Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ: БЛАГО И ОПАСНОСТЬ
чтобы они видели ваши добрые дела
и прославляли Отца Вашего Небесного.
Евангелие от Матфея. Гл. 5, ст. 16.
Послушайте, ведь если звезды зажигаются, значит это кому-нибудь нужно.
Значит это необходимо, чтобы каждый вечер над крышами загоралась хоть одна звезда.
В. Маяковский
Прочитать эту лекцию меня побудило то обстоятельство, что использование электрических приборов в быту резко возросло. Одновременно возросла и мощность электроприборов, применяемых в домашних условиях. Создается совершенно новая обстановка использования электрических сетей (электропроводов) в квартирах и на дачах. Во многих случаях сети изготовлены 20–30 лет назад и уже не отвечают всевозрастающей нагрузке, что может привести и приводит к нарушению пожарной безопасности и опасности поражения электрическим током.
Особая опасность возникает при использовании электроэнергии для бытовых и технических нужд на садовых участках, дачах и при сооружении новых индивидуальных домов с большой жилой площадью.
К сожалению, за выполнение электромонтажных работ на садовых участках довольно часто берутся недостаточно квалифицированные люди. Приемку же производят, как правило, заказчики-хозяева. В своем большинстве они не обладают специальными электротехническими знаниями, чтобы квалифицированно оценить добротность электромонтажных работ. А оценить необходимо выполнение всех требований «Правил устройств электротехнических установок», этой главной книги, которой руководствуются специалисты при производстве электромонтажных работ. Необходимы и учет предписаний Сборника строительных норм и правил (СНиП), а также особенностей конкретного строения. Более того, многие считают, что электромонтажные работы настолько просты, что не требуют специальных знаний, и их можно выполнить самому, имея весьма приближенное понятие вообще о природе электричества и об основных законах, по которым оно функционирует в природе и используется человеком в технических и бытовых целях.
Заранее прошу прощения у профессионалов-электротехников за популярное и упрощенное изложение столь сложного материала, как природа электричества и использование его человеком. Ибо лекция ориентирована не на профессионалов, а на людей, которые знакомы с основными законами электричества в пределах школьной программы. И все они ежедневно пользуются этим замечательным феноменом, имя которому электричество.
НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Об электричестве человечество знало с незапамятных времен. Знало и о грозной для человека силе, заложенной в электричестве. Недаром главный бог в греческой мифологии Зевс был громовержцем и пускал свои огненные стрелы как наказание провинившимся.
Однако никогда в истории человечества электричество не использовалось так интенсивно, как в ХХ веке, особенно во второй его половине, и сейчас.
Электричество – это удивительный вид энергии, отличающийся относительной легкостью транспортировки. Оно преобразуется в другие виды энергии с малыми потерями, то есть с исключительно высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Электричество не издает шумов. Никто не слышит, как идет ток: электричество не имеет запаха, цвета, не сопровождается ядерной радиацией и отравляющими свойствами. Это идеальный вид энергии, который дал человечеству огромную власть над окружающей средой. И надо очень осторожно пользоваться этой властью, потому что власть – это прежде всего большая ответственность за правильное использование этой доброй, но грозной силы.
Однако электричество обладает явными характерными свойствами, присущими только ему:
а) там, где течет электрический ток, всегда есть магнитное поле;
б) прохождение электрического тока всегда сопровождается выделением тепла;
в) при определенных условиях под воздействием электрического тока идут характерные химические процессы (электролиз).
Электричество – это до конца не понятное, многогранное явление, оказалось весьма полезным для человека. Но это и строгое, суровое и опасное явление. Оно требует к себе вдумчивого и квалифицированного отношения.
Теперь поговорим об основных характеристиках, через которые проявляется электричество:
1. Напряжение – это характеристика, которую обозначают на паспорте любого электрического прибора, начиная с электрической лампочки. Что же за этим кроется? Это такое свойство электричества, без которого не могут проявляться другие качества электроэнергии. Напряжение опасно для жизни человека.
