Основы электропитания. Когда исправное оборудование может стать причиной гибели людей

В предыдущей части цикла «Основы электропитания» были рассмотрены механизмы воздействия электричества на человека и показано, что изоляция является эффективным способом снижения риска поражения электрическим током. Однако даже самая качественная изоляция имеет ограниченный срок службы и рано или поздно придет в негодность. Рассмотрим, как же можно защитить человека в этом случае.

Зануление

Одним из самых простых и эффективных способов защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении¹⁾ является зануление. Согласно определению, приведенному в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [1], зануление – это преднамеренное электрическое соединение открытых токопроводящих частей электроустановки с глухозаземленной²⁾ нейтралью трансформатора или генератора, выполняемое в целях электробезопасности.

Давайте рассмотрим, что произойдет при пробое изоляции, если корпус компьютера соединить с нулевым проводом, имеющим хороший электрический контакт с нейтралью трансформатора. В этом случае в системе начнет протекать ток, величину которого можно определить по формуле:

(1)

где

V_F = 230 В – фазное напряжение в сети;
R_{ПРОВ_А}, R_{ПРОВ_N} = 0.1 Ом – сопротивления проводов в цепи, соответственно, фазы А и нулевого провода (приблизительно 15 м медного провода сечением 2.5 мм²);
R_ПРОБ = 1 Ом – сопротивление в точке повреждения изоляции (абсолютно случайное значение).

На самом деле в формулу (1) должно входить больше компонентов, в том числе активные и индуктивные сопротивления обмоток трансформатора, автоматического выключателя и т.п. Однако на практике результат будет приблизительно одинаковым: если корпус прибора занулен, то повреждение изоляции любой из фаз приведет к фазному короткому замыканию, в результате которого сработает защита от перегрузки по току, и электроустановка будет отключена (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Путь протекания электрического тока при повреждении изоляции в оборудовании с зануленным корпусом.

Обратите внимание, что в этом случае человеку даже не нужно попадать под действие электрического тока. Система отключит поврежденное оборудование независимо от того, находится ли оно в контакте с человеком или нет. Более того, при таком подходе отключится только неисправное оборудование, а все остальные компоненты системы продолжат свою работу.

А что произойдет, если защита от короткого замыкания не сработает или сработает, но не сразу? Рассмотрим случай, когда медный кабель с сечением 2.5 мм² (типовое сечение кабеля, используемого для подключения розеток) защитили автоматическим выключателем с током срабатывания 16 А (максимальный рекомендуемый ток для подобного кабеля).

Типовой автоматический выключатель имеет два механизма защиты от перегрузки по току: электромагнитный расцепитель, разрывающий цепь при появлении токов большой величины, и тепловое реле, срабатывающее при небольших перегрузках [2, 3]. Согласно действующим стандартам [2], электромагнитный расцепитель должен гарантированно сработать при токе, более чем в пять раз превышающем номинальное значение, в данном случае – 80 A. Если ток в цепи меньше этого значения, то защита обеспечивается тепловым реле, длительность нагрева которого определяется кратностью перегрузки и может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Таким образом, если в системе электроснабжения ток короткого замыкания будет меньше 80 А, то на корпусе установки может быть напряжение в течение достаточно длительного времени.

При токе короткого замыкания I_КЗ = 80 А напряжение на корпусе поврежденного оборудования будет определяться сопротивлением в цепи нулевого провода R_{ПРОВ_N}. Пусть длина провода от оборудования до распределительного щита равна 20 м. В этом случае медный с провод сечением 2.5 мм², имеющий удельное сопротивление 6.8 мОм/м, будет иметь сопротивление около 136 мОм. Примем в расчетах суммарное сопротивление в цепи нулевого провода R_{ПРОВ_N} = 0.5 Ом, учитывая сопротивления клемм, скруток и прочих соединений. В этом случае при токе 80 А максимальное напряжение на корпусе поврежденного прибора относительно земли будет равно:

(2)

А напряжение такой величины, согласно ПУЭ, для большинства помещений считается безопасным для человека.

Таким образом, зануление значительно снижает вероятность поражения электрическим током. При этом оно действует двояко. С одной стороны, зануление создает условия для возникновения короткого замыкания и аварийного отключения поврежденного участка с помощью обязательных защит от перегрузки по току, а с другой – снижает напряжение на корпусе прибора.

Заземление

Поскольку основной причиной непреднамеренного (неожиданного) поражения человека электрическим током является прикосновение к элементам, находящимся под некоторым напряжением относительно земли, то было бы логично электрически соединить корпуса приборов с землей, чтобы свести риск поражения к минимуму. То есть, использовать заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей какой-либо части прибора или электрической схемы [1].

