Раздел: ВЗГЛЯД Тема: Автор: Александр ПОПОВ, эксперт
Моя азбука электропитания
В своем стремительном развитии наш рынок ТСБ все больше и больше рвется в облака в переносном, а теперь уже и прямом смысле. Мы говорим об инновационных технологиях сжатия потока видеоданных, о создании программных продуктов видеоаналитики. И при этом почти перестали обращать первостепенное внимание на те фундаментальные вещи, без знания и учета которых любые уникальные технологии могут быть обречены на полный провал. Это показывает и опыт постоянного общения с клиентами, и анализ причин отказов оборудования в уже построенных кем-то и работающих системах. Да и просто беседы с молодыми коллегами заставляют сделать вывод, что ситуация с базовыми знаниями становится все хуже и хуже. Хотя, на то они и базовые, оттого и входят в курс обязательного пока еще среднего образования, что актуальны в очень многих сферах не только нашей производственной деятельности, но и просто жизни, отнюдь не ограничиваясь рамками технической системы безопасности. Какой бы умный дом мы ни рассматривали, перед тем, как этот дом станет умным, его необходимо сначала построить. А перед тем, как начать возведение стен, необходимо в полном объеме построить так называемый нулевой цикл. Потому что любые просчеты и недоделки на нулевом цикле неизбежно скажутся на эксплуатации этого самого дома во всем временном периоде, а то и приведут к досрочному окончанию такой эксплуатации. А до «ума» дело может и вовсе не дойти. И занимает такой нулевой цикл в строительстве не менее 40% общей сметы, о чем очень хорошо знает любой строитель. В наших системах такой нулевой цикл тоже есть, и он требует к себе не меньшего уважения и необходимого вложения средств. И в своих разработках, и в наших информационных статьях мы очень много внимания уделяли и уделяем именно вопросам «нулевого цикла» систем. Это и вопросы грамотного заземления, и наводок на длинные линии, и возникновения опасных наведенных напряжений в линиях. Но есть еще один важный вопрос, о котором говорят крайне редко. Это – обычное внешнее питание 220В. Как-то для всех нас, вероятно, он стал чем-то само собой разумеющимся. Есть розетка, в которую воткнул вилку, и все работает. Между тем, практика показывает, что основная причина отказов аппаратуры в системах состоит именно в проблемах линий внешнего питания. А теперь признайтесь, много ли кто из вас, уважаемые инсталляторы, перед работой над проектом поинтересовался состоянием электроснабжения оснащаемого вами объекта? Конечно, самый простой путь – решить вопрос исключительно т.с. юридически. Мы же – «слаботочники», высокое напряжение – это дело главного энергетика объекта. И мы с чистой совестью пишем в техническом задании: «Заказчик обеспечивает подключение аппаратуры в сеть ~ 220В +10/-15%, 50 Гц». Сам эту фразу писал десятки раз. И это делать надо обязательно, поскольку лично вы влиять на состояние системы электроснабжения не в состоянии. Да, и не имеете на это права. И если случится выход из строя аппаратуры, а то и всей системы, по причине того, что внешнее электропитание не укладывается в «гостовские» рамки, вашей вины тут нет. А, учитывая, что очень часто работоспособность системы может быть напрямую связана с безопасностью, такая ответственность может выходить за рамки просто стоимости оборудования. Ну, и конечно, ремонт не будет признан гарантийным. Тем не менее, хотя бы представлять, какие угрозы для системы могут исходить от системы внешнего электропитания и каковы причины их возникновения, всегда полезно. И, как уже я отметил выше, такие знания будут полезны и в повседневной жизни. Ну, и будет совсем хорошо, если в рамках именно нашей системы мы сможем принять необходимые меры для защиты от этих угроз или хотя бы для минимизации возможных потерь. Конечно, негарантийный ремонт – это некий дополнительный заработок для фирмы-инсталлятора. Но, во-первых, не всегда выход из строя по причине неполадок во внешнем питании носит очевидный характер, и в этом случае будет законно трактоваться в пользу потребителя. А во-вторых, заказчик всегда предпочтет иметь дело с тем, у кого количество ремонтов даже по вине самого заказчика будет минимальным. Поэтому знания лишними не будут. Вот и давайте вспоминать, чему нас учили в школе, применительно к нашим задачам. В электротехнические дебри не полезем. Только необходимый минимум. Если мы рассматриваем более-менее серьезный объект, а не отдельную квартиру в многоэтажном доме, мы имеем дело, как правило, с трехфазной системой электропитания (даже у меня на садовом участке организована такая система электропитания для распределения мощностей и экономии на толщине силового магистрального кабеля, а проще – чтобы не сгореть).