2. Электрический ток – это поток электрической энергии, вызванный электрическим напряжением. Там, где идет ток, есть магнитное поле, и выделяется тепло. Электрический ток опасен, именно он и убивает. Но ток должен по чему-то протекать. Этой дорогой, по которой идет ток, является проводник – электрический провод. Проводник обладает, как всякая дорога, определенными свойствами. Главное из них называется электрическим сопротивлением. Хороший проводник – это «асфальтированная дорога» с малым сопротивлением движению. Плохой проводник – это «дорога с ухабами и ямами», которые тормозят движение.
3. Электрическое сопротивление проводов – это следующая характеристика электрической энергии.
Необходимо понять очень простую вещь. Для того чтобы шел ток, нужны источник энергии, напряжение, проводник, потребитель, соединенные в одну замкнутую цепь.
На схеме это выглядит так:
Соединительные провода в такой цепи – это асфальтовая дорога для электрического тока, а лампочка – ее нить, это часть дороги в ухабах, где для движения и расходуется практически вся электроэнергия. От этой энергии вольфрамовая нить разогревается до белого каления – лампочка горит.
Как видите, для того чтобы электрическая энергия проявила себя, нужны вполне конкретные условия: источник напряжения, соединительные провода и потребитель. Если мы эти элементы соединим в замкнутую электрическую цепь, пойдет ток: лампочка будет гореть, утюг будет греть, стиральная машина, пылесос, телевизор будут работать.
Главное условие для прохождения электрического тока – это полностью замкнутая цепь. А выключатели-автоматы, пробки, розетки выполняют роль «светофоров», «шлагбаумов» на электрической дороге.
Реальная электрическая схема выглядит так:
где 1 – электростанция, 2 – потребитель, 3 – выключатель, 4 – проводник.
Есть и еще одна производная величина – это мощность. На паспорте электрического прибора она тоже всегда обозначается. Например, лампочка – 100 ватт, утюг – 1000 ватт (или 1 кВт), чайник – 2000 ватт (или 2 кВт).
Итак, мы познакомились с основными характеристиками электроэнергии. Мы не стали рассматривать такие важные элементы электротехники, как изоляторы, трансформаторы, явления электромагнитной индукции, реактивной и активной мощности и др. Об этом можно прочитать в курсе теоретической электротехники или в электротехнических справочниках.
Опишем все вышеизложенное законом Ома.
где I – сила тока в амперах, V – напряжение в вольтах, R – сопротивление электрической цепи в омах.
Из формулы следует, что: V = I х R , R = V / I
Потребляемая мощность: Р = I х V
Сопротивление проводника рассчитывается по формуле
где – удельное сопротивление провода (т.е. материал, из которого сделан провод, – это гладкий асфальт или ухабы на дороге), S – это поперечное сечение провода (ширина дороги), L – длина провода (длина дороги).
Таким образом, вы ознакомились, правда, очень коротко, с феноменом, который называется электричеством.
С каким видом электричества мы чаще всего имеем дело?
Электричество проявляется очень широко: например, электричество бывает статическим – когда вы гладите кошку или снимаете с себя шерстяной свитер, слышите потрескивание, а в темноте видите искры. Сродни статическому электричеству и молнии при грозе.
Статическое электричество практически всегда присутствует в жилом помещении, если это помещение относительно сухое. Электричество вырабатывается практически всеми живыми существами – это биоэлектричество. Свидетельством тому – ваша электрокардиограмма. А в морях плавают так называемые электрические скаты, которые поражают жертву электрическим током.
Вокруг каждого живого организма существует биологическое поле – аура, которая тоже не обходится без электричества. И, наконец, все команды к действию, которые дает ваш разум-мозг, передаются исполнительным органам, например рукам или ногам, с участием электричества. Как видите, электричество вокруг нас и мы с вами «нашпигованы» электричеством.
Невероятно сложные процессы протекания электрического тока огромной силы внутри Земли создают ее электромагнитное поле.
На высоте, в атмосфере над Землей, существует так называемый ионизированный слой, в котором идут процессы, дающие нам возможность слушать радио при помощи радиоприемников. Северное сияние есть не что иное, как проявление электрической энергии в верхних слоях ионосферы.
