищает спаиваемые поверхности от оксидов. Поверхности перед паянием нужно очистить от изоляции, жира, грязи и т.п. Нельзя заменять канифоль травленой соляной кислотой - она разъедает провода и портит изоляцию. Перегретый паяльник паяет плохо. Если паяльником долго не работают, то его надо отключить. При паянии с небольшими перерывами паяльник кладут на какой-нибудь металлический предмет, который отбирает «лишнюю» теплоту, предохраняя паяльник от перегрева.
Перед ввинчиванием шурупов шилом делают направляющие отверстия. Перед сверлением отверстий большого диаметра направляющие отверстия сначала делают шилом, а затем буравчиком. Если пользуются электродрелью, то нужно стоять на деревянной лестнице (столе, табуретке) и нельзя прикасаться даже на мгновение к водопроводным и канализационным трубам, металлическим ограждениям балконов, лестниц и к др. заземлённым (или могущим оказаться заземлёнными) предметам. Корпус электрической сверлильной машины надо заземлять. Однако те сверлильные машины, которые имеют двойную изоляцию, в чём надо убедиться по инструкции либо по знакам II, заземлять не нужно.
Вертикальные линии размечают отвесом-шнуром с грузиком. Для разметки горизонтальных линий натягивают шнур. Если монтаж выполняют перед окраской стен (побелкой потолков) или до оклейки обоями, то шнур натирают сухой краской. Если проводку делают по окрашенным потолкам и стенам, то «отбивать» линии краской нельзя - нужно пользоваться чистыми натянутыми шнурами.
Нужно беречь руки. Плоскогубцы, кусачки, пассатижи держат в обхват, но нельзя между ручками закладывать пальцы. Отвёртку можно придерживать, но нельзя подставлять под неё руку. Острие ножа следует направлять от руки, а не к руке. Зачищаемые провода нельзя держать на пальце, иначе можно порезать руку и занозить её стружками.
Последовательность выполнения электромонтажных работ. Целесообразно выполнять работы, придерживаясь следующей очерёдности: 1) разметить места установки штепсельных розеток, выключателей, светильников, а также определить трассу прокладки проводов; 2) установить штепсельные розетки, выключатели, светильники и др.; 3) проложить провода; 4) подготовить жилы для соединений и присоединений к зажимам аппаратов: снять изоляцию, зачистить и оконцевать жилы; 5) присоединить провода; 6) проверить изоляцию; 7) подать напряжение и убедиться в том, что работа выполнена правильно.
1.8. Проверка электрических цепей. Электрические измерения
При выполнении электромонтажных, ремонтных и профилактических работ домашний мастер должен постоянно иметь под рукой различного рода контрольноиспытательные устройства и электроизмерительные приборы. Из контрольно-испытательных устройств прежде всего понадобятся: приспособление для прозвонки проводов (его иногда называют «пробником») - для определения начал и концов жил кабелей и проводов, проложенных в жгутах, скрыто (в трубах, строительных конструкциях, светильниках, электроплитах и т.п.), одним словом, во всех случаях, когда визуально проследить проверяемую проводку невозможно; контрольная лампа - для проверки целостности изоляции электроприборов после их ремонта, а также для определения, какой из питающих проводов является фазным, а какой нулевым. Электроизмерительные приборы (вольтметр, амперметр, омметр, ампервольтметр) для удобства пользования надо снабжать соединительными проводами с наконечниками- щупами и пружинящими зажимами для закрепления на жиле провода.
Прозвонка проводов. Приспособление для прозвонки проводов легко изготовить самостоятельно. Для этого надо иметь (рис. 12, а): батарейку 1 от карманного фонаря, лампочку 2, провод 3 со щупом и провод 4 с пружинящим наконечником для закрепления на жиле. Провода используют медные, многопроволочные, гибкие, желательно в пластмассовой изоляции - она не промокает; подходят провода марки ПВ-1 сечением 0,5; 0,75 или 1,0 мм2. На провода вблизи наконечников нужно надеть кусочки (1...2 см) разноцветных изоляционных трубок. К выводам лампочки, батарейки, к наконечникам провода припаивают. После выполнения соединений лампочку и выводы батарейки надо «пригнуть» и защитить изоляционной лентой, чтобы они не обломились. Общее правило: перед началом работы надо соединить накоротко наконечники, чтобы убедиться в том, что приспособление исправно - лампочка должна гореть. Так же поступают и после окончания работы, чтобы проверить, не повредилось ли приспособление во время работы. Одну из жил (любую) кабеля (или жгута) принимают за контрольную. Чтобы её найти, пружинящий наконечник провода 4 присоединяют к одной из жил кабеля 5 (рис. 12, б), а затем щупом провода 3 по очереди касаются жил на другом конце кабеля. Один раз лампочка загорится. Это значит, что она присоединена к жиле, на которую надет наконечник провода 4. Эту жилу (на рис. 12, б - красную) и принимают за контрольную.