Простейшая схема соединения трехфазной цепи представлена на рис. 1. Где-то установлен генератор, на обмотках которого наводится ЭДС. Концы обмоток соединены в общую точку. Такое соединение называется звездой. С такой схемой соединения мы и имеем дело и на наших объектах, и у себя дома. Генератор наш носит условный характер. В действительности мы получаем электропитание не напрямую с генератора какой-нибудь АЭС или ГЭС, а через отдельные высоковольтные системы передачи, через трансформаторные подстанции. Но для нас как потребителей это не важно для понимания вопроса. Провод, соединяющий другой конец обмотки с потребителем, называется линейным (или линией). Обозначается L –L1, L2, L3. Провод, соединяющий общую точку обмоток с потребителем называется нейтралью – N. При четырехпроводной схеме подключения имеем три линейных провода (L1, L2, L3) и один провод нейтрали N. Напряжение между линейным проводом (линией) и нейтралью называется фазным (Uф1, Uф2, Uф3). В силу природы своего происхождения фазные напряжения по всем трем фазам смещены относительно друг друга на фазовый сдвиг 120 градусов. Если нагрузки, подключаемые между каждой линией и нейтралью одинаковые, то векторная сумма одинаковых в этом случае по величине напряжений равна нулю, то есть разница потенциалов между нейтралью и землей равна нулю. Поэтому нейтраль еще называют нулевым проводом. Вот и говорим, что в сетевой розетке имеем ноль и фазу. Фазное напряжение у нас по ГОСТу должно составлять 220В+10/-15%, 50 Гц. Кстати, в розетке «фаза» должна располагаться справа все по тому же ГОСТу. Так должно быть! Но если б так было всегда, надобности бы в этой статье не было. Линейным называется напряжение между проводами линий – U1-2, U1-3, U2-3. При соединении звездой при симметричной нагрузке: UL = 1,732 х UФ Вот эту формулу стоит запомнить. То есть, если при симметричной нагрузке имеем фазное напряжение 220 В, то напряжение между двумя линиями фаз составит 380 В. Теоретические воспоминания на этом будем считать законченными. А теперь рассмотрим, с чем можно в реальности столкнуться в системах электроснабжения, и как это может повлиять на работу нашего оборудования. Самые частые и рядовые безобразия – обрыв линейного провода. Имеется в виду не обрыв в бытовом понимании, который бывает достаточно редко, а разрыв линии в первую очередь автоматическими выключателями. Мы получаем линию (или линии) питания для наших систем не непосредственно с некоего генератора. И мы далеко не единственные потребители, питающейся от какой-то конкретной линии. И наше оборудование потребляет совершенно определенный ток, и другое, подключенное к этой же линии оборудование, о котором мы можем даже не догадываться. Может случиться какое-то дополнительное нештатное подключение. Как только сумма потребляемых токов некоего участка линии превысит допустимую величину, в грамотно построенной линии происходит отключение участка автоматическим выключателем. В неграмотно построенной линии может произойти физическое разрушение провода линии, его перегорание, а то и возникновение пожара. В любом случае линия питания обрывается. Для нашей системы последствия самые легко переносимые – просто отключается вся аппаратура, подключенная к данной линии питания. При восстановлении линии восстанавливается и питание – все снова включается. Для подобных случаев первостепенное внимание следует уделить аппаратуре, работающей в условиях активной климатической защиты – всему тому, чья работоспособность обеспечивается специальной аппаратурой обогрева и термостабилизации. Ведь одновременно с питанием отключается и аппаратура обогрева. Оборудование охлаждается до температуры окружающей среды и при включении может выйти из строя. Поэтому сначала должна включиться аппаратура обогрева, а питание на оборудование должно быть подано только по достижении внутри объема допустимой температуры. Функция эта сегодня идет как обязательная опция в абсолютном большинстве оборудования климатической защиты, так что в обрыве линии питания ничего страшного для собственно аппаратуры систем не представляет. Другое дело, учитывая, что наши системы нередко призваны работать на безопасность, всегда следует спрогнозировать, как такие перебои с питанием повлияют на конечную пользовательскую задачу – собственно безопасность. Объект может остаться на период отключения без систем сигнализации, без видеоконтроля, могут быть потеряны какие-то данные как на период отключения, так и из-за него, и т.д., и т.п. В каждом конкретном случае это будут свои риски, возможно требующие, помимо технических, принятия конкретных организационных мер. Но это уже не входит в круг технических задач, и рассматривать мы их в рамках этой статьи не будем. А к техническим мерам относится, конечно, устройство резервной схемы питания, о чем поговорим позже. Но, в общем-то, повторюсь, что ничего особо страшного при обрыве линии питания для системы не происходит. Как в нашей повседневной жизни – посидели при фонарике и без телевизора. Возобновилось питание – ну, пришлось снова настроить телевизор на нужную программу. Тем дело и заканчивается. Хуже, когда обрывается линия питания систем жизнеобеспечения. Но страшного тоже ничего не произойдет, если изначально предусмотрена такая возможность и есть системы резервирования. Главное – не забывать, что такое когда-нибудь может случиться. А вот обрыв нейтрали, в отличие от обрыва линии, заслуживает отдельного рассмотрения. Случается, к счастью, значительно реже, поскольку причинами такого безобразия выступает в основном человеческая безграмотность. Зато и последствия могут быть намного серьезней.
