Устройство электрических сетей

Трехфазная сеть — это такой способ передачи электрического тока, когда переменный ток течет по трем проводам, а по одному возвращается назад. Вышесказанное надо немного пояснить. Любая электрическая цепь состоит из двух проводов. По одному ток идет к потребителю (например, к чайнику), а по другому возвращается обратно. Если разомкнуть такую цепь, то ток идти не будет. Вот и все описание однофазной сети (рис. 1).

Рис. 1. Схема однофазной цепи.

Тот провод, по которому ток идет, называется фазовым, или просто фазой, а по которому возвращается — нулевым, или нолем. Трехфазная цепь состоит из трех фазовых проводов и одного обратного. Такое возможно потому, что фаза переменного тока в каждом из трех проводов сдвинута по отношению к соседнему на 120 °C (рис. 2). Более подробно на этот вопрос поможет ответить учебник по электромеханике.

Рис. 2. Схема трехфазной цепи

Передача переменного тока происходит именно при помощи трехфазных сетей. Это выгодно экономически — не нужны еще два нулевых провода. Подходя к потребителю, ток разделяется на три фазы, и каждой из них дается по нолю. Так он попадает в квартиры и дома. Хотя иногда трехфазная сеть заводится прямо в дом. Как правило, речь идет о частном секторе, и такое положение дел имеет свои плюсы и минусы. Об этом будет рассказано позднее.

Земля, или, правильнее сказать, заземление — третий провод в однофазной сети. В сущности, рабочей нагрузки он не несет, а служит своего рода предохранителем. Это можно объяснить на примере. В случае когда электричество выходит из-под контроля (например, короткое замыкание), возникает угроза пожара или удара током. Чтобы этого не произошло (то есть значение тока не должно превышать безопасный для человека и приборов уровень), вводится заземление. По этому проводу избыток электричества в буквальном смысле слова уходит в землю (рис. 3).

Рис. 3. Простейшая схема заземления

Допустим, в работе электродвигателя стиральной машины возникла небольшая поломка и часть электрического тока попадает на внешнюю металлическую оболочку прибора. Если заземления нет, этот заряд так и будет блуждать по стиральной машине. Когда человек прикоснется к ней, он моментально станет самым удобным выходом для данной энергии, то есть получит удар током. При наличии провода заземления в этой ситуации излишний заряд стечет по нему, не причинив никому вреда. В дополнение можно сказать, что нулевой проводник также может быть заземлением и, в принципе, им и является, но только на электростанции.

Некоторые умельцы, полагаясь на начальные знания по электротехнике, устанавливают нолевой провод как заземляющий. Никогда так не делайте. При обрыве нулевого провода корпуса заземленных приборов окажутся под напряжением 220 В.

В 99 % случаев для квартиры устанавливается однофазная сеть. Отличить ее от трехфазной очень просто. Если во входящем кабеле 3 или 2 провода, то  сеть однофазная, когда 5 или 4 — трехфазная (рис. 4).

Рис. 4. Четырехжильным или двухжильным кабель становится, если убирается заземляющий провод

Как известно, по проводам, передающим энергию на расстояние, течет трехфазный ток — так выгоднее. В квартиру он заходит однофазным. Расщепление трехфазной цепи на 3 однофазных происходит во ВРУ. Туда входит пятижильный кабель, а выходит трехжильный (рис. 5).

Рис. 5. Схема расщепления трехфазной сети на однофазные потребители

На вопрос, куда деваются еще 2, ответ простой: питают другие квартиры. Это не значит, что квартир только 3, их может быть сколько угодно, лишь бы кабель выдержал. Просто внутри щита выполняется схема разъединения трехфазной цепи на однофазные (рис. 6).

Рис. 6. Однофазная электрическая сеть

К каждой фазе, отходящей в квартиру, добавляются ноль и заземление, так и получается трехжильный кабель.

В идеале в трехфазной сети только один ноль. Больше и не надо, поскольку ток сдвинут по фазе относительно друг друга на одну треть. Ноль — это нейтральный проводник, в котором напряжения нет. Относительно земли у него нет потенциала в отличие от фазового, в котором напряжение равно 220 В. В паре «фаза — фаза» напряжение 380 В. В трехфазной сети, к которой ничего не подключено, в нейтральном проводнике нет напряжения. Самое интересное начинает происходить, когда сеть подключается к однофазной цепи. Одна фаза входит в квартиру, где стоят 2 лампочки и холодильник, а вторая — где 5 кондиционеров, 2 компьютера, душевая кабина, индукционная плита и т. д. (рис. 7).
Рис. 7. Трехфазная электрическая сеть.

