培训模块五-电工学基础知识（一）
培训模块五 电气消防基本知识
培训项目1 电工学基础知识
【培训重点】
1.熟练掌握电路的组成、元件、模型及常见电气图形符号。
2.掌握低压供电方式及负荷等级分类。
3.了解供配电系统基础知识。
4.掌握常用电气仪表的功能和使用方法。
电力在生活和生产中发挥着越来越重要的作用，给人们的生活带来了极大的便利，成为主要的能源供给方式之一。与之相随的供用电设备引起的火灾也成为火灾事故之首。因此，电气消防应从弄清电路基础知识开始。
一、电工基础与电路图
1.电路的概念与组成
电路即电流的通路，它是为了某种需要由不同的电气元件按一定的顺序用导线依次连接而成的。根据电流性质的不同，电路有直流电路和交流电路之分。电路的结构根据所完成的任务不同而不同，简单的电路由几个元件构成，复杂的电路可由成千上万个元件构成。供配电线路是一种复杂电路，如图5-1-1a所示，它的作用是实现电能的传输和转换。图5-1-1b所示的手电筒电路则为简单电路，它将电能转换为光能、热能。电路的另一种作用是传递和处理信号，如扩音机，其电路示意图如图5-1-1c所示。
图5-1-1 电路示意图
a）供配电线路 b）手电筒 c）扩音机
本模块主要讨论实现电能传输和转换的电路。电路的基本组成部分是电源、负载和连接电源与负载的中间环节。
（1）电源
电源是将其他形式的能量（如化学能、机械能等）转换为电能的设备。电源分为直流电源（DC）和交流电源（AC）两大类，在电路图中分别用“- ”和“~ ”表示。常用的直流电源有干电池、蓄电池、直流发电机、整流电源等。常用电源的图形符号与文字符号如图5-1-2所示。民用供配电网提供的则是交流电源，由交流发电机产生。按照正弦规律变化的交流电称为正弦交流电，通常称为交流电（见图5-1-3），应用交流电的电路也叫交流电路。
图5-1-2 常用电源的符号
a）干电池或蓄电池 b）一般直流电源
c）直流发电机 d）交流发电机 e）交流电源
交流电应用极为广泛，常用的电气设备如照明灯具、家用电器等都使用交流电。即使是在某些需要直流电的场合，也是将交流电通过整流设备变换为直流电。交流电基本物理量包括瞬时值、最大值、有效值、平均值、周期、频率等。
1）瞬时值、最大值
①瞬时值。正弦交流电在变化过程中，任一瞬时t所对应的交流量的数值称为交流电的瞬时值，用小写字母e、i、u等表示，如图5-1-3所示的e1。
②最大值。正弦交流电变化一个周期中出现
图5-1-3正弦交流电波形图的最大瞬时值，称为最大值（也称极大值、峰值、振幅值），用字母Em、Um、Im等表示，如图5-1-3所示的Em。
2）有效值、平均值
①有效值。交流电的大小和方向是实时变化的，通常以热效应等效的直流电大小来表示交流电的大小。例如，使交流电和直流电分别通过阻值相同的两个导体，如果在相同时间内产生的热量相同，那么这个直流电的大小就叫作交流电的有效值。电工仪表测出的交流电数值通常是指有效值，如交流220V生活用电即为有效值。
②平均值。正弦交流电在一个周期内的平均值等于零。通常情况下，平均值是指正弦交流电流或电压在半个周期内的平均值，用字母Eav、Uav、Iav等表示。
3）周期、频率。正弦交流电是以正弦波规律变化的，因此把交流电每重复变化一次所需的时间称为周期，单位是秒，用字母s表示。交流电在1秒内重复的次数称为频率，单位是赫兹，用字母Hz表示。
我国电力系统供配电为正弦交流电，额定频率为50Hz（称为工频）。
（2）负载
负载是取用电能的设备，能将电能转换为其他形式的能量（如光能、热能、机械能等）。基本的理想电路元件有电阻元件、电感元件、电容元件，它们的图形符号与文字符号如图5-1-4所示。
1）电阻。理想电阻元件是指能够消耗电能的元件，用字母R表示。在一定的温度下，其电阻值与材料的长度成正比，与材料的电阻率成正比，与材料的截面积成反比。导电材料的电阻率通常小于（1~5）×10-7Ω·m。常见材料在20℃时的电阻率，见表5-1-1。
对任一种材料，导电是绝对的，绝缘是相对的。导电能力弱的或几乎不导电的材料称为绝缘材料，如橡胶、塑料、陶瓷等。在电气工程中能作为绝缘材料的，其电阻率ρ不得低于1×107Ω·m。
