Введение
Жизнь современного человека немыслима без сложной техники. Даже в своем жилище он окружен множеством приборов и приспособлений, большинство из которых требует подключения к электрической сети. Причем, помимо привычных каждому силовых сетей с напряжением 220 В, в обиход прочно вошли так называемые малоточные сети. К ним относятся, например, компьютерные сети, телефонные линии и сети кабельного телевидения.
Для присоединения большого количества столь разнородных приборов требуется масса специальных устройств, называемых электроустановочными изделиями. Причем, в каждой группе приборов, устройств и приспособлений, однородных по назначению и принципу работы, существует ряд моделей, отличающихся друг от друга конструкцией, мощностью, наличием дополнительных функций. А если учесть, что большинство возможных повреждений вызывается неправильной эксплуатацией или неквалифицированным ремонтом, станет понятно, как важно сориентироваться в многообразии техники и овладеть хотя бы минимальными знаниями об особенностях ее использования и ремонта. Кроме того, неквалифицированное вмешательство в работу техники чревато различными неприятностями – от возможности получить электротравму и ожог до возникновения пожара или исчезновения напряжения. Без четкого понимания причины, вызвавшей неисправность, без знания принципа работы устройства и основных правил проведения ремонтных работ не стоит, пожалуй, хвататься за отвертку.
Помочь читателю овладеть первоначальными навыками домашнего мастера – вот одна из задач данной книги. Она поможет вам правильно выбрать инструменты и даже самому изготовить несложные приспособления, расскажет, как логическим путем определить места скрытой неисправности прибора без его разборки.
Краткий обзор наиболее популярных моделей электроприборов основных фирм-производителей даст возможность не только правильно сделать свой выбор, но и сэкономить денежные средства. Вопросам экономии посвящен также и раздел книги, содержащий полезные советы по правильной эксплуатации сложной домашней техники. Избежать многих неприятностей поможет раздел, посвященный мерам по предупреждению перегрузок электросетей, правилам монтажа и, особенно, мерам безопасности и правилам оказания первой помощи пострадавшим от поражения электрическим током.
Ну и, наконец, здесь приводятся справочные таблицы, которые всегда должны быть под рукой у уважающего себя мастера.
Прочитав книгу, вы будете знать больше о том, как сделать так, чтобы электричество принесло в ваш дом уют и комфорт.
Краткие теоретические сведения
Переменный ток
В быту обычно используется переменный ток, поэтому мы расскажем подробнее о нем и его физических характеристиках. Долгое время в электротехнике применялся исключительно постоянный ток. Но потом возникла необходимость в передаче электроэнергии на дальние расстояния. При передаче электроэнергии по проводам в них возникают потери, пропорциональные квадрату тока. Для уменьшения потерь необходимо уменьшить ток. Но для передачи той же мощности при меньшем токе необходимо более высокое напряжение. Поэтому передача электроэнергии на дальние расстояния может быть выполнена только при высоком напряжении.
Преобразование с малыми потерями больших токов низкого напряжения в малые токи высокого напряжения или наоборот может производиться лишь посредством электромагнитного аппарата переменного тока – трансформатора. Поэтому в настоящее время преимущественно применяется переменный электрический ток.
Ток, изменяющийся в течение определенного времени по величине и направлению, называется переменным током. Переменный ток, изменяющийся по синусоидальному закону, представляет собой однофазный синусоидальный ток:
i = Iмsin(ωt + φ), где Iм – амплитудное значение тока.
Промежуток времени, в течение которого осуществляется одно полное колебание, называется периодом Т.
Число периодов в секунду называется частотой, которая выражается формулой:
F = 1/Т
Частота измеряется в герцах (Гц).
Величина ω = 2πφ = 2π/Т называется угловой частотой и измеряется в рад/с; угол ωφ называется начальной фазой.
На практике наибольшее распространение получил ток, который изменяется с частотой 50 периодов в секунду, т. е. 50 Гц.
Трехфазный ток
В настоящее время производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется трехфазным током.
Три одинаковых по частоте и амплитуде переменных тока, сдвинутых относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют трехфазную систему.
