Проектирование безопасных цепей
Как мы видели ранее, энергосистема без надежного подключения к заземлению непредсказуема с точки зрения безопасности. Невозможно гарантировать, насколько большое или насколько маленькое напряжение будет между любой точкой цепи и землей.
Заземлив одну сторону источника напряжения энергосистемы, по крайней мере, одна точка в цепи может быть электрически соединена с землей и, следовательно, не представляет опасности поражения электрическим током. В простой двухпроводной системе электропитания проводник, подключенный к земле, называется нейтралью (или нулевым), а другой провод – «горячим» (или активным):
Что касается источника напряжения и нагрузки, заземление не имеет никакого значения. Он существует исключительно ради безопасности человека, поскольку гарантирует, что, по крайней мере, одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения (будет иметь нулевое напряжение относительно земли).
«Горячая» сторона цепи, названная так из-за ее потенциальной опасности поражения электрическим током, будет опасна при прикосновении, если не будет обеспечено надлежащее отключение от источника напряжения (в идеале, с использованием процедуры блокировки/маркировки).
Важно понимать этот дисбаланс опасности между двумя проводниками в простой цепи питания. Следующая серия иллюстраций основана на обычных бытовых системах электропроводки (для простоты используются источники постоянного, а не переменного напряжения).
Если мы посмотрим на простой бытовой электроприбор, такой как тостер с проводящим металлическим корпусом, мы увидим, что при правильной работе не должно быть опасности поражения электрическим током. Провода, подающие питание на нагревательные элементы тостера, изолированы от соприкосновения с металлическим корпусом (и друг с другом) резиной или пластиком.
Однако если один из проводов внутри тостера случайно соприкоснется с металлическим корпусом, корпус станет электрически общим для провода, и прикосновение к корпусу будет так же опасно, как прикосновение к оголенному проводу. Представляет ли это опасность поражения электрическим током, зависит от того, какой провод касается корпуса:
Если «горячий» провод касается корпуса, то это подвергает опасности пользователя тостера. И напротив, если корпуса касается нейтральный провод, то опасности поражения электрическим током нет:
Чтобы гарантировать, что первая неисправность была менее вероятна, чем вторая, инженеры стараются спроектировать приборы таким образом, чтобы минимизировать контакт «горячего» проводника с корпусом.
В идеале, конечно, вы не хотите, чтобы какой-либо провод случайно соприкасался с проводящим корпусом устройства, но обычно существуют способы спроектировать расположение компонентов так, чтобы для одного провода сделать случайный контакт менее вероятным, чем для другого.
Однако эта профилактическая мера эффективна только в том случае, если можно гарантировать полярность вилки питания. Если вилку можно перевернуть, то проводник с большей вероятностью соприкосновения с корпусом вполне может оказаться «горячим»:
Приборы, разработанные таким образом, обычно поставляются с «поляризованными» вилками, причем один штырь вилки немного уже, чем другой. Розетки питания также имеют такую же конструкцию, одно отверстие уже другого.
Следовательно, вилку нельзя вставить «не той стороной», и можно гарантировать идентификацию проводника внутри устройства. Помните, что это никак не влияет на основные функции устройства: это делается исключительно ради безопасности пользователя.
Некоторые инженеры решают проблему безопасности, просто делая внешний корпус прибора непроводящим. Такие устройства называются устройствами с двойной изоляцией, поскольку изолирующий корпус служит вторым слоем изоляции поверх слоя изоляции самих проводов. Если провод внутри устройства случайно войдет в контакт с корпусом, то это не представит опасности для пользователя устройства.
Другие инженеры решают проблему безопасности, оставляя корпус проводящим, но используя третий провод для надежного соединения этого корпуса с землей:
Третий провод в шнуре питания обеспечивает прямое электрическое соединение корпуса прибора с землей, делая эти две точки электрически общими друг для друга. Если они электрически общие, то между ними не может быть падения напряжения.
По крайней мере, так оно и должно работать. Если «горячий» провод случайно коснется металлического корпуса прибора, он вызовет короткое замыкание обратно на источник напряжения через провод заземления, что вызовет срабатывание любых устройств защиты от перегрузки по току. Пользователь устройства останется в безопасности.
Вот почему так важно никогда не отрезать третий контакт вилки питания, пытаясь вставить ее в розетку с двумя контактами. Если это будет сделано, то не будет заземления корпуса прибора для обеспечения безопасности пользователя.
Прибор по-прежнему будет функционировать должным образом, но в случае внутренней неисправности, приводящей к контакту «горячего» провода с корпусом, результаты могут быть смертельными. Если необходимо использовать двухконтактную розетку, то можно использовать переходник и заземляющий провод, прикрепленный к винту заземления на корпусе. Это обеспечит безопасность заземленного прибора, подключенного к розетке этого типа.