交流电路在任一瞬间，电压瞬时值u与电流瞬时值i的乘积，称为瞬时功率，用小写字母p表示。瞬时功率在一个周期内的平均值，称为平均功率，它表征了一个周期内电路消耗电能的平均速率，也称有功功率，用大写字母P表示。经数学推导证明，交流电路的有功功率等于瞬时功率最大值的一半。
功率的单位为W（瓦）、kW（千瓦）、MW（兆瓦）。
电能的单位为J（焦[尔]）。在日常生产/生活中，电能常用“度”计量，即：1度=1kW·h=3.6×106J。
2）电感。理想电感元件是指具有储存磁场能量这样一种电磁特性（电感性）的二端元件，如图5-1-5a所示。当交流电流通过电感元件时，电磁感应的存在使得电感线圈中自感电动势与电压反相。电感线圈中的电流I 和自感电动势E的相量图如图5-1-5b所示。
图5-1-5 电感电路及其电压、电流的相量图
由于电感线圈两端电压与电流相位不同，电感具有阻碍交流电流通过的性质，称为感抗，用字母XL表示，单位是Ω。电感L的单位：H（亨[利]）、mH（毫亨）。电感交流电路的瞬时功率在每个周期内的平均功率为零（即有功功率P=0），但瞬时功率并不等于零，其瞬时功率的最大值称为无功功率，用字母QL表示，单位是“乏尔”，简称为“乏”用符号var表示。无功功率不是无用的功率，它是具有电感的设备建立磁场、储存磁能必不可少的工作条件。
3）电容。理想电容元件是指具有储存电场能量这样一种电场特性（电容性）的二端元件，如图5-1-6a所示。电容器的应用十分广泛，在电力系统中常用它来调整电压、改善功率因数。电容C的单位为法拉（F），1F=106μF=1012pF。
电压与电流之间存在着相位差，电容器上的电流超前于电容器两端电压90°，它们的相量图如图5-1-6b所示。电容器上电流变化规律及频率与电压相同。电容也具有阻碍交流电流通过的性质，称为容抗，用字母Xc表示，单位是Ω。容抗与频率成反比，电容器对高频交流电容易形成充放电电流，而对低频交流电不容易形成充放电电流。在电容电路中，瞬时功率在一个周期内的平均值为零，即有功功率P=0。
图5-1-6 电容电路及其电压、电流的相量图
（3）中间环节
中间环节是连接电源与负载的环节，由导线、开关和实现控制、测量、保护等功能的元件构成。其中，用来传输和分配电能的导线是必不可少的，导线一般用包着绝缘层的铜线或铝线制成。
2.电路模型与基本定律
（1）电路模型
实际电路是由一些按需要起不同作用的电路元件或器件所组成。 为了便于对实际电路进行分析和计算，将元件理想化（或称模型化），即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。由一些理想电路元件所组成的电路，就是实际电路的电路模型。在理想电路元件（通常略去“理想“两字）中主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。如手电筒电路对应的电路模型，如图5-1-7所示。通常电路分析的对象是电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件用规定的图形符号表示。
（2）电路参考方向
1）实际方向。电流的实际方向定义为正电荷运动的方向；电压的实际方向定义为高电位指向低电位的方向；电动势的实际方向定义为电源内部电位升高的方向，即从电源”-”极指向“+“极，而电源的端电压是从“+“极指向”-”极，与电动势方向相反。
2）参考方向。在分析、计算复杂电路时，电路中某段支路电流的实际方向很难做出判断。对于交流电路，电流的实际方向还随时间而改变，为了便于分析、计算，引入了参考方向的概念。
电流参考方向的选择是任意的，在电路中以有向线段标注， 如图5-1-8所示。
元件电压参考极性“+““-“是任意标注的，电压参考方向由“+“极指向极。在图5-1-8a所示电路中，元件电压、电流参考方向一致，称为关联一致；在图5-1-8b所示电路中，元件电压、电流参考方向不一致，称为非关联一致。为简化分析，一般把电路中电压、电流参考方向都选得关联一致，且常常只标出元件电流参考方向。
（3）电路结构名词
1）支路。电路中每一条分支称为支路，支路中流过的电流称为支路电流。通常约定支路中必须含有至少一个电路元件，图5-1-9所示电路中有三条支路。不含电路元件的支路（仅由导线构成）称为广义支路。