Это совершенно правильная мысль, однако при ее реализации может возникнуть целый ряд сложностей. Дело в том, что не всегда имеется техническая возможность сделать заземлитель нужного качества. Например, в качестве естественного заземлителя можно использовать металлические водопроводные трубы, проложенные в земле [1] (те же трубы, но уже находящиеся вне земли, не должны иметь никакого отношения к системе электроснабжения). Однако будут ли они обеспечивать требуемое значение электрического сопротивления, и не приведет ли подобное использование к их коррозии и преждевременному разрушению? Заземление также можно организовать и с помощью искусственных заземлителей, однако, если система электроснабжения расположена на территории, где нет возможности проводить земляные работы, такое решение может оказаться нереализуемым. Таким образом, заземление может оказаться достаточно проблемным инженерным объектом, который не всегда можно изготовить на практике. Кроме того, элементы заземлителя постоянно находятся в агрессивной среде и могут достаточно быстро разрушаться, поэтому его состояние нужно постоянно контролировать.

Рассмотрим, что произойдет в системе электроснабжения с заземленной нейтралью при повреждении изоляции прибора. Как и в случае с занулением, соединение заземленного корпуса прибора с фазным проводом приведет к возникновению достаточно больших токов, однако величина их будет немного другой.

Рисунок 2.	Путь протекания электрического тока при повреждении изоляции в оборудовании с зануленным корпусом.

Рассмотрим худший случай, когда и сопротивление в цепи заземления нейтрали R_N, и сопротивление в цепи заземления корпуса R_З равны максимально допустимому для систем с линейным напряжением до 400 В значению – 4 Ом [1] (Рисунок 2). При таких сопротивлениях в цепи поврежденной фазы возникнет ток короткого замыкания I_КЗ, равный:

(3)

В формуле (3) принято, что пробой изоляции является качественным (R_ПРОБ = 0 Ом), а сопротивление проводов в цепи поврежденной фазы минимально (R_{ПРОВ_А} = 0.1 Ом).

Как видно из расчетов, ток 28.4 А не приведет к мгновенному срабатыванию автоматического выключателя с номинальным значением 16 А, хотя его тепловое реле гарантировано отключит поврежденную часть в течение часа. Это значит, что на корпусе электроустановки достаточно длительное время будет напряжение V_КОРП, равное:

(4)

Таким образом, при неблагоприятных условиях заземление может оказаться менее эффективным средством защиты от поражения электрическим током, чем зануление.

Это утверждение первоначально может вызвать определенный дискомфорт, ведь что может быть лучше непосредственного соединения с землей опасного участка. Действительно, при малом сопротивлении заземления напряжение на корпусе будет стремиться к нулю, и ток короткого замыкания будет больше, особенно при малом сопротивлении в цепи заземления нейтрали. Однако малое сопротивление заземлителей еще нужно обеспечить. И если сопротивление заземления нейтрали трансформатора должно периодически контролироваться специальной службой, и отвечают за это энергетики, то о реальном состоянии местных или, что еще хуже, самодельных заземлителей, сделанных, например, из старых ведер, в большинстве случаев, можно только догадываться.

Из-за этого в системах электроснабжения заземление – в виде электрического подключения корпуса прибора к местному заземлителю – нужно использовать только в случаях, когда нет возможности использовать зануление. При этом заземление обычно используется в совокупности с другими способами защиты, в частности, защитным отключением.

Чем отличается заземление от зануления

С точки зрения электротехники, в системах электроснабжения с заземленной нейтралью соединение корпуса прибора с нулевым проводником приводит к автоматическому соединению его с землей, поэтому может показаться, что заземление и зануление электрически эквивалентны. Однако это не совсем так.

Зануление и заземление имеют совершенно разные механизмы работы. При занулении ток короткого замыкания протекает по предопределенному пути с прогнозируемыми параметрами, изменение которых, например, увеличение сопротивления фазного или нулевого провода, приведет к нарушениям в работе оборудования, что будет выявлено и устранено очень быстро, в отличие от повреждений изоляции, при которых система может годами работать. Поэтому при занулении скорость и характер срабатывания защиты (автоматического выключателя или плавкой вставки) определяется лишь одной неизвестной величиной – сопротивлением в месте пробоя R_ПРОБ.

При использовании заземления количество участков с неизвестными параметрами в цепи протекания тока короткого замыкания намного больше. В первую очередь следует помнить, что состояние даже исправных заземлителей зависит от погоды и времени года – в засушливый сезон сопротивление этих конструкций может стать настолько большим, что ток короткого замыкания может оказаться недостаточным для срабатывания защиты от перегрузки по току даже при малом сопротивлении пробоя. Кроме того, состояние заземлителей нужно периодически контролировать, а делать это могут только сертифицированные лаборатории, услуги которых не бесплатны.

А еще не следует забывать, что заземление, в отличие от зануления, используется не только для защиты от поражения электрическим током. Например, в системах электросвязи земля может использоваться в качестве второго провода для передачи сигнала, а в радиосвязи электрический контакт с землей улучшает качество излучения и приема радиоволн. Поэтому заземление может быть рабочим (функциональным) и защитным. Защитное заземление, как следует из названия, используется для защиты от поражения электрическим током, а вот функциональное – для работы оборудования. И вот тут может появиться еще одна проблема. Если в устройстве нельзя объединить защитное и функциональное заземление, то в землю, в худшем случае, придется закопать два отдельных заземлителя, причем так, чтобы они электрически не мешали друг другу.