Как видите, электричество в атмосфере, в ее облаках, внутри нас, в Земле, в космосе, в шерсти кошек, и каждое из этих «электричеств» – это огромный раздел весьма сложной науки.
Однако ограничимся более приземленными вопросами использования электричества в быту. Чаще всего используются два вида электрического тока, а именно, постоянный и переменный ток.
Что такое постоянный и переменный ток? Какой из них более опасен и почему?
Ток имеет направление или полярность. В электротехнике условно принято, что ток идет от "+" к "–".
Постоянный ток в быту мы, как правило, получаем от батареек, аккумуляторов. От постоянного тока движутся трамваи, троллейбусы, электропоезда и т.д.
Переменный ток – это электропроводка дома, на даче, от него мы получаем освещение. Большинство бытовых приборов рассчитано на переменный ток.
Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что основные характеристики электрического тока (одинаковые, вне зависимости от того, постоянный ток или переменный) и применение того или иного тока в основном зависят от особенностей потребителя. Под потребителя подбирается определённый источник электрического тока. Постоянный ток течет только в одном направлении и всегда больше нуля. Переменный ток меняет направление движения на обратное с определенной частотой. В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока – 50 герц, это значит, что в течение одной секунды ток меняет направление на обратное 50 раз. Амплитуда таких изменений тока определяется мощностью потребляемой энергии.
Это основные характеристики электрической энергии, которой мы пользуемся ежедневно, ежечасно.
Теперь давайте разберемся, откуда берутся 220 вольт у нас дома. Это будет путешествие внутрь источника электрической энергии, которая используется в быту.
В нашей стране приняты определенные стандарты напряжения, в том числе система 380/220 вольт. Что же это за система?
Это наиболее распространенное изображение схемы соединения трансформатора на паспорте.
Эта система предполагает, что источник электрической энергии, как правило, через понижающий трансформатор выдает в сеть переменный 3-фазный ток. Что такое 3-фазный ток? А это значит, что источник тока – электрогенератор сконструирован так, что он одновременно создает разность потенциалов (напряжение) на концах трех проводов. Эти провода выведены из генератора и по ним энергия в таком виде поступает в электрическую сеть. В нашем случае энергия подается на 3-фазный трансформатор, который для удобства использования понижает напряжение с 10 000 до 380 вольт. Но вы скажете – дома у нас 220 вольт. Правильно, но дело в том, что у трансформатора есть такая точка, которая называется нулевой (0). Вот напряжение между этой точкой и фазой будет 220 вольт, к нам в квартиру приходит одна фаза и «0», а в соседнюю квартиру другая фаза и тоже «0», и в третью квартиру также одна фаза и «0». Три потребителя подключаются так для того, чтобы равномерно распределить нагрузку на трансформатор. Равномерное распределение нагрузки уменьшает внутренние потери электрической энергии. Ноль трансформатора всегда заземлен, то есть соединен с системой заземления.
О заземлении поговорим отдельно, это очень важно. На схеме это выглядит так:
Так же примерно должны подключаться дома на улице, на даче.
Что такое фаза?
Дело в том, что промышленный переменный ток, вырабатываемый всеми электрическими станциями страны и Европы, имеет одинаковые параметры. Это делается для того, чтобы выработанную электрическую энергию можно было «складировать в один ящик». Этот «ящик» называется энергосистемой. Энергосистемы бывают разные: большие – государственные, очень большие – межгосударственные и небольшие – районные. Но так как источники-генераторы на всех станциях изготовлены на заводах с одинаковыми электрическими характеристиками, то все электричество, в конечном счете, можно соединить в единую электрическую систему, даже в мировую. Возможно, в будущем это и будет сделано, потому что такое объединение резко повышает надежность обеспечения электрической энергией потребителей и качество самой энергии.
Вернемся к фазе.
Дело в том, что генератор электрической энергии устроен так, что он вырабатывает сразу энергию в трех направлениях в трех фазах. Но в фазах в каждый момент времени течет ток разной величины и направления: в одной фазе – максимальный, в другой – только половина, а в третьей – близко к «0». Так сконструированы электрические машины. В каждой фазе ток изменяется от одного направления к другому во времени по синусоиде с частотой 50 герц.
