Почему важна электрическая защита

Когда профессору Сергею Петровичу Капице задали вопрос, без какого достижения современной цивилизации он не представляет себе жизни, последовал ответ: «Без электричества». Это великое благо для человечества, но благо достаточно опасное. Его использование во всех областях деятельности человека, резкое увеличение количества электроприборов в быту и на производстве естественным образом повлекли за собой повышение опасности поражения человека электричес¬ким током. Поэтому не удивительно, что вслед за расширением использования электрической энергии в промышленности и быту развивалась и система обеспечения электробезопасности или электрической защиты.
Электрическая защита необходима для того, чтобы безо¬пасно эксплуатировать домашнюю электросеть, не допус¬кая поражения человека электрическим током, возгораний, повреждение электротехники грозовыми разрядами. В об¬щем, электрическая защита — понятие комплексное. Зада¬ча защитных устройств — отключить напряжение в кратчайший срок при нарушении параметров сети. Какие устройства для этого применяются.
Для защиты человека от смертельного исхода при прикос¬новении к корпусу неисправного электроприбора служит УЗО. Функционально устройство защитного отключения (УЗО) можно определить как быстродействующий защитный вык¬лючатель, реагирующий на дифференциальный ток в про¬водниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электросети.
Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, наряду с устройствами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания. Защита от сверхтока (при применении защитного зануления) обеспечивает
защиту человека при косвенном прикосновении - путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи при коротком замыкании на корпус.
При малых токах замыкания, снижении уровня изоля¬ции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от электропоражения.
В основе действия защитного отключения, как электро¬защитного средства, лежит принцип ограничения продолжи¬тельности протекания тока через тело человека (за счет быстрого отключения) при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением. Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту че¬ловека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.
Вспомогательным, но не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгорания
и пожара, возникающих вследствие возможных поврежде¬ний изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Ведь более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.
Короткие замыкания, как правило, образуются из-за дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития КЗ, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.
Защита от последствий короткого замыкания
Последовательно с УЗО для защиты от возгорания при КЗ или перегрузке в электросети устанавливаются пробки, автоматические выключатели. Принцип их действия и уст¬ройство подробно рассмотрены далее.
Рассмотрим, откуда может возникнуть КЗ? Естественно поставить перед собой вопрос: в чем проявляется нагрузка, например, проводов? Что может перегружаться и изнаши¬ваться, если нет механического движения? Что и от чего нужно защищать? Чтобы ответить на эти вопросы, вспом¬ним, как включена лампа. К ней присоединены два провода, По одному из них ток подходит к нити, по другому — возвращается в сеть. Чтобы направить ток именно по этому пути, провода друг от друга изолированы.
Мы можем безопасно вводить в наши квартиры электроэнергию, включать и отключать лампы и приборы по нашему усмотрению именно потому, что в электросети применяются не только проводники и не только изоляция, а правильное и глубоко продуманное сочетание тех и других. Без проводников нельзя подвести ток к лампам и приборам. Без изоляции (резина, пряжа, бумага, пластмасса) нельзя ни направлять электроэнергию по нужным путям, ни выключать ток.
Изнашивается в электроприборах и проводке в основ¬ном изоляция. Резина, например, высыхает, растрескивает¬ся и осыпается, пряжа и бумага обугливаются, пластмассы оплавляются и размягчаются. Но все это происходит при достаточно высокой температуре. Пока эта температура не превышена (для резины, например, 65 °С), изоляция работает устойчиво и надежно и служит достаточно долго.
Причиной повышения температуры изоляции является нагрев проводников, которые она окружает. А проводники нагреваются потому, что проходящий через них ток преодолевает их электрическое сопротивление, на что расходу¬ется электроэнергия, которая и переходит в теплоту.
Температура одного и того же провода зависит от силы тока, проходящего по нему, называемого в электро¬технике нагрузкой. Чем нагрузка больше, тем провод горячее. Ток не должен нагревать провод выше допусти¬мой температуры. Ток, вызывающий чрезмерный нагрев, является перегрузкой.
Нужно знать, что перегрузки очень резко сокращают срок службы. Достаточно, например, всего на 10 °С повысить температуру катушки электромагнита по сравнению с расчетной, чтобы срок ее службы сократился вдвое. Прибольших перегрузках изоляция быстро разрушается (перегорает) и между проводами возникает короткое замыкание.
С крайней опасностью перегрузок и КЗ столкнулись еще первые электротехники. . Поэтому в числе самых первых, самых необходимых аппаратов (рубильников, патронов) были созданы и простейшие предохранители — приспособления, автоматически прерывающие ток при длительных перегрузках и практически мгновенно — при коротких замыканиях.
Чтобы разобраться, на чем основана защита и как содержать ее в исправном состоянии, нужно отдать себе отчет во взаимной связи некоторых явлений.
Количество теплоты, выделяющейся в проводнике при прохождении по нему тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Значит, чем дольше включены лампы, приборы, провода, тем больше теплоты в них выделяется. При этих условиях, казалось бы, и температура должна непрерывно возрастать. Однако из повседневного опыта каждый знает, что это не так.
Накал лампы не увеличивается с течением времени, плитка при включении в есть действительно накаляется постепенно, но, достигнув определенного накала, больше не разогревается. В чем же здесь дело.
Дело в том, что одновременно с нагреванием всегда происходит охлаждение, причем, чем выше температура, тем охлаждение интенсивнее. Поэтому рост температуры постепенно замедляется и, наконец, при некоторой температуре, наступает равновесие: сколько теплоты выде¬ляется, столько же и отводится.
Как же поступить, если температура слишком высока, а нагрузку снизить нельзя? Здесь есть два пути: либо улучшить охлаждение, либо уменьшить количество выделяющейся теп¬лоты. Но так как устраивать вентиляцию для охлаждения проводов и приборов практически невозможно, то идут по второму пути, При этом уменьшать можно только сопротивление, но не ток (это значило бы ограничить величину потребления электроэнергии) и не время (это значило бы отключить потребителей раньше, чем нужно).
А уменьшить сопротивление можно просто: либо вместо алюминиевых проводов взять медные, так как медь лучше проводит электричество, либо увеличить поперечное сечение проводов. Так обычно и поступают, руководствуясь нормами, где указаны предельные нагрузки для проводов каждого сечения.

---