Проектирование электроцепей с учётом требований безопасности[1]
Как мы узнали ранее, электрическая цепь, не имеющая хорошего заземления, непредсказуема с точки зрения безопасности. Невозможно предугадать, насколько высоким или низким будет напряжение между любой точкой цепи и землёй. Заземлив хотя бы одну сторону источника напряжения электрической цепи, мы гарантируем, что хотя бы одна точка цепи будет электрически общей с землей и благодаря этому не будет представлять никакой опасности. Это простая двухпроводная энергосистема: в ней заземлённый проводник называется нулевым (нейтральным), а другой проводник – фазным:
Наличие или отсутствие заземления никак не влияет на работу цепи. Оно нужно лишь для обеспечения безопасности, т.к. гарантирует, что человек сможет безопасно коснуться хотя бы одной точки цепи (потому что между ней и заземлённым участком поверхности будет отсутствовать напряжение). К фазному отрезку цепи прикасаться опасно до тех пор, пока источник напряжения не будет выключен (в идеале – при помощи процедуры блокировки и опломбирования).
Очень важно понимать этот дисбаланс между двумя проводниками в одной простой цепи. Серия иллюстраций ниже основана на системах электрической проводки, характерных для обычных домов (но наглядности ради переменный ток заменён на постоянный).
Для примера давайте взглянем на простой домашний электрический прибор вроде тостера, оснащённого металлическим корпусом, способным проводить электрический ток. Если пользоваться им правильно, то он абсолютно никакой опасности не представляет. Провода, ведущие ток к нагревательным элементам тостера, изолированы от этого металлического корпуса (и друг друга) резиной или пластиком.
Однако если один из проводов внутри тостера случайно коснётся металлического корпуса, этот провод и корпус станут электрически общими друг другу, поэтому теперь человек, касающийся корпуса, рискует получить удар током. Но не со стопроцентной вероятностью – то, ударит человека током или нет, зависит от того, какой именно провод касается корпуса:
Если корпуса касается фазный провод, тот, кто пользуется тостером, рискует получить удар током. С другой стороны, если корпуса касается нулевой провод, то риска получить удар током нет:
Чтобы первый дефект встречался как можно реже, чем второй, инженеры стараются создавать приборы таким образом, чтобы минимизировать контакт фазного провода с корпусом. Конечно, в идеале вообще нежелательно, чтобы какой-либо провод касался металлического корпуса прибора, но его проводка, как правило, создаётся такой, чтобы у одного провода было меньше вероятности коснуться провода, чем у другого.
Но эта превентивная мера эффективна, только если в сетевой вилке присутствует полярность. Если в вашей вилке контакты инвертированы (т.е. это вилка с обратной полярностью), то вероятность того, что корпуса будет касаться именно фазный провод, выше:
Спроектированные таким образом приборы, как правило, оснащаются «поляризированными» вилками – один её штырь как правило слегка уже другого. Розетки проектируются по тому же принципу – одно отверстие в них уже, чем другое. Соответственно, у вас просто не получится подключить вилку наоборот, что гарантирует наиболее безопасное расположение проводников внутри прибора. Помните, что на главную функцию прибора это никак не влияет: всё это нужно лишь для безопасности конечного пользователя прибора.
Некоторые инженеры решают проблему безопасности, просто делая внешний корпус прибора из изолирующего материала. Такие приборы называют приборами с двойной изоляцией, поскольку изолирующий корпус служит вторым слоем изоляции поверх слоя, которым защищены сами проводники. Если провод внутри прибора случайно коснётся корпуса, пользователю это ничем не грозит.
Другие инженеры решают проблему безопасности, оставляя проводниковый корпус, но используя третий дополнительный проводник, который заземляет корпус:
Третий штырь вилки обеспечивает прямое электрическое соединение между прибором и землей, делая их электрически общими друг другу. А если они электрически общие друг другу, значит между ними не может быть никакого перепада напряжения. По крайней мере, всё это должно работать именно так. Если фазный провод случайно коснётся металлического корпуса прибора, то произойдёт короткое замыкание обратно к источнику напряжения через заземляющий провод, из-за чего в цепи сработают предохранители. Сам пользователь прибора при этом останется цел и невредим.
Вот почему важно никогда не обрезать третий штырь вилки из-за того, что она не влезает в розетку с двумя отверстиями. В таком случае корпус больше не будет заземлён, из-за чего пользователь прибора рискует получить удар током. Сам прибор будет работать нормально, но если внутри у него случится поломка, из-за которой фазный провод коснётся корпуса, исход может быть летальным. Если без использования розетки с двумя отверстиями никуда не деться, то подключение можно организовать через переходник, у которого на входе три отверстия, на выходе – два штыря, а заземление обеспечивается через заземлённый винт-заглушку. Это обеспечит безопасность электрического прибора даже несмотря на то, что он будет подключен к розетке с двумя отверстиями.