Из графика видно, что изменение тока в фазах происходит во времени со сдвигом 120 градусов. Пока эта форма считается самой распространенной формой передачи электроэнергии в мире и достаточно эффективной, хотя существуют другие формы. Мы их рассматривать не будем.
Для чего я вам это рассказываю? Да для того, чтобы вы представили, что физически фазы существуют и сдвиг по фазе – это реальное явление, тем более, что у вас дома уж одна фаза есть обязательно.
Чтобы фазы не путать, их обозначают буквами «А», «B», «С» и раскрашивают в желтый, зеленый, красный цвета. «0», или «земля», всегда окрашивается в черный цвет.
Что нужно знать, чтобы правильно подключиться к электросети – 220 вольт по «фазе» и «0»?
«0» – всегда подключается к потребителю напрямую, т.е. без автоматов, пробок, выключателей, а вот фаза подключается к потребителю только через пробки, автоматы, выключатели. На схеме это выглядит так:
Это теоретическое рассуждение, но сколько бы ни было лампочек, подключать надо так – фазу через выключатель, «0» напрямую.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ В КВАРТИРЕ КИРПИЧНОГО ИЛИ Ж/Б ДОМА
В электротехнической практике такие сети, или электрические проводки, принято называть прокладкой проводов по негорючему основанию. Это разъяснение необходимо, чтобы понять, почему в таких домах выполнена скрытая проводка и почему она не опасна в пожарном отношении. Однако и такая проводка может привести (и иногда приводит) к пожару и поражению электрическим током.
Как же не попасть под напряжение и не устроить пожар даже в кирпичном доме? Нельзя перегружать квартирную сеть, то есть нельзя одновременно включать, например, электрический чайник, утюг, обогреватель, пылесос. Если вы это сделали, у вас должны перегореть пробки или сработать автоматы и отключить перегруженную сеть.
И, конечно, ни в коем случае нельзя ставить предохранители выше 16 ампер в обычной квартире, иначе может произойти следующее: обгорят провода в местах присоединения, а именно там, где имеются плохие контакты, и без электромонтера подачу электроэнергии в квартиру восстановить не удастся. Со временем контакты в розетках ослабевают, и розетка начинает греться. Это сигнал того, что возможно возгорание и короткое замыкание. Необходимо временно не пользоваться опасной розеткой и пригласить специалиста, чтобы он подтянул контакты.
Особую опасность представляют так называемые удлинители-размножители, которые дают возможность включить несколько потребителей в сеть через розетку. Исправная розетка может безболезненно пропустить только 6 ампер, или 10 ампер, или 16 ампер. Розетки бывают разные. Нужно обратить внимание, на какой ток рассчитана розетка, и только тогда подключать свой размножитель-удлинитель. Если на розетке написано 16 А, то смело можно подключать удлинитель с несколькими розетками (но надо помнить, что суммарная нагрузка включенных потребителей не должна превышать 16 А). На схеме это выглядит так :
9 + 4,5 + 0,5 = 14 А, так подключать можно.
Главное правило пользования удлинителем-размножителем: суммарная нагрузка подключенных приборов через удлинитель не должна превышать допустимую нагрузку на розетку, в которую вы включили свой удлинитель-размножитель.
Если вы приобрели удлинители в так называемом европейском исполнении, т.е. с заземляющими элементами и с вилкой 10 А или 16 А, это указано на самой вилке, на это надо обращать внимание.
Почему нельзя включать такую вилку в розетки старого образца? Дело в том, что они не подходят друг к другу, а растачивать отверстия нельзя: ее контактная система не рассчитана на ток, на который рассчитана вилка, и при многократном включении выйдет из строя.
Что же делать? Необходимо пригласить специалиста для замены старых розеток на розетки европейского типа. Только не делайте эту работу сами. Эта работа требует определенных электротехнических знаний, а именно:
а) нужно обязательно отключить напряжение на квартирном электрощите.
б) подключать «0» – заземляющий провод – нужно строго к «0» – заземляющей клемме, а для этого необходимо определить, какой из проводов «0» заземляющий и какой – фаза. Вы рискуете подать напряжение на корпус бытового электроприбора (стиральной машины, компьютера, высокочастотной печи, пылесоса и др.). Это опасно для жизни!
