Безпечний дизайн ланцюга

Глава 3 - Електрична безпека

Як ми вже бачили раніше, енергосистема без надійного з'єднання із землею непередбачувана з точки зору безпеки. Неможливо гарантувати, скільки або як мало напруги буде існувати між будь-якою точкою кола і землею.

Заземлюючи одну сторону джерела напруги енергосистеми, можна гарантувати, що принаймні одна точка в ланцюзі є електрично спільною із землею і, отже, не представляє загрози удару. У простій двопровідній електромережі провідник, підключений до землі, називається нейтральним, а інший провідник - гарячим, також відомим як живий або активний:

Що стосується джерела напруги та навантаження, заземлення не має ніякої різниці. Він існує виключно заради особистої безпеки, гарантуючи, що принаймні одна точка в ланцюзі буде безпечною для дотику (нульова напруга на землю).

«Гаряча» сторона ланцюга, названа за потенційну небезпеку удару, буде небезпечною для дотику, якщо напруга не забезпечена належним відключенням від джерела (в ідеалі, за допомогою систематичної процедури блокування/відключення).

Цей дисбаланс небезпеки між двома провідниками в простому ланцюзі живлення важливий для розуміння. Наступна серія ілюстрацій базується на звичайних побутових електропроводках (для простоти використовують джерела постійної напруги, а не змінного струму).

Якщо ми подивимось на простий побутовий електричний прилад, такий як тостер із струмопровідним металевим корпусом, ми побачимо, що при правильній роботі він не повинен мати небезпеки удару. Провід, що проводить живлення до нагрівальних елементів тостера, ізольований від торкання металевого корпусу (і один одного) гумою або пластиком.

Однак, якщо один з проводів всередині тостера випадково зіткнеться з металевим корпусом, корпус стане електрично загальним для дроту, і торкання корпусу буде настільки ж небезпечним, як і торкання оголеного дроту. Чи представляє це небезпеку удару чи ні, залежить від того, який дріт випадково торкається:

Якщо “гарячий” провід торкається корпусу, це загрожує користувачу тостера. З іншого боку, якщо нейтральний провід торкається корпусу, небезпеки удару немає:

Щоб гарантувати, що перший збій є менш імовірним, ніж другий, інженери намагаються сконструювати прилади таким чином, щоб мінімізувати контакт гарячого провідника з корпусом.

В ідеалі, звичайно, ви не хочете, щоб будь-який провід випадково контактував із струмопровідним корпусом приладу, але зазвичай є способи спроектувати компонування деталей, щоб випадковий контакт був менш вірогідним для одного проводу, ніж для іншого.

Однак цей запобіжний захід ефективний лише в тому випадку, якщо може бути гарантована полярність штекера. Якщо штекер можна змінити, тоді провідник, з більшою ймовірністю контактує з корпусом, цілком може бути «гарячим»:

Прилади, сконструйовані таким чином, зазвичай постачаються з «поляризованими» штекерами, при цьому один штифт штекера трохи вужчий за інший. Розетки також розроблені таким чином, один слот є вужчим за інший.

Отже, вилку не можна вставляти «назад», і ідентичність провідника всередині приладу можна гарантувати. Пам’ятайте, що це ніяк не впливає на основну функцію приладу: це суворо заради безпеки користувача.

Деякі інженери вирішують питання безпеки, просто роблячи зовнішній корпус приладу непровідним. Такі прилади називаються подвійною ізоляцією, оскільки ізоляційний корпус служить другим шаром ізоляції, що перевищує таку, яку мають самі провідники. Якщо дріт всередині приладу випадково стикається з корпусом, користувач приладу не представляє небезпеки.

Інші інженери вирішують проблему безпеки, підтримуючи струмопровідний корпус, але використовуючи третій провідник, щоб надійно з’єднати цей корпус із землею:

Третій зубець на шнурі живлення забезпечує пряме електричне підключення від корпусу приладу до заземлення, роблячи дві точки електрично спільними між собою. Якщо вони електрично поширені, то між ними не може бути напруги.

Принаймні, так повинно працювати. Якщо гарячий провідник випадково торкнеться металевого корпусу приладу, він створить пряме коротке замикання назад до джерела напруги через провод заземлення, спрацьовуючи будь-які пристрої захисту від перевантаження. Користувач приладу залишатиметься в безпеці.

Ось чому так важливо ніколи не відрізати третій штифт від штепсельної вилки, намагаючись вставити його у розетку з двома зубами. Якщо це буде зроблено, корпус приладу не буде заземлений, щоб захистити користувачів.

Прилад все одно буде функціонувати належним чином, але якщо є внутрішня несправність, що приводить гарячий провід до контакту з корпусом, результати можуть бути смертельними. Якщо потрібно використовувати розетку із двома зубцями, можна встановити перехідник для розетки із двома-трьома за допомогою заземлювального дроту, прикріпленого до гвинта кришки заземлення. Це забезпечить безпеку заземленого приладу під час підключення до розетки цього типу.