Поэтому зануление рекомендуется делать основной, а заземление – лишь дополнительной защитой от поражения электрическим током. На практике намного проще подключить корпус устройства к нейтрали трансформатора, чем заниматься изготовлением и поддержкой собственных заземлителей. Более того, в некоторых приборах подключение к заземленной нейтрали трансформатора может использоваться и в качестве функционального заземления, что является еще одним дополнительным преимуществом систем электроснабжения такого типа.

Способы зануления корпусов

Итак, как же соединить корпус электроприбора, например, компьютера с нейтралью трансформатора? Проще всего это сделать непосредственно в точке размещения устройства (Рисунок 3). Например, так часто поступают при подключении мощного промышленного стационарного оборудования. Однако такой способ защиты является далеко не самым лучшим.

Рисунок 3.	Организация защиты путем соединения корпусов с нулевым проводом в точке установки оборудования.

Начнем с того, что по нулевому проводу может протекать электрический ток, величина которого в самом худшем случае – при использовании оборудования «компьютерного» типа, не оборудованного корректорами коэффициента мощности, – может быть в три раза больше тока фазных проводов. Поскольку нулевой провод имеет конечное активное сопротивление, то на разных участках нулевого провода будет присутствовать некоторая разность потенциалов. Все это приведет к тому, что в разных точках системы электроснабжения нулевой провод будет иметь разный потенциал относительно земли (Рисунок 3).

Однако с точки зрения электробезопасности это не является большой проблемой, ведь величина этого потенциала не может создать угрозу для жизни человека. Гораздо страшнее другое. В одной из предыдущих частей цикла «Основы электропитания» было показано, что нулевой проводник из-за перегрузки по току может перегореть. Это приведет к тому, что потенциал нулевого провода начнет «плавать» относительно земли и может достигнуть опасных значений. Таким образом, если соединить корпуса оборудования с нулевым проводом, то при его обрыве они могут оказаться под любым потенциалом в диапазоне 0…230 В, и человек от совершенно исправного оборудования может получить смертельный удар электрическим током³⁾ (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Путь протекания тока через тело человека при местном занулении корпуса и обрыве нулевого провода.

И возникает очень интересная ситуация, заключающаяся в том, что зануление, которое, согласно определению, является «электрическим соединением с нейтралью трансформатора», выполнять путем соединения корпуса оборудования с нулевым проводом, уже электрически соединенным с нейтралью, нельзя (из этого правила есть исключения, но большая часть из них относится к промышленным системам).

В этом случае для защиты людей от поражения электрическим током используют систему электроснабжения, у которой защита выполняется отдельным проводником, обозначаемым как PE (Protective Earthing). Механизм работы этого проводника зависит от типа системы электроснабжения. Например, если защитный проводник соединен с нейтралью трансформатора, то при повреждении изоляции происходит короткое замыкание, приводящее к срабатыванию защиты от перегрузки по току и отключению поврежденного участка (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Путь протекания электрического тока при повреждении изоляции в оборудовании с корпусом, зануленным с помощью защитного проводника.

Может показаться, что использование отдельного проводника для защиты ничем не отличается от зануления в точке установки оборудования. Однако это впечатление обманчиво и, несмотря на похожесть двух видов защит (см. Рисунок 1 и Рисунок 5), между ними есть серьезные отличия.

Защитный проводник, в отличие от нулевого, не предназначен для протекания электрического тока большой величины, несмотря на то, что он может его выдержать в течение длительного времени. Фактически большой ток по защитному проводнику протекает только в момент аварии, из-за чего вероятность его обрыва значительно меньше, чем у постоянно загруженного нулевого проводника. Кроме того, из-за отсутствия токовой нагрузки и достаточно малого активного сопротивления различия потенциалов нулевого провода в разных точках системы электроснабжения будут минимальными. Таким образом, защита с помощью отдельного проводника оказывается намного надежнее и эффективнее, чем защита путем подключения корпуса оборудования к нулевому проводу.

Какими бывают системы электроснабжения

Итак, «последняя миля» системы электроснабжения, в общем случае, может иметь пять проводов (Рисунок 5): три фазных провода (A, B, C), предназначенных для передачи энергии, нулевой провод (N), необходимый для уменьшения разбалансировки системы из-за неравномерной нагрузки на фазы, и защитный проводник (PE), обеспечивающий защиту людей от поражения электрическим током. Однако не все системы электроснабжения строятся по такому принципу.

Согласно ПУЭ, тип системы электроснабжения обозначается двумя буквами. Первая буква определяет состояние нейтрали трансформатора относительно земли и может принимать значения:

T – нейтраль электрически соединена с землей (заземлена);
I – нейтраль электрически изолирована от земли;

Вторая буква показывает, какой метод защиты от поражения электрическим током используется в качестве основного в данной системе:

T – для защиты от поражения электрическим током используется заземление;
N – для защиты от поражения электрическим током используется зануление.