Рис. 12. Приспособление для прозвонки проводов: а - схема устройства; б - определение контрольной жилы; в и г - нахождение начал и концов одноимённых жил.
Определение концов и начал жил. На одном конце кабеля соединяют перемычкой (на рис. 12, в - жёлтой) контрольную жилу с любой другой. На другом конце провод 4 соединяют с контрольной жилой, а наконечником провода 3 поочерёдно «обходят» другие жилы. В одном случае, а именно, когда проверяемая жила найдена, лампочка загорится. Начало и конец этой жилы надо отметить: надеть на них кусочки трубочки одного цвета, завязать ниткой, повесить бирку и т.п. Бирки можно сделать из картона, написав на нём номер жилы. Металлические бирки и проволока не годятся, т.к. они электропроводны. Определив одну жилу, аналогично ищут начала и концы остальных (рис. 12, г).
Прозвонка скрыто проложенных проводов. Люстра 1 (рис. 13, а) подвешена на крюк 2, который изолирован внахлёстку двумя слоями изоляционной ленты 3. Медные провода 5 проложены заводом-изготовителем в трубках люстры. Они выведены на колодку 4. Через неё люстра присоединяется к алюминиевым жилам проводов 6, проложенных скрыто. На рисунке они изображены штриховыми линиями. Две лампы 7 управляются выключателем 9, одна лампа 8 - выключателем 10. Двухклавишный выключатель 11 установлен на стене, 12 - ответвительная коробка. Прозвонку выполняют «пробником» 13.
Рис. 13. Прозвонка скрыто проложенных проводов: а - схема проводки; б - схема прозвонки.
Подготовка к работе. 1) Снимают напряжение и убеждаются в том, что оно действительно снято. Для этого включают настольную лампу; если при снятии напряжения, она немедленно погаснет, значит напряжение снято. 2) Выворачивают из люстры все лампы, иначе прозвонка не получится, т.к. провода будут соединены через нити ламп. 3) Отсоединяют провода сети от колодки 4, выключателя 11 и ответвительной коробки 12. На рис. 13, б отсоединённые провода загнуты.
Прозвонка проводов от патронов до колодки. Наконечник провода (на рис. 13 - зелёного) присоединяют к одному из зажимов колодки и, не отсоединяя его, поочерёдно касаются выводов патрона (они обозначены на рис. буквами А и Б), чтобы найти другой конец провода. Затем наконечник присоединяют к другому зажиму и таким же способом находят конец другого провода. Наконец, так же определяют третий провод.
Прозвонка проводов от колодки до выключателя. Находят конец и начало одного провода (красного), затем - конец и начало другого (синего).
Прозвонка проводов от ответвительной коробки до колодки (зелёный провод) и до выключателя (чёрный провод). Если применены цветные провода, то прозвонка не нужна: и без неё всё ясно. Заметим, что жилы кабелей на АТС, в устройствах телемеханики и т.п. обычно имеют разные цвета. В многопроволочных проводах одна из жил, как правило, цветная. Иногда на одном из проводов завод-изготовитель ставит метку.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Зажимы ответвительной коробки могут оказаться под напряжением.
Определение фазного провода осуществляют с помощью контрольной лампы: патрон 1 в пластмассовом корпусе (рис. 14, а) присоединяется двумя гибкими медными проводами в пластмассовой изоляции сечением 0,5; 0,75 или 1,0 мм2; лампа на напряжение 220 В мощностью 15 Вт (но не более 40 Вт). Между прижимами патрона (предназначенными для крепления абажура) зажат крючок 2 для подвешивания лампы. Лампу рекомендуют обернуть материей, чтобы не поранить руки, если она разобьётся. Техника определения фазного провода (рис. 14, б) состоит из следующих операций. 1. Лампу включают в розетку 3 (рис. 14, в); если лампа горит, значит она исправна. 2. Один из проводов включают в левое гнездо розетки, другим на мгновение касаются водопроводного крана; если лампа не горит, значит к гнезду подсоединён не фазный, а нулевой провод. 4. Провод включают в правое гнездо, если лампа горит, то к гнезду присоединён фазный провод. 5. Ещё раз проверяют исправность лампы. 6.
Проверка изоляции. Проверять изоляцию «пробником» бесполезно: напряжение батарейки очень мало, из-за чего оно не может «пробить» не полностью повреждённую изоляцию. Поэтому приходится проверять её от сети 220 В с помощью контрольной лампы.
Техника проверки: вилку 4 (рис. 14, г) включают в розетку 3. Зелёным проводом от вилки прикасаются к корпусу прибора 5, а синим - к выводному штырьку 7 (который внутри прибора, например электрочайника, соединён с обмоткой нагревательного элемента 6). Если лампа горит, значит изоляция нарушена [цепь: один провод сети - зелёный провод - место повреждения изоляции (красная стрелка) - нагревательный элемент - выводной штырёк - контрольная лампа - другой провод сети].
Рис. 14. Контрольная лампа: а - схема устройства; б - нахождение фазного провода; в - схема присоединения к сети; г - проверка изоляции токоведущих частей прибора относительно его корпуса.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Если лампа не горит, это ещё не значит, что изоляция исправна, т.к. сама лампа во время испытания могла перегореть. Чтобы убедиться в том, что лампа исправна, надо соединить наконечники. Если лампа горит, значит она не перегорела.
Электрические измерения. На шкале электроизмерительного прибора имеются указания (рис. 15, а): прибор предназначен только для переменного тока (знак ~ ), только для постоянного (знак –), для переменного и постоянного токов (знак ≅), шкала должна быть расположена вертикально (знак ⊥). Предельное значение измеряемой величины определяется цифрами в конце шкалы, например 140 В, а у многопредельных приборов (рис. 15, в) - цифрами у зажимов (3 В - один предел, 15 В - другой, 150 В - третий). Общий зажим для любого предела обозначен звёздочкой (*). Если стрелка правильно установленного, но ещё не включённого прибора стоит не на нуле, то её устанавливают на нуль винтом 1.
Вольтметр V для измерения напряжения сети включают в штепсельную розетку (рис. 15, б), а для измерения напряжения на зажимах прибора 2 - на его зажимы (рис. 15, г). Амперметр А включают последовательно с нагрузкой 3 (рис. 15, д). Универсальный измерительный прибор ампервольтомметр (тестер) предназначен для измерения напряжения постоянного тока от 3 до 600 В, силы постоянного тока от 0,3 до 750 мА, сопротивления постоянному току от 5 Ом до 500 кОм (рис. 16).
Рис. 15. Электроизмерительные приборы: а - условные обозначения на шкалах этих приборов; б - схема включения вольтметра для измерения напряжения в сети; в - многопредельный вольтметр; г - схема включения вольтметра для измерения напряжения на зажимах прибора; д - схема включения амперметра и прибора в сеть.
Рис. 16. Универсальный электроизмерительный прибор ампервольтомметр (тестер).
Для измерения напряжения постоянного тока переключатель 7 (рис. 16) устанавливают так, чтобы стрелка на нём указывала знак «-» (обозначение постоянного тока). Включают провод с синим наконечником в гнездо 5, над которым написано «-» (минус). В зависимости от порядка измеряемого напряжения включают провод с красным наконечником в одно из гнёзд 3, руководствуясь надписями «600; 120; 30; 6; 1,5; 0,6», расположенными под знаком «+V». Если порядок напряжения неизвестен, то измерение начинают с большего предела. Присоединяют щуп с синим наконечником к минусу, а щуп с красным наконечником - к плюсу. Если стрелка прибора отклоняется не вправо, а влево, значит, полярность неправильная: надо поменять местами провода. Отсчёт делают по нижней шкале. Допустим, прибор показал 19 делений. Какое же измерено напряжение? Первый случай: пусть провод с красным наконечником включён в гнездо «30». Шкала имеет 30 делений. Значит, цена каждого деления 30:30=1 В и измерено 1x19 = 19 В. Второй случай: провод с красным наконечником в гнезде «6». Значит, отклонению стрелки на 30 делений соответствует 6 В и цена деления 6:30 = 0,2 В. Умножим 19 на 0,2 В и получим 3,8 В. Третий случай: провод с красным наконечником в гнезде «120». Цена деления 120:30=4 В. Измеренное напряжение равно 19x4 = 76 В.
Для измерения напряжения переменного тока переключатель 7 устанавливают так, чтобы стрелка указывала знак переменного тока (знак ~). Провод с синим наконечником включают в гнездо « —», а провод с красным наконечником - в одно из гнёзд 3 (в зависимости от напряжения), расположенных под надписью «-V». Отсчёт выполняют по средней шкале. Она имеет 30 делений; измеренное напряжение определяют так же, как объяснено выше.
Для измерения силы постоянного тока переключатель 7 ставят на знак «-», провод с красным наконечником - в одно из гнёзд 6, над которыми написано « + мА», в зависимости от ожидаемой силы тока. При этом надо учитывать, что вся шкала рассчитана всего на 750 мА = 0,75 А. Отсчёт выполняется по нижней шкале.
Допустим, прибор показал 27 делений. Какой же измерен ток? Чтобы определить это, делим число, написанное у гнезда, в которое включён провод, на 30 (число делений) и полученное значение (цену деления) умножаем на 27. Легко подсчитать, что 27 делениям на разных пределах соответствуют:
750:30 х 27 = 675 мА;
300:30x27 = 270 мА;
30:30 х 27 = 27 мА;
3:30x27 = 2,7 мА;
0,3:30x27 = 0,27 мА.
Измерение сопротивлений требует источников тока, которыми служат батарейки или отдельные элементы. Двух круглых элементов 9 напряжением 1,5 В хватает для измерения сопротивлений в пределах до 50 кОм. Для измерений сопротивлений в пределах 50-500 кОм в работу дополнительно вводится третья, плоская батарейка 8. Все три источника находятся в корпусе прибора позади, под крышкой 10, и внутри соединены надлежащим образом.
Чтобы измерить сопротивление, нужно: а) направить стрелку переключателя 7 на надпись «rx»; б) включить один провод в гнездо « - », а другой - в гнездо 4 с надписью х1, х10 или х100 в зависимости от порядка измеряемого сопротивления; в) накоротко соединить щупы 11 и 12, при этом стрелка должна показывать 0 (нуль) на верхней шкале; если стрелка не устанавливается на нуле, то, не разъединяя щупы, нужно установить её на нуль; это выполняется регулируемым резистором, над рукояткой которого 2 есть надпись «уст. 0» (установка нуля). Теперь можно производить измерение. Допустим, прибор на верхней шкале показал 0,2 кОм = 200 Ом. Каково же на самом деле измеряемое сопротивление? Если провод включён, например, в гнездо с надписью «х1», то сопротивление 200x1 = 200 Ом; если в гнездо «х100», значит сопротивление 200 х 100 = 20 000 Ом = 20 кОм = 0,02 МОм.
Лит.: Вайнштейн Л.И., Памятка населению по электробезопасности, 3 изд., М., 1987; В ерхов цев О.Г., Лютов К.П., Практические советы мастеру-любителю по электротехнике и электронике, Л., 1984; Жеребцов И.П., Основы электротехники. Электрические и магнитные цепи, Л., 1987; Каминский Е.А., Квартирная электропроводка и как с ней обращаться, М., 1991; Каплинская М.Ю., Бурский В.Б., Свет в современном жилище, М., 1984; Кораблев В.П., Экономия электроэнергии, М., 1987; Мигаль А.В., Монтаж и эксплуатация электропроводок на приусадебных и садовых участках, М., 1988; Найфельд М.Р., Заземление и другие защитные меры, 3 изд., М., 1975; Некрутман С.В., Сверхбыстрая кулинария, или СВЧ-печь в вашем доме, М., 1988; Самарин М.С., Вольт, ампер, ом и другие. Единицы физических величин в технике связи, М., 1988; Трифонов А.Н., Черноусое А.И., Твой инструмент, 3 изд., М., 1987; Шибаев В.И., Устройство и монтаж скрытых электропроводок в крупнопанельных жилых домах, М., 1984.