Проектирование безопасных схем

Как мы видели ранее, энергосистема без надежного подключения к заземлению непредсказуема с точки зрения безопасности. Невозможно гарантировать, какое напряжение или какое низкое 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 электроснабжения провод, соединенный с землей, называется нейтралью . , а другой проводник называется горячим , также известный как live или активный :

Что касается источника напряжения и нагрузки, заземление не имеет никакого значения. Он существует исключительно ради личной безопасности, поскольку гарантирует, что по крайней мере одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения (нулевое напряжение относительно земли).

«Горячая» сторона цепи, названная так из-за ее потенциальной опасности поражения электрическим током, будет опасна прикасаться к ней, если напряжение не будет обеспечено путем надлежащего отключения от источника (в идеале, с использованием процедуры систематической блокировки / маркировки).

Этот дисбаланс опасностей между двумя проводниками в простой силовой цепи важно понимать. Следующая серия иллюстраций основана на распространенных бытовых системах электропроводки (для простоты используются источники постоянного напряжения, а не переменного тока).

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, подводящие питание к нагревательным элементам тостера, изолированы от соприкосновения с металлическим корпусом (и друг с другом) резиной или пластиком.

Однако, если один из проводов внутри тостера случайно войдет в контакт с металлическим корпусом, корпус станет электрически общим для провода, и прикосновение к корпусу будет столь же опасным, как прикосновение к оголенному проводу. Представляет ли это опасность поражения электрическим током, зависит от того, какой провод случайно касается:

Если «горячий» провод касается корпуса, это подвергает опасности пользователя тостера. С другой стороны, если нейтральный провод соприкасается с корпусом, опасность поражения электрическим током отсутствует:

Чтобы гарантировать, что первый отказ менее вероятен, чем второй, инженеры стараются проектировать устройства таким образом, чтобы свести к минимуму контакт горячего проводника с корпусом.

В идеале, конечно, вы не хотите, чтобы какой-либо провод случайно соприкасался с проводящим корпусом прибора, но обычно есть способы спроектировать расположение частей, чтобы сделать случайный контакт менее вероятным для одного провода, чем для другого.

Однако эта профилактическая мера эффективна только в том случае, если может быть гарантирована полярность вилки питания. Если вилку можно перевернуть, то проводник, который с большей вероятностью соприкоснется с корпусом, вполне может быть «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, причем один слот уже другого.

Следовательно, вилку нельзя вставить «задом наперед», и можно гарантировать идентичность 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 приборы называются двойной изоляцией . поскольку изолирующий кожух служит вторым слоем изоляции выше и выше самих проводников. Если провод внутри устройства случайно войдет в контакт с корпусом, это не представляет опасности для пользователя устройства.

Другие инженеры решают проблему безопасности, поддерживая проводящий корпус, но используя третий провод для надежного соединения этого корпуса с землей:

Третий контакт на шнуре питания обеспечивает прямое электрическое соединение корпуса прибора с землей, делая две точки электрически общими друг с другом. Если они электрически общие, то между ними не должно быть падения напряжения.

По крайней мере, так оно и должно работать. Если горячий провод случайно коснется металлического корпуса прибора, он вызовет прямое короткое замыкание обратно на источник напряжения через заземляющий провод, сработав любые устройства защиты от перегрузки по току. Пользователь устройства останется в безопасности.

Вот почему так важно никогда не отрезать третий контакт вилки питания, когда пытаетесь вставить его в розетку с двумя контактами. Если это будет сделано, корпус устройства не будет заземлен для обеспечения безопасности пользователя (-ей).

Прибор по-прежнему будет функционировать должным образом, но в случае внутренней неисправности, приводящей к контакту горячей проволоки с корпусом, результаты могут быть смертельными. Если розетка с двумя контактами должна При использовании адаптера розетки с двумя-тремя контактами можно установить заземляющий провод, прикрепленный к винту заземляющей крышки. 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 . , и работает это так:

В правильно функционирующем приборе (показанном выше) ток, измеренный через проводник под напряжением, должен быть в точности равен току через нейтральный проводник, потому что существует только один путь для прохождения электронов в цепи. Если внутри устройства нет неисправности, нет соединения между проводниками цепи и человеком, касающимся корпуса, и, следовательно, нет удара током.