Из четырех возможных комбинаций систем электроснабжения на практике используются три (Рисунок 6). Систем IN, в которых защита обеспечивается путем соединения корпусов с изолированной нейтралью трансформатора, не бывает.

Безопасность и опасность систем IT, у которых нейтраль изолирована от земли, были подробно рассмотрены в предыдущей части цикла. На сегодняшний день эта схема используется для создания систем электроснабжения специального назначения, например, для питания оборудования в шахтах или медицинских помещениях. При этом во многих случаях обязательным условием для использования системы IT является наличие узла контроля целостности изоляции проводов, а также заземление металлических элементов, не предназначенных для протекания электрического тока.

Рисунок 6.	Системы электроснабжения.

Схема ТТ используется в случаях, когда надежно соединить корпус оборудования с нейтралью трансформатора не представляется возможным. Например, такую схему можно использовать для защиты от поражения электрическим током на объектах, подключенных к трансформатору с помощью воздушных кабельных линий. Примерами таких объектов могут быть частные дома, коттеджи или отдельно стоящие небольшие магазины.

Системы TN, в которых зануление производится с помощью отдельного защитного проводника, сейчас являются наиболее безопасными, поэтому при наличии технической возможности следует создавать системы только этого типа. Однако, как это часто бывает со многими хорошими решениями, с системой TN тоже все не просто.

Дело в том, что система TN одновременно является и самой безопасной, и самой дорогой. Действительно, в «последней миле» системы электроснабжения любого типа для передачи энергии необходимы четыре провода – с этим придется смириться. Однако добавление в эту систему пятого защитного проводника сразу же увеличивает стоимость кабелей, как минимум, на 25%. А ведь по этому проводу ток может и не протечь ни разу, ведь на практике пробои изоляции происходят далеко не каждый день, не говоря уже о том, что они вообще могут и не произойти.

Рисунок 7.	Разновидности системы TN.

Поэтому давайте говорить откровенно, никому не хочется тратить дополнительные деньги и ресурсы на защиту, которая может вообще никогда не понадобиться, особенно если в данный момент нет ни «лишних» денег, ни «лишних» ресурсов. Из-за этого существует три разновидности системы TN (Рисунок 7), определяемые суффиксами:

S – если нулевой и защитный проводники разделены;
C – если нулевой и защитный проводники совмещены.

Итак, смотрим, что получилось. Самой надежной и безопасной является система TN-S. В ней нулевой (N) и защитный проводники соединяются только в одной точке – в точке подключения нейтрали трансформатора к заземлению. Однако такая система является и самой дорогой, поэтому в чистом виде она используются достаточно редко.

Самой дешевой является система TN-C. В ней вопросам защиты уделено минимум внимания, поэтому функции нулевого и защитного проводников выполняет один провод PEN (физически это тот же самый нулевой провод, только с другим названием). Основная опасность системы TN-C заключается в возможном обрыве нулевого провода, при котором корпус прибора может оказаться под опасным напряжением. Однако нужно понимать, что в ряде случаев это просто физически не может произойти. Если оборудование, например, большой станок или какая-нибудь другая стационарная промышленная установка, установлено на основании, имеющем хороший электрический контакт с землей, то даже при обрыве нулевого провода вероятность появления опасного потенциала на корпусе такой махины близка к нулю.

Из-за своей дешевизны системы TN-C долгое время были единственными практически используемыми системами подобного типа. Сейчас системы TN-C остались в эксплуатации лишь в зданиях старой постройки, по тем или иным причинам не прошедших модернизацию, и в системах освещения, где риск поражения электрическим током минимален. При создании новых систем электроснабжения, как и при реконструкции старых, уже необходимо ориентироваться на более современные системы TN-S или TN-C-S.

Система TN-C-S является вынужденным компромиссом между дешевой системой TN-C и безопасной системой TN-S. В системе TN-C-S защитный проводник от заземленной нейтрали трансформатора вначале совмещен с нулевым (PEN), а затем в одном из разделительных щитов он разделяется на нулевой (N) и защитный (PE). Такой подход позволяет уменьшить стоимость системы без значительного ухудшения ее безопасности. Очевидно, что «слабым звеном» этой системы является PEN проводник, разрушение которого может привести к появлению опасного потенциала на корпусах электроустановок, поэтому в ПУЭ к надежности этого проводника предъявляются особые требования.

Классификация оборудования по степени защиты от поражения электрическим током

Итак, корпуса оборудования для обеспечения безопасного использования должны быть электрически соединены или с землей, или с нулевым проводом (который в системе TN тоже соединен с землей). А что делать, если корпус прибора выполнен, например, из пластика и не проводит электрический ток? Понятно, что в этом случае электрическое соединение непроводящего корпуса с нейтралью или землей будет выглядеть, мягко говоря, обескураживающе.

А могут ли быть случаи, когда проводящий корпус электроустановки не должен заземляться? Рассмотрим, например, ручной фонарик с металлическим корпусом. Формально это тоже электроустановка, в которой есть своя система электроснабжения и свои металлические нетоковедущие части, которых может коснуться (и даже крепко взять в руки) стоящий на земле человек. Согласно ПУЭ, в фонарике используется изолированная система электроснабжения, в которой в качестве защиты от поражения электрическим током нужно использовать заземление (система IT).