Понятно, что нагрузка на 2 эти фазы неодинакова и ни о каком нейтральном проводнике речи уже не идет. На нем тоже появляется напряжение, и чем неравномернее нагрузка, тем оно больше.
Фазы уже не компенсируют друг друга, чтобы в сумме получился ноль. В последнее время ситуация с некомпенсацией токов в такой сети усугубилась тем, что появились новые электроприборы, которые называются импульсными. В момент включения они потребляют намного больше энергии, чем при нормальной работе. Эти импульсные приборы вкупе с разной нагрузкой на фазы создают такие условия, что в нейтральном проводнике (ноле) возникает напряжение, которое может быть раза в 2 больше, чем на любой фазе. Однако нейтраль такого же сечения, что и фазовый провод, а нагрузка больше.

Вот почему в последнее время все чаще возникает явление, называемое отгоранием ноля — нейтральный проводник просто не справляется с нагрузкой и перегорает. Бороться с таким явлением непросто: надо либо увеличивать сечение нейтрального провода (а это дорого), либо распределять нагрузку между 3 фазами равномерно (что в условиях многоквартирного дома невозможно). На худой конец можно купить понижающий разделительный трансформатор, он же стабилизатор напряжения.

Последствия действия тока на организм человека зависят от силы тока (основной фактор), длительности его действия, рода и частоты тока, пути тока в теле человека и индивидуальных свойств человека. Важной характеристикой, определяющей исход воздействия тока, является электрическое сопротивление тела человека, которое является суммой сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Ток, проходящий через тело человека (I_чел, А) условно определяют по закону Ома:

где - приложенное напряжение;

- сопротивление тела человека, Ом.

Для расчетов обычно принимают, что R_чел ⁼ 1000 Oм. Основное сопротивление распространению тока оказывает кожа человека. В том случае, если кожа повреждена, увлажнена или загрязнена токопроводящей пылью (металлической или углеродной), сопротивление тела человека может быть и ниже 1000 Ом.

Как уже сказано выше, основным физическим фактором, вызывающим тяжесть электротравмы, является сила тока – количество электричества, проходящего через тело человека в единицу времени. Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека и соответствующие им три пороговых значения: ощутимое, отпускающее и фибрилляционное.

Пока сила тока не достигла ощутимого значения, человек не чувствует его воздействия. Если человек попал под воздействие переменного тока промышленной частоты (f = 50 Гц), он начинает ощущать протекающий через него ток, когда его значение достигнет 0,6–1,5 мА. Для постоянного тока это пороговое значение составляет 6–7 мА. Ощутимый ток вызывает у человека малоболезненные (или безболезненные) раздражения, и человек может самостоятельно освободиться от провода или токоведущей части, находящейся под напряжением.

Если сила переменного тока, протекающего через организм, составляет 10–15 мА и более, а постоянного – 50–70 мА (или более), то такие токи называют неотпускающими, так как они вызывают непреодолимые и болезненные судорожные сокращения мышц рук при касании ими (захвате) токопроводящих частей или проводов. Человек не может самостоятельно разжать руку и освободиться от воздействия тока. При повышении силы переменного тока промышленной частоты до 25– 50 мА затрудняется или даже прекращается процесс дыхания (при воздействии этого тока в течение нескольких минут).

Фибрилляционными называют токи, вызывающие быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате чего сердце теряет способность перекачивать кровь, в организме прекращаются процессы кровообращения и дыхания и наступает смерть. При воздействии переменного тока промышленной частоты величина порогового фибрилляционного тока составляет 100 мА (при продолжительности воздействия более 0,5 с), а для постоянного тока – 300 мА при той же продолжительности.

Степень поражения электрическим током зависит также от рода и частоты тока. Переменный ток с частотой от 20–100 Гц наиболее опасен для человека. Токи с частотой выше 500 000 Гц могут вызвать лишь термические ожоги и не оказывают раздражающего действия на ткани организма. Известно, что при напряжениях, превышающих 500 В, наиболее опасен постоянный ток, а при меньших напряжениях – переменный.

Чем больше время воздействия тока, тем сильнее будет поражение и тем меньше вероятность восстановления жизненных функций организма. В табл. 20.1 представлены значения предельно допустимых уровней напряжения и тока в зависимости от продолжительности воздействия на организм человека.

Существенное влияние на тяжесть поражения человека электрическим током оказывает путь, по которому он распространяется в организме. Так, опасность поражения резко увеличивается, если на пути тока оказываются мозг, сердце или легкие.

Цепь тока через тело человека зависит от места его прикосновения к оголенным проводам или токоведущим частям. Наиболее характерны следующие цепи: руки–ноги, рука–рука и рука–туловище.

К индивидуальным качествам человека в первую очередь относится состояние его здоровья, обученность правильной и безопасной работе на электроустановках (с присвоением соответствующей квалификационной группы) и др.