Однако, если горячая проволока случайно коснется металлического корпуса, через человека, касающегося корпуса, пройдет ток. Наличие ударного тока будет проявляться как разница тока между двумя силовыми проводниками 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 ​​разницу в токе можно использовать как способ обнаружения состояние неисправности.

Если устройство настроено для измерения этой разницы в токе между двумя силовыми проводниками, обнаружение дисбаланса тока можно использовать для запуска размыкания выключателя, тем самым отключая питание и предотвращая серьезный удар:

Такие устройства называются прерывателями тока замыкания на землю . , или сокращенно GFCI. За пределами Северной Америки GFCI также известен как предохранительный выключатель, устройство защитного отключения (RCD), RCBO или RCD / MCB в сочетании с миниатюрным автоматическим выключателем или выключателем утечки на землю (ELCB).

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 может быть сделано для повышения безопасности помимо конструкции и состояния прибора.

прерыватель цепи дугового замыкания (AFCI) , автоматический выключатель, предназначенный для предотвращения пожаров, предназначен для отключения при периодических резистивных коротких замыканиях. Например, обычный выключатель на 15 А спроектирован так, чтобы быстро размыкать цепь при нагрузке, значительно превышающей номинальную 15 А, или медленнее, немного превышающей номинальную.

Хотя это защищает от прямого короткого замыкания и нескольких секунд перегрузки, соответственно, он не защищает от дуги - аналогично дуговой сварке. Дуга представляет собой сильно изменяющуюся нагрузку, периодически достигающую максимума более 70 А, разомкнутую цепь с переменным током, переходящим через ноль.

Хотя среднего тока недостаточно для срабатывания стандартного выключателя, его достаточно, чтобы разжечь пожар. Эта дуга может быть создана из-за металлического короткого замыкания, которое сжигает металл, оставляя резистивную распыляющую плазму ионизированных газов.

AFCI содержит электронную схему для обнаружения этого прерывистого резистивного короткого замыкания. Он защищает как от дуги от горячего к нейтральному, так и от горячего к заземлению. AFCI не защищает от опасности поражения электрическим током, как GFCI. Таким образом, GFCI по-прежнему необходимо устанавливать на кухне, в ванной и на открытом воздухе.

Поскольку AFCI часто срабатывает при запуске больших двигателей и, в более общем смысле, щеточных двигателей, его установка ограничена электрическими цепями в спальнях согласно Национальному электротехническому кодексу США. Использование AFCI должно уменьшить количество электрических пожаров. Однако неприятные срабатывания при работе приборов с двигателями в цепях AFCI представляют собой проблему.

ОБЗОР:

• В энергосистемах часто одна сторона источника напряжения подключается к заземлению для обеспечения безопасности в этой точке.
• «Заземленный» провод в энергосистеме называется нейтралью . проводник, а незаземленный провод называется горячим .
• Заземление в энергосистемах существует ради личной безопасности, а не для работы нагрузки (ей).
• Электробезопасность устройства или других нагрузок может быть улучшена за счет хорошей инженерии:поляризованные вилки, двойная изоляция и трехконтактные вилки с «заземлением» - все это способы повышения безопасности со стороны нагрузки.
• Прерыватели тока замыкания на землю (GFCI) работают, определяя разницу в токе между двумя проводниками, подающими питание на нагрузку. Никакой разницы в токе быть не должно. Любое различие означает, что ток должен входить в нагрузку или выходить из нее каким-либо образом, кроме двух основных проводников, что нехорошо. Значительная разница в токе автоматически откроет размыкающий механизм выключателя, полностью отключив питание.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист безопасного заземления
• Таблица защиты от сверхтоков