Однако заземление корпуса фонарика как-то не дружит со здравым смыслом. Ну не могут в обычных условиях три батарейки с максимальным напряжением 4.5 В стать причиной электротравмы. Да и как электрически соединить с землей устройство, которое по своему назначению имеет нестационарную конструкцию. Поэтому, наверное, корпус металлического фонарика заземлять не нужно.

А если вместо батареек в фонарике использованы аккумуляторы, заряжаемые с помощью отдельного блока, подключаемого к сети, то получается, что во время заряда аккумуляторов металлический корпус все-таки нужно соединять с нейтралью трансформатора или землей, ведь во время заряда от фонарика можно получить удар электрическим током. Получается полная неразбериха.

На самом деле все просто, нужно просто понимать, что основная защита от поражения электрическим током должна обеспечиваться не системой электроснабжения, а самим оборудованием. В нормальных условиях электротравму от системы электроснабжения можно получить, только если «полезть куда не надо»⁴⁾. А вот от оборудования, с которым человек непосредственно контактирует, можно получить электротравму с очень высокой вероятностью. Поэтому система электроснабжения лишь помогает защитить человека, обеспечивая для этого все необходимое, в частности электрический контакт с нейтралью трансформатора и землей, но главная защита должна обеспечиваться непосредственно в электроприборе.

Поэтому открываем техническую документацию на электроприбор и ищем, к какому классу по способу защиты человека от поражения электрическим током он относится. А их существует четыре [1, 4]. Оборудование класса 0 (Class 0) не рассчитано на использование штатных защит системы электроснабжения, поэтому оно представляет наибольшую опасность. В качестве защиты от поражения электрическим током в нем может использоваться заземление (отдельным проводом, подключаемым к специальной клемме), защитное отключение, или индикатор наличия на корпусе опасного напряжения, однако чаще всего в нем нет никаких защитных устройств (Рисунок 8). Сейчас подобное оборудование стараются не производить. Более того, класс 0 вообще хотят исключить из классификатора, приняв соответствующие законы о необходимости производства менее опасного оборудования с более высоким классом защиты.

Рисунок 8.	Электрооборудование класса 0.

Основным способом защиты от поражения электрическим током оборудования класса I (Class I) является зануление. Именно для обеспечения электрической энергией техники такого класса и предназначены рассмотренные выше системы TN-C-S и TN-S. Определить такое оборудование можно достаточно быстро, взглянув на его вилку. Как правило, оно подключается к системе электроснабжения с помощью вилок, имеющих три электрических контакта (Рисунок 9), один из которых предназначен для подключения защитного проводника (в странах бывшего СССР и во многих странах ЕС для этого используются вилки CEE 7/4 или CEE 7/7).

Рисунок 9.	Обозначение защитного контакта оборудования класса I и электрические вилки типа CEE 7/4 и CEE 7/7 с тремя контактами [5]. (Фотографии с сайта upload.wikimedia.org).

К оборудованию класса I относится достаточно большое количество стационарных устройств, в том числе, компьютеры, оргтехника, телекоммуникационная техника, а также множество домашних «электрических животных», поэтому вы наверняка не раз сталкивались с подобной техникой.

А вот оборудование класса II (Class II) не требует обязательного соединения корпуса с нейтралью трансформатора, поэтому оно подключается к электрическим розеткам с помощью двухконтактных вилок (Рисунок 10), не имеющих возможности подключения к защитным контактам розеток. В странах бывшего СССР и во многих странах ЕС для этого используются вилки CEE 7/16 (максимальный ток 2.5 А) или CEE 7/17 (максимальный ток 16 А).

Рисунок 10.	Обозначение оборудования класса II (два квадрата), а также вилки типа CEE 7/4 и CEE 7/7 с двумя контактами [5]. (Фотографии с сайта upload.wikimedia.org).

Основным способом защиты от поражения электрическим током для оборудования класса II является усиленная или двойная изоляция, поэтому условным обозначением этого класса являются два квадрата, один из которых расположен внутри другого, символизирующих два слоя изоляции. Принцип защиты основан на том, что вероятность одновременного повреждения сразу двух слоев изоляции весьма мала, поэтому при повреждении внешней (дополнительной) изоляции рабочая (функциональная) изоляция останется без повреждений и защитит человека. В качестве второго изоляционного слоя могут выступать не только какие-то специализированные элементы, но и сам корпус, поэтому подобная техника очень часто выпускается в пластиковых корпусах (Рисунок 11).

Рисунок 11.	Обозначение оборудования класса II на зарядном устройстве.

И последней категорией оборудования по уровню электробезопасности являются устройства класса III (Class III). К этому классу относятся все устройства, питающиеся напряжением не выше 50 В переменного тока или не выше 120 В постоянного тока [4]. Подобное оборудование может маркироваться специальным символом в виде ромба (Рисунок 12), однако если его конструкция позволяет подключиться только к специализированному источнику безопасного сверхнизкого напряжения, например, батарейке, то такая маркировка может отсутствовать. Таким образом, фонарик, смартфон, настенные часы и другая аналогичная техника по уровню электробезопасности относятся к классу III и не требуют ни применения усиленной изоляции, ни соединения с землей.