Существует два способа соединения обмоток электрических машин и приемников в трехфазной системе: соединение звездой и соединение треугольником.
Три фазы источника питания можно соединить с тремя нагрузками шестью проводами. Такая система цепи называется несвязанной. В настоящее время она не применяется. При соединении трехфазной системы по схеме звезды концы всех обмоток фаз источника соединяют в общую точку. Такое же соединение производят в нагрузке. Затем все три обратных провода соединяют в один и подключают к общим точкам источника и нагрузки. По этому проводу протекает сумма токов всех трех фаз. Но если во всех фазах протекают одинаковые токи, то их сумма будет равна нулю, так как они сдвинуты относительно друг друга на 120°. Поэтому ток в общем проводе протекать не будет. Этот провод называется нейтральным или нулевым. Остальные провода, соединяющие обмотки генератора с приемником, называются линейными.
Нагрузка, при которой токи во всех фазах равны по величине и имеют одинаковые сдвиги фаз по отношению к фазным ЭДС, называется симметричной. При соединении в звезду с симметричной нагрузкой нулевой провод отсутствует, так как в нем нет необходимости. Такая система называется трехпроводной. В остальных случаях применяется система с нулевым проводом – четырехпроводная.
Проводники
К проводниковым материалам относится большинство металлов, из которых наиболее используемыми являются медь, алюминий, железо и их сплавы.
Медь получила широкое применение как проводник электрического тока благодаря высокой электропроводности, пластичности и хорошей стойкости по отношению к коррозии. В качестве проводников тока применяется медь марок М00, М0 и Ml с содержанием чистой меди не менее 99,9 %.
Механические свойства меди зависят от ее термической обработки. При протяжке в холодном состоянии получается твердотянутая медь – МТ. Если твердую медь нагреть до температуры 330–350 °C и затем охладить, то получится мягкая медь – ММ.
Характеристики проводниковой меди марок ММ и МТ приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные свойства меди
Алюминий обладает хорошей электропроводностью, теплопроводностью, в 3,5 раза легче меди. На воздухе покрывается прочной пленкой окиси, которая защищает его от дальнейшего окисления и придает большую коррозионную стойкость.
В качестве проводников тока используется алюминий марок А5 и А6 с содержанием чистого алюминия не менее 99,5 %. Основные свойства алюминия приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные свойства алюминия
Олово – металл серебристо-белого цвета, легко куется и прокатывается в тонкие листы. Его удельное электрическое сопротивление 0,12 Ом мм2/м. Олово в электротехнике используется в виде фольги для конденсаторов.
Свинец – металл синевато-серого цвета с удельным электрическим сопротивлением 0,222 Ом мм2/м. В электротехнике применяется для изготовления аккумуляторных пластин, предохранителей, для оболочек кабелей.
Цинк – металл синевато-серебристого цвета с удельным электрическим сопротивлением 0,062 Oм мм2/м. В электротехнике применяется для оцинковывания стальных проводов с целью предупреждения коррозии и при изготовлении гальванических элементов.
Железо и сталь – самые дешевые проводниковые металлы. Однако они не получили широкого распространения из-за малой коррозионной стойкости и повышенного удельного сопротивления.
Сталь применяют в виде проводов в воздушных линиях электропередач и в виде биметалла – стали, покрытой снаружи слоем меди. Биметалл в электротехнике используют в качестве сердечников в сталеалюминиевых проводах для повышения их механической прочности и в электрических аппаратах (рубильники, контакторы и т. п.).
Сплавы цветных металлов
В электротехнике применяются сплавы меди, алюминия и других цветных металлов с содержанием меди от 50 до 81 %.
Латунь – сплав меди с цинком. Обрабатывается латунь только в холодном состоянии. В электротехнике применяется для изготовления деталей электрических аппаратов, машин и приборов.
Бронза – сплав меди с оловом, свинцом, фосфором, цинком и т. п. Бронза обладает высокой антикоррозийностью, ковкостью, большим сопротивлением износу и небольшим удельным сопротивлением. В зависимости от присадок различают бронзы бромооловянистые, кадмиевые, бериллиевые и др. В электротехнике применяются кадмиевые бронзы для контактных проводов и коллекторных пластин особо важного назначения. Бериллиевая бронза идет на изготовление выключателей, контактных колец, щеткодержателей и различных токоподводящих устройств. Характеристики латуни и бронзы приведены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристики латуни и бронзы
Припои и флюсы
Припой – сплав из цветных металлов, служащий для пайки металлических изделий.