Но защиту пользователя от удара током необязательно делать на одной лишь нагрузке (т.е. на электрическом приборе) – ещё один рубеж защиты можно выстроить на стороне источника питания. Этот рубеж называется «индикатором замыкания на землю» и работает вот так:
В правильно функционирующем приборе (см. картинку выше) сила тока в фазном проводнике должна быть идентична силе тока в нулевом проводнике, потому что в цепи только одна «дорожка» для перемещения электронов. Если прибор исправен, между проводниками цепи и человеком, трогающим прибор, никакого контакта нет, а следовательно – нет и поражения электрическим током.
Если, однако, фазный провод случайно коснётся металлического провода, то человек, трогающий корпус прибора, уже рискует получить удар током. Его наличие будет проявляться в виде разницы токов между двумя проводниками в энергосети (её также называют дифференциальным током):
Разница токов между фазным и нулевым проводниками появится только в том случае, если ток уйдёт через заземление, и вся эта ситуация будет говорить о неисправности в энергосистеме. Следовательно, эту разницу токов (дифференциальный ток) можно использовать для того, чтобы определить, есть ли в энергосистеме неисправность. Допустим, у нас есть устройство, измеряющее этот дифференциальный ток между двумя проводниками. Мы могли бы использовать этот дисбаланс для того, чтобы вызвать срабатывание автоматического выключателя, а следовательно – отключить питание и не дать человеку получить серьёзный удар током.
К счастью, такие устройства есть и называются GFCI (от англ. «ground fault current interrupters», что можно перевести как «прерыватель цепи, срабатывающий при замыкании на землю»). За пределами Северной Америки эти устройства часто называют:
Эти устройства достаточно компактны для того, чтобы их можно было встроить в розетку. Такие розетки можно быстро распознать по кнопкам «Test» (проверка) и «Reset» (восстановление). Явным преимуществом использования этого подхода к обеспечению безопасности является то, что он работает независимо от того, по какому принципу сделан сам электрический прибор. Разумеется, прекрасно, если помимо GFCI ваш электроприбор заземлён или имеет двойную изоляцию, но согласитесь, приятно знать, что помимо мер безопасности, предусмотренных в самом приборе, вы защищены ещё и специальным дополнительным устройством.
Также есть устройства защиты при дуговом пробое или УЗДП (англ. – «arc fault circuit interrupter» или AFCI) – это размыкатели цепи, предназначенные для предотвращения пожаров. Они размыкают цепь при обнаружении неустойчивого (прерывистого) короткого замыкания. К примеру, обычный 15-амперный выключатель цепи устроен так, что быстро разомкнёт цепь, если сила тока скакнёт намного выше 15-амперного порога, но если сила тока поднимется лишь слегка выше этого порога, он какое-то время подождёт, прежде чем размыкать цепь. Это защищает от коротких замыканий и перегрузок, длящихся несколько секунд, но не защищает от электрических дуг (которые могут быть использованы и во благо – например, при электродуговой сварке). Электрическая дуга – это ситуация, при которой сила тока периодически прыгает выше 70 ампер, а при прохождении тока через нуль цепь размыкается. В результате средние показатели тока будут такими, что их будет недостаточно для срабатывания автоматического выключателя, но их может быть достаточно для возникновения пожара. Эта электрическая дуга может возникнуть из-за короткого замыкания, в результате которого воздух между проводниками ионизируется и превращается в горячий плазменный поток.
УЗДП оснащены специальной электроникой, способной определять эти неустойчивые короткие замыкания. Это позволяет защитить электрические цепи от дуг, вызванных пробоем между фазным и нулевым проводниками, а также между фазным и заземляющим проводниками. УЗДП не защищает от электрических ударов как УДТ и АВДТ. Следовательно, УДТ и АВДТ по-прежнему следует устанавливать в кухонных, ванных и наружных электрических цепях. Поскольку УЗДП часто срабатывают при запуске больших моторов и нередко – при запуске щёточных моторов, американская Национальная система стандартов по электротехнике требует устанавливать их только в электрических цепях для спальных комнат. Использование УЗДП снижает количество пожаров, вызванных неисправной проводкой, но у их использования есть, опять же, и негативная сторона – они часто ложно срабатывают при использовании приборов с моторами.
Итого
В энергосетях часто одна сторона источника напряжения заземлена с целью обеспечить безопасный контакт с этим местом цепи.
Заземлённый проводник в энергосистеме называется нулевым (нейтральным) проводником, а незаземлённый – фазным.
Заземление энергосистем необходимо лишь для обеспечения безопасности людей, для работы электрических приборов оно не нужно.
Электрическую безопасность приборов и других типов нагрузки можно улучшить за счёт различных инженерных наработок: поляризованных вилок, двойной изоляции и 3-штыревых вилок с заземлением. Они позволяют максимизировать электробезопасность на стороне нагрузки.
Устройства УДТ и АВДТ определяют разницу токов (дифференциальный ток) между двумя проводниками, подающими питание на нагрузку. Этого дифференциального тока не должно быть вовсе. Наличие хоть какого-то дифференциального тока значит, что ток входит и выходит из нагрузки не через проводники, а каким-то другим путём, а так быть не должно. Большой дифференциальный ток автоматически заставит сработать специальное размыкающее устройство, что остановит перемещение тока по цепи.