Вот краткий перечень мощностей наиболее распространенных электроприборов:
ток 2,6 А - утюг 1000 Вт (1 кВт)
ток 5,3 А - чайник 2000 Вт (2 кВт)
ток 4,5 А - пылесос 1350 Вт (1,3 кВт)
ток 5,3 А - стиральная машина 2000 Вт (2 кВт)
ток 2,6 А - кофеварка 1000 Вт (1 кВт)
ток 2,6 А - фритюрница 1000 Вт (1 кВт)
ток 0,54 А - телевизор 70–120 Вт
ток 0,9 А - холодильник 150–200 Вт
Заземление.
«0» провод всегда имеет металлическую связь с заземляющим проводом, а тот в свою очередь связан с заземляющим устройством, с реальной землей.
Как же происходит заземление в реальных условиях?
Заземляющее устройство состоит из заземляющих электродов (заземлителей), находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и из соединительных проводников, соединенных между собой.
Из этого следует, что элементы оборудования вашей квартиры – батареи отопления, ванна, все краны и трубы отопления и водопровода – связаны с землей через трубы водопровода и отопления, находящиеся в земле. С точки зрения электротехники они не отличаются от заземлителей, забитых в землю специально. Но пользоваться трубами или батареями отопления как заземлителями категорически запрещается, так как это действует разрушающе на систему водопровода и опасно для жизни.
Если электроприбор вместо нулевого провода подсоединить к батарее (к сожалению, в быту это случается), может сложиться так, что слесарь-сантехник, работающий на этом стояке, разъединит трубы. В этом случае батарея уже не может играть роль заземляющего устройства. В случае неисправности прибора возникает опасность для слесаря попасть под напряжение. Присоединяясь к батарее отопления или трубе водопровода, потребитель подает потенциал на эти элементы оборудования, и по трубам будет протекать электрический ток. Результатом этого могут стать электрохимические реакции, разрушающие трубы, особенно на стыках.
Вывод: водопроводные трубы в квартире являются элементами повышенной опасности с точки зрения электротехники, так как они через землю соединены с источником электроэнергии, которая используется в квартире, то есть с «0» точкой трансформатора электрической системы 380/220 вольт.
Электрический контакт и возгорание. Подавляющее большинство аварийных ситуаций, возникающих в электрических сетях, происходит из-за плохих контактов или, наоборот, при соприкосновении электрических проводов разных фаз без изоляции (так называемое короткое замыкание – К.З.). Рассмотрим каждый из случаев в отдельности.
Контакт – это провод, прижатый болтом к токоведущей поверхности. Плохие контакты, как правило, возникают при следующих обстоятельствах. Крепление с течением времени ослабевает из-за смены температуры в контактном соединении. Сотни и тысячи циклов «нагрев – охлаждение» приводят к ослаблению контакта, в этом месте резко возрастает электрическое сопротивление. Это, в свою очередь, приводит к разогреву контактного соединения. В быту нагреваются розетка и вилка, в промышленности разогрев контактных соединений очень часто приводит к пожару.
Чтобы этого не случилось, необходимо в профилактических целях проверять контактные соединения и делать протяжку болтов. В домашних условиях это делать лучше приглашенному специалисту-электрику при обязательном отключении напряжения на квартирном щите.
Пожары возникают и при так называемых коротких замыканиях. Дело в том, что, как правило, электрические провода в квартирах и в большинстве своем в промышленных установках находятся в изолирующей среде: алюминиевые, медные провода «одеты» в резину и разные виды пластмасс. Эта «одежда» имеет свойство стареть или может быть механически повреждена. В том и другом случае падают изоляционные свойства проводки.
Когда изоляция ухудшится до критического состояния, происходит электрический пробой. Возникает короткое замыкание, т.е. между фазами нет привычного потребителя, который всегда обладает относительно высоким сопротивлением электрическому току.
Теоретически ток в месте короткого замыкания равен бесконечности, значит, и нагрев равен бесконечности или температуре вольтовой дуги (сварки), сваривается, плавится, горит металл. В жизни мощность короткого замыкания зависит от мощности источника – электростанции, энергосистемы.