Рисунок 12.	Обозначение оборудования класса III.

Особенности эксплуатации оборудования класса I

Итак, с оборудованием разобрались. Технику класса 0 лучше не покупать, а ту, что уже есть, отправить в музей. Электроприборы класса II и III не требуют дополнительных мер по защите от поражения электрическим током. А вот оборудование класса I, требующее обязательного соединения с защитным проводником, может доставить немало хлопот.

Дело в том, что системы TN-S или TN-C-S, на работу с которыми рассчитаны электроприборы класса I, из-за высокой вероятности обрыва нулевого проводника не всегда могут быть реализованы на практике. Например, это очень сложно сделать в частных домах или в старых зданиях. Да и во многих квартирах до сих пор эксплуатируются однофазные двухпроводные системы без защитного проводника.

Но если электроприбор класса I не подключить к защитному проводнику, то он по уровню безопасности может стать еще опаснее, чем приборы класса 0. Дело в том, что в приборах класса 0 корпуса, как и все остальные нетоковедущие элементы, ни к чему не подключены. А в приборах класса I к корпусу могут подключаться некоторые внутренние узлы, из-за чего совершенно исправное, но не подключенное к защитному проводнику, оборудование может стать причиной достаточно серьезной электротравмы.

Одним из таких узлов является фильтр высокочастотных помех. На сегодняшний день этот узел присутствует практически во всех приборах, имеющих импульсные блоки питания, в том числе компьютерах, мониторах и прочей оргтехнике. Его наличие не обязательно (безымянные китайские производители иногда вместо него устанавливают перемычки), однако без подобного фильтра устройство, питающееся от импульсного блока питания, вряд ли пройдет сертификацию по электромагнитной совместимости.

В этой части цикла мы не будем подробно рассматривать принцип работы фильтра высокочастотных помех (Рисунок 13) – нас пока интересуют только его конденсаторы, а они в этом узле не простые. В качестве C1 должны использоваться специализированные конденсаторы класса Х, а в качестве конденсаторов C2 и C3 – класса Y..

Рисунок 13.	Схема фильтра высокочастотных помех оборудования класса I.

Интересующей нас особенностью подобных фильтров является делитель напряжения, образованный конденсаторами C2 и C3, емкость которых обычно одинакова. Это значит, что в точке их соединения относительно любого из силовых проводов будет напряжение, равное половине напряжения питания.

Но ведь точка соединения конденсаторов C2 и C3 подключена к защитному контакту сетевого шнура, соединенного, в свою очередь, с… корпусом прибора. Таким образом, если корпус устройства класса I не соединить с защитным проводником, то на нем, относительно земли будет напряжение равное половине фазного напряжения, то есть 115 B. Такого потенциала достаточно для того, чтобы сжечь, в прямом смысле слова, чувствительную аппаратуру, например, аудиовход звуковой карты компьютера, в момент соединения заземленного и незаземленного устройств (Рисунок 14).

Рисунок 14.	Механизм повреждения аппаратуры из-за разности потенциалов между заземленным и незаземленным корпусом.

Но тогда почему нас не «бьет током», если мы касаемся, например, корпуса системного блока компьютера, включенного в старую электрическую розетку с двумя контактами? На самом деле, при таком прикосновении через нас, действительно, протекает ток, но его величина ограничена емкостью конденсаторов C2 и C3. В отличие от конденсаторов класса X, емкость которых может достигать единиц микрофарад, вы вряд ли найдете конденсаторы класса Y более 0.1 мкФ. Дело в том, что от их емкости зависит ток утечки – ток, который будет протекать через защитный проводник или тело человека при касании незащищенного корпуса⁵⁾.

Например, конденсатор с емкостью С = 4.7 нФ в цепи с частотой f = 50 Гц будет иметь реактивное сопротивление X_C, равное:

(5)

При напряжении V_F = 230 В через этот конденсатор будет протекать ток I_C, равный:

(6)

Поскольку сопротивление тела человека намного меньше значения X_C, можно считать, что при касании корпуса подобной электроустановки через тело человека пройдет ток приблизительно такой величины. Поэтому, чтобы не превращать хорошую технику в «электрический стул» (ведь проблема отсутствия защитного проводника далеко не нова), оборудование проектируют таким образом, чтобы минимизировать риск поражения электрическим током в случае отсутствия защиты. Например, при расчетах Y-конденсаторов фильтров высокочастотных помех ток утечки (он же – ток прикосновения) обычно принимают равным 0.5 мА при максимальном напряжении в сети [7].

А теперь рассмотрим типовое компьютеризированное рабочее место, содержащее системный блок, монитор, МФУ, факс и акустические колонки. Все это оборудование связано между собой как минимум сигнальными кабелями, то есть корпуса всех этих устройств электрически соединены между собой. Предположим, что все оборудование имеет класс I защиты от поражения электрическим током, и каждое из устройств имеет ток утечки 0.5 мА. При этом ни один прибор не соединен с защитным проводником системы электроснабжения.