Различают мягкие и твердые припои. Мягкий припой – сплав свинца с оловом при температуре плавления 230–250 °C (таблица 4). К мягким припоям относятся серебряные припои с содержанием серебра до 3 % (ГОСТ 8190-56).
Таблица 4. Оловянисто-свинцовые припои
К твердым припоям относятся серебряные припои с содержанием серебра 10–70 % марок ПСр-25, ПСр-45, ПСр-70, ПСр-71. В качестве примесей добавляют медь, цинк, олово. Температура плавления этих припоев 700–800 °C. В последнее время вместо твердых серебряных припоев используют медно-фосфористые (ГОСТ 4515-48). Их характеристики приведены в таблице 5.
Таблица 5. Медно-фосфористые припои
Для пайки алюминия применяют специальные припои (таблица 6).
Таблица 6. Припои для плавки алюминия
При пайке применяют флюсы – материалы, предназначенные для очистки поверхностей спайки. Для мягких оловянистых припоев в качестве флюса используют канифоль или пасту со следующим составом: канифоль – 2,5 %, сало – 5 %, хлористый цинк – 20 %, хлористый аммоний – 2 %, вазелин технический – 65,5 %, вода дистиллированная – 5 %.
Для медно-фосфористых и серебряных припоев в качестве флюса применяют буру в виде порошка или в смеси с поваренной солью.
Состав флюсов для пайки алюминия приведен в таблице 7.
Таблица 7. Состав флюсов для пайки алюминия
Сплавы высокого сопротивления
Сплавы повышенного удельного сопротивления – константан, манганин, нихром, фехраль, хромаль – применяются для изготовления электронагревательных элементов и катушек сопротивления. Эти сплавы способны длительно выдерживать высокую температуру, имеют большое удельное сопротивление, малую зависимость от температуры.
Магнитные материалы
К магнитным материалам принадлежат: чистое железо, никель, кобальт, магнитные стали и сплавы на основе железа.
Их отличительной чертой является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля.
Все магнитные материалы в зависимости от свойств можно разделить на следующие группы:
а) магнитомягкие материалы, обладающие низкими значениями коэрцитивной силы, высокой проницаемостью и низкими удельными потерями. Эти материалы идут на изготовление сердечников электрических машин и трансформаторов. К данной группе также относятся сплавы с повышенной магнитной проницаемостью – пермаллои;
б) магнитожесткие материалы, обладающие высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Сплавы этой группы идут на изготовление постоянных магнитов;
в) ферриты – материалы с особыми свойствами, широко использующиеся в радиотехнике, технике связи, вычислительной технике и т. п.
Электрические измерения
Измерение электрического тока
Электрический ток измеряется амперметром. Если измеряемый ток не превышает пределов измерения данного амперметра, то его можно измерить непосредственным включением амперметра в сеть.
Для измерения больших токов используются шунты на постоянном токе и трансформаторы тока на переменном токе.
При необходимости измерения тока в цепи высокого напряжения (до 10 кВ) без разрыва провода используется трансформатор тока, выполненный в виде клещей.
Измерение электрического напряжения
Электрическое напряжение измеряется вольтметром. Если измеряемое напряжение не превышает пределов измерения данного вольтметра, то оно может быть измерено путем непосредственного включения вольтметра в сеть.
Для расширения пределов измерения применяют добавочное сопротивление.
Измерение электрической мощности
Электрическая мощность измеряется ваттметром – прибором, имеющим две обмотки: токовую и напряжения.
Шкала ваттметра проградуирована в ваттах или киловаттах.
Лабораторные ваттметры имеют несколько пределов измерения, поэтому их шкала градуируется не в ваттах, а в делениях (указывается число делений). Мощность по прибору определяется формулой:
Р = Са,
где а – число делений, которое указывает стрелка; С – цена деления.