2）节点。三条或三条以上支路的汇交点称为节点。图5-1-9所示电路中有两个节点，即α点和b点。
3）回路。电路中任一闭合路径称为回路，回路是由一条或多条支路组成的。图5-1-9所示电路中有三个回路，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ回路。
4）网孔。网孔是一种特殊回路，在这些回路内不含有其他支路或回路。对于平面电路，网孔一定是独立回路。图5-1-9所示电路中有两个网孔，即Ⅰ、Ⅱ回路，它们是独立的回路。
电路实例
（4）基尔霍夫定律
分析与计算电路的基本定律，除了欧姆定律外，还有基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。基尔霍夫电流定律应用于节点，基尔霍夫电压定律应用于回路。
1）基尔霍夫电流定律（KCL）。基尔霍夫电流定律用于确定连接在同一节点上各支路间的电流关系：在任一时刻，流入某一节点的电流之和等于从该节点流出的电流之和。在图5-1-9所示电路中，对节点α有I1+I2=I3。
2）基尔霍夫电压定律（KVL）。基尔霍夫电压定律用于确定回路中各段电压间的关系：在任一时刻，沿任一闭合回路循环一周，回路中各段电压的代数和恒等于零，即对回路有∑U=0。
3.电气图与常用电气符号
（1）电气图的分类
为了便于电气工程实施过程中各部门之间的沟通与交流，人们常用电气图作为信息载体。常用的电气图包括电气原理图、电气元件布置图、电气安装接线图。用图形符号、文字符号、项目代号等表示电路各个电气元件之间的关系和工作原理的图称为电气原理图，如图5-1-10a所示。根据电气元件的外形，并标出各电气元件的间距尺寸所绘制的图称为电气元件布置图，如图5-1-10b所示。根据电路图及电气元件布置图绘制的表示各电气设备、电气元件之间实际接线情况的图称为电气安装接线图，如图5-1-10c所示。电气安装接线图主要用于电气设备的安装配线、线路检查、线路维修和故障处理。在图中要标注出外部接线所需的数据。
（2）电气符号
电气图中的符号主要包括文字符号、图形符号和回路标号等。
1）文字符号。电气技术文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号两类。基本文字符号主要表示电气设备、装置和元器件的种类名称，分为单字母符号和双字母符号。
①单字母符号。单字母符号用拉丁字母将各种电气设备、 装置和元器件分为23类，每大类用一个大写字母表示。
单字母符号见表5-1-2。
②双字母符号。双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一个表示同一类电气设备、装置和元器件的不同用途、功能、状态和特征的字母组成。种类字母在前，功能名称字母在后。双字母符号见表5-1-3。
③辅助文字符号。电气设备、装置和元件的种类名称用基本文字符号表示，而它们的功能、状态和特征用辅助文字符号表示，辅助文字符号基本上是英文词语的缩写。
例如“启动”采用“START”的前两位字母“ST”作为辅助文字符号。另外辅助文字符号也可单独使用，如“N“表示交流电源的中性线，“OFF“表示断开，“DC“表示直流等。电气工程常用辅助文字符号见表5-1-4。
2）图形符号。图形符号是用于图样或其他文件，以表示一个设备或概念的图形、标记或字符，由一般符号、符号要素、限定符号等组成。一般符号指简单的代表一类元件的符号，符号要素、限定符号是对某一元件的一个说明，见表5-1-5。
为了符合电气设备中不同电路功能的需求，同一类电器会有许多不同品种，如继电器就有中间继电器、时间继电器、电流继电器、电压继电器等许多种，这些继电器在电气图中的一般符号都是相同的。但是为了区分不同功能的继电器，就要在一般符号上标限定符号，限定符号与一般符号共同构成具有某种功能的电器、电气元件或部件，如图5-1-11至图5-1-14所示。常用电气图形符号见表5-1-6。
3）回路标号。电气设备的电路图中，各导线及连接端子都有统一规定的回路编号和标号，以便于分类查找、施工安装、检测及维修。图5-1-15所示为简单电路的回路标号示意图。
图5-1-15 简单电路的回路标号示意图