Переменный ток величиной 0.5 мА находится за порогом чувствительности большинства людей, поэтому если бы на рабочем месте был только один системный блок, то большинство людей при касании его корпуса ничего бы не почувствовало. Но там еще есть четыре устройства, каждое из которых имеет ток утечки, равный 0.5 мА. Это значит, что суммарный ток, протекающий через тело человека, коснувшегося, например, корпуса системного блока, может достигнуть 2.5 мА (Рисунок 15). А это уже не порог чувствительности – это уже достаточно сильные боли и ощутимые судороги, особенно у женщин, обладающих более тонкой кожей с меньшим электрическим сопротивлением.

Рисунок 15.	Суммирование тока утечки оборудования класса I при неподключенном защитном проводнике.

А теперь представьте, что произойдет в офисе, содержащем, например, двадцать подобных рабочих мест, если вдруг оборвется защитный проводник, а корпуса всех приборов класса I будут электрически связаны между собой. В этом случае суммарный ток утечки может достигнуть 50 мА, что вполне достаточно для летального исхода. И это, заметьте, при исправном оборудовании. Поэтому защитные проводники должны быть неразъемными, поскольку даже кратковременный обрыв в этой цепи может иметь самые плохие последствия.

Таким образом, оборудование класса I настоятельно рекомендуется соединять с защитным проводником. А если такой возможности нет, то нужно исключить возможность совместного, с электрической точки зрения, использования большого количества приборов, поскольку это приведет к увеличению тока, возникающего в момент прикосновения человека к их корпусам.

Особенности системы TT

Если нет возможности применить систему TN-S или TN-C-S, тогда нужно попробовать создать систему TT. Ее особенностью является наличие сразу двух защит от поражения электрическим током: собственного заземления и устройства защитного отключения, причем наличие защитного отключения является обязательным.

В системах ТТ требования к сопротивлению заземления достаточно просты. Согласно ПУЭ, его максимальное сопротивление RЗ не должно превышать:

(7)

где I_УЗО – ток срабатывания устройства защитного отключения (УЗО);
50 В – максимально допустимое переменное напряжение, которое может быть на корпусе прибора.

При использовании УЗО с током срабатывания I_УЗО = 30 мА сопротивление заземлителя должно удовлетворять условию:

(8)

Чтобы сделать такой заземлитель, достаточно одного уголка длиной 2…2.5 м, забитого вертикально в землю [8, 9], хотя в таких вопросах лучше не экономить и сделать все более качественно.

Обратите внимание, что в система ТТ во многом похожа на TN-S. Точно так же, как и в TN-S, в схеме ТТ внутри помещения разворачивается пятипроводная система электроснабжения с трехконтактными электрическими розетками, например, CEE 7/4, только с системе ТТ защитный проводник не должен иметь электрического контакта с нулевым проводом, а должен соединяться лишь с местным заземлителем (Рисунок 16).

Рисунок 16.	Система ТТ.

Еще одна особенность системы ТТ, которую нужно понять, заключается в том, что основную защиту от поражения электрическим током обеспечивает не заземление, а устройство защитного отключения. В этой системе заземление лишь «помогает» УЗО определить наличие повреждения изоляции, поэтому и требования к его сопротивлению, которое, согласно формуле (8), может достигать 1.67 кОм, намного проще, чем к сопротивлению заземления нейтрали трансформатора, величина которого не должна превышать 4 Ом.

Ну а если по каким-либо причинам на объекте нельзя развернуть ни одну из рекомендуемых систем (TN-S, TN-C-S или TT), тогда единственным способом защиты от поражения электрическим током является защитное отключение.

Защитное отключение

Защитное отключение может использоваться в любой системе электроснабжения в качестве дополнительного инструмента для защиты человека от поражения электрическим током. Принцип защитного отключения, как следует из названия, заключается в оперативном отключении питания электроустановки при обнаружении опасных факторов.

Существует достаточно большое количество систем защитного отключения, однако на практике набольшее распространение получили две. Принцип работы первой системы основан на измерении напряжения на корпусе электроустановки относительно земли (Рисунок 17). При увеличении напряжения на корпусе электроустановки выше 50 В управляющий блок отключит питание на установку, защищая человека от возможной электротравмы. Поскольку измерительный ток достаточно мал, для работы системы достаточно самых простых естественных заземлителей, сопротивление которых может достигать десятков, а иногда и сотен килоом.

Рисунок 17.	Принцип работы УЗО на основе измерения напряжения на корпусе электроустановки.

Главным недостатком подобной системы является ее сложность. Для ее реализации, кроме блока УЗО, требуется наличие заземлителя и мощного контактора, поэтому подобные системы используются достаточно редко, в основном в промышленных установках. Да и для защиты незаземленных корпусов устройств класса I, на которых присутствует напряжение 115 В, она может принципиально не подойти.