Однак електробезпечне проектування не обов'язково закінчується на навантаженні. Остаточний захист від ураження електричним струмом може бути організований на стороні джерела живлення, а не на самому приладі. Цей захист називається виявленням замикань на землю, і він працює так:

У приладі, що працює належним чином (показано вище), струм, виміряний через гарячий провідник, повинен бути точно рівним струму через нульовий провідник, оскільки в ланцюзі електронів протікає лише один шлях. Якщо всередині приладу немає несправностей, між провідниками ланцюга та особою, яка торкається корпусу, немає зв’язку, а отже, і удару.

Однак, якщо гарячий провід випадково торкнеться металевого корпусу, через те, хто торкається корпусу, буде проходити струм. Наявність ударного струму буде проявлятися як різниця струму між двома силовими провідниками на розетці:

Ця різниця в струмі між «гарячим» і «нейтральним» провідниками буде існувати лише в тому випадку, якщо струм проходить через заземлення, що означає, що в системі є несправність. Тому така різниця струмів може бути використана як спосіб виявлення стану несправності.

Якщо пристрій налаштований для вимірювання цієї різниці струмів між двома силовими провідниками, виявлення дисбалансу струму може бути використано для спрацьовування розмикання вимикача, що відключає живлення і запобігає серйозним ударам:

Такі пристрої називаються переривачами струму замикання на землю, або скорочено GFCI. За межами Північної Америки GFCI по-різному відомий як захисний вимикач, пристрій залишкового струму (RCD), RCBO або RCD/MCB у поєднанні з мініатюрним вимикачем або автоматичним вимикачем витоку землі (ELCB).

Вони досить компактні, щоб їх можна було вбудувати в розетку живлення. Ці посудини легко ідентифікувати за їхніми характерними кнопками „Тест” та „Скинути”. Великою перевагою використання цього підходу для забезпечення безпеки є те, що він працює незалежно від конструкції приладу.

Звичайно, краще використовувати прилад з подвійною ізоляцією або заземленням на додаток до розетки GFCI, але втішає те, що можна щось зробити для поліпшення безпеки понад та поза конструкцією та станом приладу.

Вимикач дугової ланцюга (AFCI), вимикач, призначений для запобігання пожежам, призначений для розмикання на короткочасних резистивних коротких замиканнях. Наприклад, звичайний вимикач на 15 А призначений для швидкого розмикання ланцюга, якщо він навантажений далеко за межами номіналу 15 А, повільніше трохи вище номіналу.

Хоча це захищає від прямих коротких замикань і декількох секунд перевантаження, відповідно, не захищає від дуг - подібно до дугового зварювання. Дуга - це сильно змінне навантаження, що повторюється з максимумом понад 70 А, розімкнута ланцюг із перехрещенням нульового струму змінного струму.

Хоча середньої сили струму недостатньо для спрацьовування стандартного вимикача, його достатньо, щоб розвести вогонь. Ця дуга може бути створена металічним коротким замиканням, яке спалює метал, залишаючи резистивну розпилювальну плазму іонізованих газів.

AFCI містить електронну схему для виявлення цього короткочасного резистивного короткого замикання. Він захищає від дуг як від гарячої до нейтральної, так і від гарячої до землі. AFCI не захищає від особистого шоку, як це робить GFCI. Таким чином, GFCI все ще потрібно встановлювати на кухні, у ванні та на відкритому повітрі.

Оскільки AFCI часто спрацьовує при запуску великих двигунів і, загальніше, на щіткових двигунах, його встановлення обмежується схемами спальні згідно з Національним електричним кодексом США. Використання AFCI має зменшити кількість електричних пожеж. Однак неприємності під час роботи приладів з двигунами на ланцюгах AFCI є проблемою.

ОГЛЯД:

Електросистеми часто мають одну сторону джерела напруги, підключену до землі, щоб забезпечити безпеку в цій точці.
«Заземлений» провідник в енергосистемі називається нульовим провідником, а незаземлений - гарячим.
Заземлення в енергосистемах існує задля особистої безпеки, а не роботи вантажу.
Електрична безпека приладу або інших навантажень може бути поліпшена завдяки хорошій техніці: поляризовані пробки, подвійна ізоляція та тригранні пробки для заземлення - це всі способи підвищення безпеки на стороні навантаження.
Переривачі струму замикання на землю (GFCI) працюють, відчуваючи різницю струму між двома провідниками, що подають живлення на навантаження. Різниці в струмі не повинно бути взагалі. Будь-яка різниця означає, що струм повинен надходити або виходити з вантажу якимось способом, відмінним від двох основних провідників, що погано. Значна різниця струмів автоматично відкриє механізм відключення вимикача, повністю відключаючи живлення.