Рассмотрим самую простую схему – рис.2 В общем случае на объекте линий фаз три. Каждая линия однофазного питания образуется из одной линии фаз и линии нейтрали. То есть, для каждой линии однофазного питания есть своя линия фазы, а вот линия нейтрали единственная на все (естественно, линия эта имеет многочисленные разветвления на всевозможных нулевых шинах, но все «нули» всех розеток электрически соединены между собой). Пусть для подключения нашего потребителя (Rпотр.) мы взяли линию L1 и линию нейтрали. Абсолютно любое устройство, подключаемое к другим линиям, в качестве линии нейтрали будет иметь ту же, что и наш потребитель. Ток пойдет через наш потребитель по маршруту А-В-С и по линии наименьшего сопротивления по линии нейтрали к точке D. К какой-то другой линии L2 подключена какая-то другая нагрузка (о которой мы ничего не знаем) Rнагр. Через нее ток пойдет по маршруту GFED. Через наш потребитель Rпотр. ток не пойдет, так как он всегда пойдет по линии наименьшего сопротивления. Теперь представим, что линия нейтрали оборвана где-нибудь по линии m. Цепь питания замкнется по маршруту ABCEFG, то есть наш потребитель окажется включенным не между фазой и нейтралью, а между двумя линиями фаз. Напряжение на нем резко возрастет и может в зависимости от нагрузки в другой линии достигнуть максимального значения линейного напряжения, т.е. 380 вольт. Мы рассмотрели ситуацию с двумя линиями фаз и нейтралью. В общем случае, когда на объекте присутствуют все три фазы, напряжение в третьей линии также через своих потребителей попадает на нашу линию. И результирующее напряжение может оказаться существенно больше. Результат будет еще опасней. В большинстве случаев в зависимости от чувствительности самого потребителя к подобным броскам напряжения и длительности такого высоковольтного воздействия это приводит к выходу аппаратуры из строя, а то и является причиной возгорания в линиях питания со всеми возможными вытекающими последствиями. Если у вас дома вдруг лампочки засияли солнечным светом, немедленно отключайте все линии на силовом щитке, а потом уже разбирайтесь с причиной этой аномалии. Скорее всего, вместо фазного у вас в розетках появилось линейное напряжение. После восстановления нормального питающего напряжения будете подсчитывать убытки. В первую очередь пострадает, скорее всего, всякая аппаратура автоматики, блоки питания электроники, а то и сами телевизоры, домашние кинотеатры, музыкальные центры. В последнюю очередь – всевозможная нагревательная техника – бойлеры, электрокотлы, а также холодильники. Хотя автоматика управления теми же котлами может выйти из строя в числе первых. Все это из личного опыта. Приходилось слышать мнение, что от подобных бросков напряжения спасает автоматический выключатель в линии. Не спасает! Во-первых, он не для этого предназначен. Прежде всего, он спасает линию от превышения допустимого для линии (а не для аппаратуры, в ней установленной) тока, поскольку такое превышение грозит опасным нагревом провода, разрушением изоляции, возгоранием. Во-вторых, опасное напряжение на отдельном устройстве, способное полностью вывести аппаратуру из строя, вовсе не означает, что в линии произойдет увеличение величины тока до значения срабатывания автоматического выключателя. Можно посчитать, какой ток возникнет в цепи подключения каждого устройства при нижней границе опасного напряжения, для абсолютно каждого устройства ставить на входе отдельный автоматический выключатель со своим отдельно просчитанным током срабатывания. Грубо говоря, каждая розетка будет предназначена исключительно для какого-то одного конкретного устройства, и каждая такая розетка будет иметь автомат защиты на свой определенный ток. Совершенно не реализуемый на практике вариант. И в-третьих, для защиты от подобной ситуации существуют специально для этого предназначенные устройства, о чем поговорим ниже. Не спасет и защита от импульсных наводимых перенапряжений в линии первичного питания. Главная причина все та же – устройство защиты от импульсных перенапряжений не для этого предназначено. Природа возникновения опасного напряжения разная. При наводимых опасных напряжениях имеем очень большое по амплитуде, но крайне малое по времени воздействие. В данном случае имеем дело хоть и не с такими большими амплитудами, зато время воздействия в сравнении с наводимым импульсным напряжением можно считать просто гигантским. Даже если ситуация сразу обнаружена и мы со всех ног помчались выключать автоматы на входе, сравнивать время нашей реакции придется с микросекундами. На такое гигантское время аппаратура защиты от импульсных перенапряжений просто не рассчитана. Сработает защита варистора от перегрева, которая отключит саму аппаратуру от линии. Причем, восстановление аппаратуры потребует фактически ее ремонта. Но самое главное, что защита от импульсных перенапряжений включается в линию питания параллельно, отводя на землю опасный потенциал с линии. При ее отключении, которое неминуемо произойдет во время длительного воздействия, линия питания не разорвется – все опасное высокое напряжение окажется поданным на все потребители. То есть, одни потери – ничего не защитили, а аппаратуру защиты от импульсных перенапряжений неминуемо вывели из строя. Каковы могут быть причины обрыва нейтрали? Может быть обрыв в самом буквальном смысле. Хотя и с наименьшей вероятностью. Если имеем дело с воздушными линиями, то провод нейтрали в силу своей безопасности с точки зрения поражения электрическим током является самым нижним на подвесах столбов. Соответственно, этот провод рвется первым, если, например, под линией электропередач пытается проехать какая-нибудь крупногабаритная техника. Гораздо чаще происходят более банальные вещи. А именно, отгорание нейтрали (или нулевого провода). Горят провода не от напряжения, а от тока, по ним проходящего. Напряжение сварочного агрегата составляет 12V. Зато сварочный ток составляет 120-150 А. Мощность, выделяемая на проводнике в виде тепла, пропорциональна его сопротивлению и квадрату силы тока. С увеличением силы тока – например, в 2 раза – мощность, выделяемая в виде тепла, увеличивается в 4 раза. И линейно увеличивается с увеличением сопротивления. Количество теплоты, выделяемое проводником, определяется законом Джоуля-Ленца: Q=I2 х R х t, где t – время, в течение которого по проводнику протекал ток. Еще одна фундаментальная формула из школьного курса: R=ρ х L /S ρ – удельное сопротивление проводника (зависит исключительно от материала, из которого проводник изготовлен); L – длина проводника; S – площадь сечения. Таким образом, с увеличением диаметра проводника, например, в 2 раза, сопротивление его уменьшится в 4 раза. И наоборот. Как показал мой опыт общения с представителями нашего рынка, многие считают, что, чем толще проводник, тем его сопротивление больше. Это очень опасное (в том числе, для жизни и здоровья) заблуждение. В общем, не случайно в электроплитке можем наблюдать в качестве нагревательного элемента очень тонкую спираль. Спираль – чтобы максимально увеличить сопротивление за счет длины проводника, а за счет выбора материала (нихром), который способен держать очень высокие температуры, не разрушаясь, максимально уменьшена его толщина. Таким образом, обеспечивается максимально возможный нагрев. В наших линиях нагрев – это прямая угроза возгорания. В действительности монтажная схема электропитания на объекте очень далека от представленной на рис.2. Четыре провода только заходят от общей магистрали. Далее устанавливаются контактные шины и на провод нейтрали (нулевая шина), и на линии фаз, и уже по однофазным потребителям линии разводятся двужильными кабелями, один провод которых подключается к фазовой шине, а другой к нулевой. И замыкается цепь между фазами при обрыве нейтрали через потребители на нулевой шине. Если обрыв происходит после нулевой шины, естественно, межфазная цепь не замкнется. Максимально все упростив, представим схему разводки однофазного питания на рис. 3.