Более широкое распространение получили дифференциальные УЗО, основанные на измерении токов в силовой части системы электроснабжения. В этом случае основным элементом системы является дифференциальный трансформатор, выходное напряжение которого определяется разностью токов, протекающих в силовых проводах.

В нормальном режиме работы ток нулевого провода I_F должен равняться сумме токов, протекающих в фазных проводах I_F:

(9)

Если это условие не выполняется, что происходит при наличии токов, замыкающихся не через нулевой провод, а через землю, то УЗО сработает и отключит поврежденный участок (Рисунок 18). Таким образом, дифференциальные УЗО способны определить факт прикосновения человека (стоящего на земле) к элементам, соединенным с фазными проводами, а также наличие повреждения изоляции фазных проводов.

Рисунок 18.	Принцип работы дифференциального УЗО.

Ключевым преимуществом дифференциальных УЗО является простота организации защиты. Как видно из рисунка, для обеспечения требуемого уровня безопасности достаточно лишь одного дифференциального реле, которое может быть установлено практически в любой части системы электроснабжения. Поэтому дифференциальные УЗО чаще всего устанавливаются в распределительных щитках рядом с автоматическим выключателями и имеют конструкцию, рассчитанную на установку на стандартную DIN-рейку (Рисунок 19).

Рисунок 18.	Однофазное (слева) и трехфазное (справа) дифференциальное УЗО [10].

Обратите внимание, что обычное дифференциальное УЗО не защищает систему электроснабжения от перегрузки по току. Более того, некоторые модели УЗО при обнаружении тока утечки могут создавать в системе электроснабжения короткие замыкания, поэтому они должны устанавливаться после узлов защиты от перегрузки по току.

На сегодняшний день на рынке присутствует богатый выбор дифференциальных УЗО, рассчитанных на разные токи. Для защиты человека обычно используются УЗО с током срабатывания 30 мА. УЗО с большими токами срабатывания (до 300 мА и более) могут использоваться в качестве групповых защитных устройств, а также для защиты от пожара, который может произойти при появлении тока, вызванного нарушением изоляции соединительных кабелей. Поскольку УЗО обычно используется в паре с автоматическими выключателями, то на рынке можно также найти достаточно большое количество совмещенных устройств – дифференциальных автоматов, обеспечивающих и защиту от короткого замыкания, и защиту от поражения электрическим током.

Заключение

Предыдущая часть цикла «Основ электропитания» вызвала достаточно оживленную дискуссию на форуме журнала «РадиоЛоцман», и я бесконечно благодарен всем читателям, откликнувшимся на эту работу. Многие пожелания и предложения, были, я надеюсь, учтены и освещены в этом материале. Из достаточно важных вопросов, оставшихся за рамками этой статьи, я могу, пожалуй, выделить только вопрос уравнивания потенциалов. Это, действительно, очень важный момент, однако он все же больше касается людей, занимающихся непосредственно системами электроснабжения – электриков и энергетиков. А этот цикл ориентирован, в первую очередь, на людей, решивших посвятить свою жизнь работе немного в другой сфере. Поэтому мне сложно представить себе, например, системного администратора, занимающегося вопросами электробезопасности в ванных комнатах или в медицинских помещениях.

Отдельным вопросом следует выделить проблему статического электричества, с которой мне, во время «офисного» периода моей жизни, пришлось столкнуться «лицом к лицу». Этой теме будет посвящена одна из моих ближайших публикаций, возможно даже в рамках этого цикла.

А пока можно считать, что вопросы защиты от поражения электрическим током, возникающие во время эксплуатации оборудования, питающегося от промышленной сети переменного тока, освещены в объеме, достаточном для пользователей, не занимающихся непосредственно электроустановками. А это значит, что можно переходить к другим, не менее важным, вопросам, например, проблемам, возникающим в процессе совместной работы ИТ-специалистов и энергетиков.

---

Источники информации

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ)
2. ГОСТ IEC 60934-2015 Выключатели автоматические для оборудования (СВЕ)
3. Категории автоматических выключателей: A, B, C и D
4. ГОСТ Р 58698-2019 (МЭК 61140:2016) Защита от поражения электрическим током. Общие положения для электроустановок и электрооборудования
5. Силовые вилки и розетки для переменного тока (Статья в Википедии)
6. Сетевые фильтры и помехоподавляющие конденсаторы
7. Capacitors for RFI suppression of the ac line: basic facts
8. В каких случаях применяется система заземления ТТ
9. Система заземления TT
10. Что лучше дифавтомат или УЗО: выбираем по критериям с рекомендациями что лучше ставить

---

Сноски

¹⁾ Косвенное прикосновение – электрический контакт людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции [1].
²⁾ Глухозаземленная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству [1]. 
³⁾ Я не знаю, как объяснить этот вопрос горе-электрикам, соединяющим в розетках нулевой и защитный контакты.
⁴⁾ Теоретически, любое обслуживание систем электроснабжения должно производиться только людьми, имеющими соответствующие лицензии и допуски.
⁵⁾ Максимальная величина тока утечки (тока прикосновения) определяется нормативными документами.