При выбранных для данного измерения номинальных значениях напряжения Uн и тока Iн цена деления Сн.
Расширение пределов измерения на постоянном токе по напряжению производится с помощью добавочных сопротивлений – шунтов. При измерениях на переменном токе расширение пределов производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. При этом необходимо соблюдать правильность включения генераторных клемм ваттметра.
Измерение мощности в трехфазных трехпроводных сетях производится с помощью двух однофазных ваттметров, включенных в две фазы.
Расширение пределов измерения производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. В этих же сетях для измерения мощности применяется трехфазный ваттметр.
В трехфазных четырехпроводных сетях измерение активной мощности производят с помощью трех однофазных ваттметров или одним трехэлементным ваттметром.
Реактивная мощность в однофазных сетях измеряется с помощью одного ваттметра, включенного по схеме, а в трехфазных – с помощью трех ваттметров.
Измерение сопротивления проводников
Точное измерение сопротивления производится с помощью омметров, мостов и потенциометров.
Приближенное измерение сопротивления на переменном токе производится с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра.
Таблица 8. Технические данные мегомметров
Измерение сопротивления изоляции аппаратов и электрических машин производится с помощью мегомметров (таблица 8).
Измерение сопротивления заземляющих устройств и грунта производят с помощью измерителей сопротивления МС-08.
В грунт забивают два стальных стержня длиной 0,5 м на глубину 40–45 см и подсоединяют измеритель заземления. После этого переключатель ставят в положение «Регулировка» и, вращая ручку прибора, устанавливают с помощью реостата стрелку прибора на красную отметку. Затем переключатель устанавливают в положение «Измерение» и замеряют величину сопротивления заземления.
Электропроводка и ее элементы
Передача электрической энергии осуществляется при помощи материалов, подходящих для этого не только с точки зрения способности проводить электроток, но и с точки зрения чисто технического удобства. Так, многие соли являются проводниками, но они не годятся для изготовления транспортных сетей для электротока.
Рано или поздно вам придется заменять и устанавливать розетки, светильники, ремонтировать участки электропроводки, а то и полностью заменять ее. При проведении работ с электропроводкой необходимо руководствоваться Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), содержащих требования по обеспечению в электропроводках пожарной и электробезопасности. В зависимости от этих требований применительно к виду помещения, характеру нагрузки, условиям эксплуатации определяется вид электропроводки, марка провода или кабеля, сечение жил, способ крепления проводов и оконечных устройств, типы соединений, характеристики устройств защиты и т. д.
Для обеспечения требований ПУЭ надо знать существующие типы проводок, схему проводки в квартире, характеристики проводов, принцип работы устройств, входящих в электропроводку, правила монтажа и приемы работ с инструментом, методы поиска и устранения неисправностей. Соблюдение этих правил поможет уберечься от неприятных неожиданностей, связанных с электрической сетью.
Материал проводника и сечения кабеля
Медь предпочтительнее алюминия. Она имеет большую проводимость и менее подвержена коррозии. К тому же по сравнению с медью алюминий непрочен и при нескольких изгибах может попросту сломаться. Отрицательным свойством алюминия является и его быстрая окисляемость в случае соприкосновения с воздухом и образование на поверхности тугоплавкой окисной пленки. Она плохо проводит электрический ток, а значит, препятствует созданию хорошего контакта. Место с плохим контактом будет греться, вам придется периодически проверять места крепления алюминиевых жил к электрическим приборам. При креплении в винтовых зажимах алюминий проявляет другой свой недостаток – низкий предел текучести. В результате этого алюминий выскальзывает из-под зажима («течет»), ослабляя контакт. Таким образом, алюминиевые провода, находящиеся в распределительных коробках и других устройствах, где для соединения используются зажимы, требуют периодической проверки и поджатия. Помимо этого, при контакте алюминия с медью образуется гальваническая пара, в которой алюминий, подвергаясь электрокоррозии, разрушается, что ведет к дополнительному ухудшению соединения.
Для правильного выбора сечения провода необходимо учитывать величину максимально потребляемого нагрузкой тока. Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формулам 1=Р/220 (например, для электрообогревателя мощностью 2000 Вт ток составит 9 А, для 60 Вт лампочки – 0,3 А). Зная суммарный ток всех потребителей и учитывая соотношения допустимой для провода токовой нагрузки на сечение провода, можно определить, подойдет ли имеющийся у вас провод или же необходимо покупать другой.
Кабель обычно состоит из 2–4 жил. Сечение (точнее, площадь поперечного сечения) жилы определяется ее диаметром: S = 0,78d2, где d – диаметр круга. Исходя из практических соображений, при малых значениях силы тока сечение медной жилы берут не менее 1 мм2, а алюминиевой – 2 мм2. При достаточно больших токах сечение провода выбирают по подключаемой мощности. Обычно исходят из расчета, что нагрузка величиной 1 кВт требует 1,57 мм2 сечения жилы. Отсюда следуют приближенные значения сечений провода, которых следует придерживаться при выборе его диаметра. Для алюминиевых проводов это 5 А на 1 мм2, для медных – 8 А на 1 мм2. Проще говоря, если у вас стоит проточный водонагреватель на 5 кВт, то подключать его надо проводом, рассчитанным не менее чем на 25 А, и для медного провода сечение должно быть не менее 3,2 мм2. Учтите, из ряда предпочтительных величин сечений (0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6 мм2 и т. д.) для алюминиевых проводов сечение выбирают на ступень выше, чем для медных, так как их проводимость составляет примерно 62 % от проводимости медных. Например, если по расчетам для меди нужна величина сечения 2,5 мм2, то для алюминия следует брать 4 мм2, если же для меди нужно 4 мм2, то для алюминия – 6 мм2 и т. д.
А вообще кабель лучше выбирать большего поперечного сечения, чем требуется, – вдруг вы захотите подключить еще что-нибудь? Кроме того, необходимо проверить, согласуется ли сечение проводов с максимальной фактической нагрузкой, а также с током защитных предохранителей или автоматического выключателя, которые обычно находятся рядом со счетчиком.
Марки кабеля или провода
Итак, вы, наконец, определились с материалом и сечением. Следующим шагом будет выбор марки кабеля или провода. При выборе типа провода нужно также учитывать допустимое напряжение пробоя изоляции (нельзя для электрической проводки на сетевое напряжение 220 В использовать провода от телефонной линии).
При выполнении скрытой проводки (в трубке или же в стене) приведенные значения уменьшаются умножением на поправочный коэффициент 0,8.
Следует отметить, что открытая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 мм2 из расчета достаточной механической прочности. Приведенные выше соотношения легко запоминаются и обеспечивают достаточную точность для бытового использования проводов. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться таблицей 9.
Таблица 9. Зависимость допустимой токовой нагрузки от площади сечения медных проводов и кабелей
Провода и кабели различаются по количеству жил (от 1 до 37), сечению (от 0,75 до 800 мм2) и номинальному рабочему напряжению. Провода изготавливаются с изоляцией на напряжение 380, 660 и 3000 В переменного тока, кабели – на любое напряжение. У изолированного провода токопроводящая жила заключена в оболочку из резины, поливинилхлорида или винипласта. Для предохранения от механических повреждений и воздействий внешней среды изоляция некоторых марок проводов покрыта снаружи хлопчатобумажной оплеткой, пропитанной противогнилостяным составом. Провода, предназначенные для прокладки в местах, где имеется повышенная опасность механического повреждения, защищаются дополнительной оплеткой из стальной оцинкованной проволоки.
Марка кабеля (провода) – это буквенное обозначение, характеризующее материал токопроводящих жил, изоляцию, степень гибкости и конструкцию защитных покровов. В маркировке отечественных проводов используются следующие обозначения:
– первая буква указывает на материал токопроводящей жилы (скажем, А – алюминий); отсутствие в марке провода буквы означает, что токопроводящая жила выполнена из меди;
– вторая буква обозначает провод;
– третья – материал изоляции (например, Р – резина, В – поливинилхлорид, П – полиэтилен).
В марках проводов и шнуров могут также присутствовать буквы, характеризующие другие элементы конструкции: О – оплетка, Т – для прокладки в трубах, П – плоский, Ф – металлическая фальцованная оболочка, Г – гибкий и т. д.