Однако электрически безопасное проектирование не обязательно заканчивается нагрузкой. Последнюю защиту от поражения электрическим током можно установить на стороне источника питания цепи, а не на самом приборе. Эта мера защиты называется обнаружением замыкания на землю или устройством защитного отключения (УЗО) и работает следующим образом:
В правильно работающем приборе (показанном выше) ток, измеренный в «горячем» проводе (под напряжением), должен быть точно равен току в нейтральном проводе, потому что для прохождения электронов в цепи существует только один путь. При отсутствии неисправности внутри устройства нет соединения между проводниками цепи и человеком, касающимся корпуса, и, следовательно, нет поражения электрическим током.
Однако, если «горячий» провод случайно коснется металлического корпуса, через человека, касающегося корпуса, пройдет ток. Наличие поражающего тока будет проявляться как разница в силах тока в двух силовых проводниках в розетке:
Эта разница в токе между «горячим» и «нейтральным» проводниками будет существовать только в том случае, если есть ток через заземление, а это означает, что в системе есть неисправность. Следовательно, такую разность токов можно использовать как способ обнаружения неисправности.
Если устройство настроено для измерения этой разницы в токах между двумя силовыми проводниками, обнаружение дисбаланса токов может быть использовано для запуска размыкания выключателя, таким образом отключая питание и предотвращая серьезный электрический удар человека:
Такие устройства называются устройствами защитного отключения (УЗО) или прерывателями тока замыкания на землю (GFCI, Ground Fault Current Interrupters). За пределами США GFCI также известен как защитный выключатель, устройство защитного отключения (RCD, residual current device), RCBO, RCD/MCB (miniature circuit breaker) или выключатель утечки на землю (ELCB, leakage circuit breaker).
Они достаточно компактны, чтобы их можно было встроить в розетку. Эти розетки легко идентифицировать по их характерным кнопкам «Тест» и «Сброс». Большим преимуществом использования этого подхода для обеспечения безопасности является то, что он работает независимо от конструкции устройства.
Конечно, использование прибора с двойной изоляцией или заземлением в дополнение к розетке GFCI было бы еще лучше, но приятно знать, что что-то, помимо конструкции и состояния прибора, может быть сделано для повышения безопасности.
Устройство защиты при дуговом пробое (УЗДП; устройство защиты от искрения, УЗИс; AFCI, arc fault circuit interrupter) – автоматический выключатель, предназначенный для предотвращения возгораний, предназначен для размыкания при прерывистых резистивных коротких замыканиях. Например, обычный автоматический выключатель на 15 А спроектирован так, чтобы быстро размыкать цепь, если нагрузка значительно превышает номинальную 15 А, то есть он медленно срабатывает при небольшом превышении номинального тока.
Хотя он защищает от прямого короткого замыкания и нескольких секунд перегрузки, он не защищает от дугового пробоя, аналогичного дуговой сварке. Дуга представляет собой сильно изменяющуюся нагрузку: периодически достигающая максимума более 70 А и разомкнутой цепи при переходах переменного тока через ноль.
Хотя среднего тока недостаточно для срабатывания стандартного выключателя, его достаточно, чтобы вызвать пожар. Эта дуга может быть создана из-за металлического короткого замыкания, которое сжигает металл, оставляя резистивную распыляющую плазму ионизированных газов.
УЗДП содержит электронную схему для обнаружения этого прерывистого резистивного короткого замыкания. Оно защищает как от дуги от «горячего» провода к нейтральному проводу, так и от «горячего» провода к заземлению. УЗДП не защищает от опасности поражения электрическим током, как УЗО. Таким образом, УЗО по-прежнему необходимо устанавливать на кухне, в ванной и на открытом воздухе.
Поскольку УЗДП часто срабатывает при запуске больших электродвигателей и, в более общем смысле, коллекторных электродвигателей, его установка согласно National Electrical Code США ограничивается электрическими цепями в спальнях. Использование УЗДП должно уменьшить количество электрических пожаров. Однако проблемой являются неприятные срабатывания при работе приборов с электродвигателями в цепях УЗДП.
Резюме
- В энергосистемах часто одна сторона источника напряжения подключена к заземлению для обеспечения безопасности в этой точке.
- «Заземленный» провод в энергосистеме называется нейтральным проводником, а незаземленный провод – «горячим» проводником.
- Заземление в энергосистемах осуществляется ради безопасности человека, а не для работы нагрузки.
- Электробезопасность прибора или других нагрузок может быть улучшена за счет хорошего проектирования: поляризованные вилки, двойная изоляция и трехконтактные вилки с «заземлением» – всё это способы повышения безопасности на стороне нагрузки.
- Устройства защитного отключения (УЗО, GFCI) работают, считывая разницу в токах между двумя проводниками, подающими питание на нагрузку. Не должно быть никакой разницы в токах. Любая разница означает, что ток входит в нагрузку или выходит из нее каким-либо другим образом, кроме двух основных проводников, что нехорошо. Значительная разница в токе автоматически размыкает механизм УЗО, полностью отключая питание.