Мне приходилось наблюдать, когда короткое замыкание возникло на одной трансформаторной подстанции и не было ограничено специальной защитой (релейной защитой). А питание эта подстанция получала от самой мощной в то время Братской ГЭС. Сгорело все, что могло сгореть. Таким образом, короткое замыкание в электрических сетях – это всегда авария, часто ведущая к пожарам.
Вывод из сказанного может быть только один: плохие электрические контакты приводят к пожару, ибо плохой электрический контакт всегда сопровождается нагревом.
Плохая электрическая изоляция может привести к короткому замыканию, а короткое замыкание всегда приводит к возгоранию. Следовательно, электрические контакты и электрическая изоляция – это системы повышенного риска и требуют соответствующего квалифицированного обслуживания. Мы, люди, только чуть-чуть прикоснулись к феномену электричества. Оно, несомненно, сулит еще много благ и опасностей. Это удивительное проявление природных сил заслуживает самого глубокого изучения и уважительного отношения благодаря его грандиозным возможностям.
Грозозащита. Особняком в электротехнике стоят процессы, которые протекают из-за природного электричества, в первую очередь, связанные с молнией. На самом деле наблюдать всполохи далекой грозы или стрелы молнии над головой и приятно и страшновато. Много легенд и реальных событий связано с шаровой молнией. Так что вопрос о защите от молнии – это, с одной стороны, электротехнический вопрос, с другой стороны – фантастический, ибо невозможно точно предсказать, как поведут себя природные электрические силы в том или ином случае. И все же есть достаточно надежные способы защититься от молнии. Метод, который я вам предлагаю, принят во всем мире как эффективная защита от прямого удара молнии (хотя должен оговориться, что имеются случаи, когда и этот метод не срабатывает). Я предлагаю для защиты садового дома воспользоваться методом, описанным в электротехническом справочнике (М.: Энергия, 1965).
Если ваш дом имеет высоту 6 м и молниеотвод высотой 15 м поставить рядом с домом, то зона защиты от молнии будет равна 10 метрам на уровне конька крыши, т.е. Rх = 10 м. Наглядно это выглядит так:
В других случаях пользуйтесь методикой, предложенной справочником (см. Приложение).
Приложение к главе 4.
Конструктивное выполнение и защитные зоны стержневых молниеотводов
А). Отдельно стоящие стержневые молниеотводы выполняются металлическими в виде трубчатых и составных решетчатых конструкций или деревянными.
Трубчатые молниеотводы, как отдельно стоящие, к установке не рекомендуются, поскольку наблюдались случаи их повреждения при сильном ветре.
Рис. Конструкции отдельно стоящих молниеотводов:
а – трубчатый; б – составной решетчатый; в – деревянный
Б). Защитные зоны стержневых молниеотводов на уровне hх (рис. 14).
Радиус зоны защиты одиночного молниеотвода
Рис. Защитные зоны стержневых молниеотводов:
а – одиночного; б, в и г – двух, трех и четырех молниеотводов;
S – расстояние между молниеотводами, м
В). Значения rх в зависимости от отношения для одиночных молниеотводов высотой 10–30 м.
Из формулы видно, что ниже полученных в результате расчетов молниеотводы делать не имеет смысла, более того, даже опасно. Дело в том, что скорость нарастания напряжения при приближении электрического заряда к земле так велика, что стечь по молниеотводу заряд не успевает.
Главная
1. Этический аспект
2. Научный аспект
3. Вода (Байкал – Ангара)
4. Электрическая энергия: благо и опасность
5. Роль нормативных документов в жизни индивидуума
6. Аварии и катастрофы как система методологических ошибок
7. Чернобыль. Могло ли не быть катастрофы?
8. Город как среда обитания
9. Феномен строительства
10. Работа с проектом
11. С думой о потомках
12. Менеджмент, или текущий экономический аспект
13. Конверсия космонавтики для задач экологии и устойчивого развития
14. Куда несет судьба Россию и мир?
15. Почему не идут реформы в России?
16. Природопользование и институциональная экономика