Рассмотрим только две линии фаз – для понимания этого достаточно. В первой однофазной цепи (между первой фазой и нейтралью) включена нагрузка R1, через которую проходит ток I1. Во второй цепи через нагрузку R2 проходит соответственно ток I2. И пусть это совершенно рабочие и безопасные для своих цепей токи, не вызывающие срабатывание защитных автоматических вы- ключателей в линиях фаз. Однако, на участке общего нулевого провода (общей нейтрали) -АВ- проходящий по ней ток представляет собой уже сумму токов первой и второй однофазных цепей. А в действительности при подводящем трехфазном питании это будет уже сумма токов всех трех однофазных цепей. Нередко об этом со временем забывают. Количество потребителей, подключаемых в сети питания, со временем может увеличиваться. Потребляемая мощность их может расти. Соответственно, увеличиваются токи, проходящие в однофазных линиях. Вполне возможно, что со временем меняются защитные автоматы на входе линий, поскольку сечение кабелей линий это до- пускают. Срабатывание защиты не происходит. Однако забывают, что нулевой провод общего участка нейтрали должен быть рассчитан на общий суммарный ток по всем трем фазам. В результате этот провод может не выдержать нагрузки и отгореть. Чаще всего это происходит в местах клеммных соединений, поскольку площадь контакта в таких соединениях часто бывает меньше площади поверхности всего проводника, соответственно, сопротивление проводника в данном месте будет еще больше, больше выделяемое тепло, это самое слабое звено для теплового разрушения. Бывают, что о заведомо больших токах в общей нейтрали не задумываются изначально. А именно, посчитали суммарную мощность всех потребителей по каждой фазе, определили, исходя из этого, максимальные токи и выбрали четырехжильный кабель подключения с сечением проводов, соответствующим этим токам. Один из проводов этого четырехжильного кабеля задействовали в качестве провода нейтрали. И получили, что по этому проводу течет ток, намного превышающий допустимую величину для данного сечения. В лучшем случае этот провод начинает ощутимо греться, тратя электроэнергию на обогрев атмосферы. А в худшем – отгорание проводника с подачей разрушающего для подключенной аппаратуры напряжения, с выходом из-за этого самой аппаратуры из строя, а то и пожар на объекте. Вывод: при выборе нулевого провода подключения (до нулевой шины от источника трехфазного напряжения) необходимо выбирать провод, сечение которого безопасно обеспечивает прохождение по нему тока, равного суммарному максимальному току по всем однофазным линиям. Ну, а поскольку нулевой провод подключения, как правило, используется, как один из проводов многожильного кабеля, под максимальный суммарный ток выбирается весь кабель. Так, если у меня в доме по линиям установлены на входе автоматические выключатели на 25А (то есть, более 25 А ток в каждой линии быть не может), то подводящий к дому кабель взят 4х6 мм2.. А далее однофазные линии выполнены двужильными кабелями в основном 2х2,5 мм2.. Еще достаточно типовая причина обрыва нейтрали полностью соответствует поговорке: «Хотели, как лучше, а получили хуже!». Да, на входе не только линий трехфазного напряжения, но и на ответственных ответвлениях однофазных после шин разветвления всегда надо устанавливать автоматические выключатели, которые отключат линию при превышении величины тока выше допустимого, поскольку, как мы уже упомянули, именно от тока случаются пожары, и именно ток убивает. Все мы, наверное, сталкивались с коротким замыканием в цепи, когда величина тока стремится к бесконечности (сопротивление стремится к нулю). Источник возможного возгорания более, чем очевиден. Простая чрезмерная перегрузка линии потребителями также ведет к увеличению тока, что в свою очередь может привести к опасному перегреву провода. Автоматические выключатели не позволят нагружать линии более дозволенного, отключив ее при максимально допустимой величине тока, а также мгновенно отключат линию в случае короткого замыкания, не дав тепловому воздействию длиться в течение опасного для возгорания времени. Окончание – в следующем номере. * В настоящее время в России стандартным напряжением в сети является напряжение 230В, но для поставщиков электроэнергии действует 220В. ГОСТ 29322-2014 определяет стандартное напряжение 230В с возможностью использовать 220В. Электросети поставляют электроэнергию согласно действующего на сегодняшний день ГОСТ 32144-2013, устанавливающего напряжение 220В. При этом следует понимать, что электрическое оборудование, выпускаемое в России и для России должно нормально работать и при напряжении 220В, и при напряжении 230В. Для приборов, как правило, закладывается диапазон по напряжению от -15 % до +10 % от номинального. Вот почему в статье мы будем оперировать напряжением 220В – тем, которое в действительности нам поставляют электросети.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: