Министерство цифрового развития, связи И массовых коммуникаций российской федерации

1. Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

2. МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

3. СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

4. КАФЕДРА ОСНОВЫ ВОЕННОЙ ПОДГОТОВКИ

УТВЕЖДАЮ

Заведующий кафедрой

Основы военной подготовки

к.и.н.. Забродченко Г. Е,

«___» ___________ 2025 г.

ЛЕКЦИЯ № 6 (для учебных групп БФИ 2201, 2202, 2203)

Тема «Основы электробезопасности. Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях»

дисциплина «Безопасность жизнедеятельности»

Старший преподаватель кафедры ОВП

Таньков О.И,

Москва 2025

Лекция разработана на основании рабочей программы Безопасность жизнедеятельности, для направления подготовки 02.03.02 Фундаментальная информатика и информационные технологии. Обсуждена на заседании кафедры Основы военной подготовки.

Протокол заседания кафедры № от « »____________ 2025 г.

План лекции:

1. Классификация электрических сетей;

2. Однофазные электрические сети;

3. Трехфазные электрические сети;

4. Защитные меры в электроустановках;

5. Защитное заземление;

6. Зануление;

7. Устройства защитного отключения;

8. Электротехнические защитные средства;

9. Изоляция электрических сетей и оборудования;

10. Защита от перехода высокого напряжения в сеть низкого напряжения.

Введение

Знание процессов, протекающих в электроустановках, позволяет энергетикам безопасно эксплуатировать оборудование любого напряжения и вида тока, выполнять ремонтные работы и техническое обслуживание электрических систем.

Избежать случаев поражения током электроустановки помогает информация, излагаемая в ПУЭ  (Правила устройства электроустановок) , ПТБ (Правила техники безопасности) и ПТЭ (Правила технической эксплуатации) — основных документов, созданных лучшими специалистами на основе анализа несчастных случаев с людьми, пострадавшими от опасных факторов, сопровождающих работу электрической энергии.

1.Классификация электрических сетей

Электрический ток — это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц.

В различных средах электрический ток может создаваться разными носителями заряда:

• в металлах — движением свободных электронов;

• в полупроводниках — движением свободных электронов и положительно заряженных дырок;

• в электролитах — движением положительных и отрицательных ионов.

Для существования электрического тока необходимы следующие условия:

• наличие свободных электрических зарядов;

• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;

• замкнутая электрическая цепь.

Различают два основных вида электрического тока:

• Постоянный ток — сила тока и его направление не изменяются со временем.

• Переменный ток — сила тока или его направление зависят от времени.

Электрический ток характеризуется следующими основными параметрами:

• Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени (измеряется в амперах, А).

• Напряжение — мера того, насколько сильно электрическое поле «толкает» электрический заряд при его перемещении (измеряется в вольтах, В).

• Сопротивление — способность проводника препятствовать прохождению электрического тока (измеряется в омах, Ом).

Электрический ток широко применяется в различных областях:

• освещение домов и улиц;

• работа электротранспорта;

• зарядка электронных устройств;

• промышленные процессы;

• медицинские приборы.

В природе электрический ток проявляется в виде молний, электрических разрядов морских обитателей и электрических процессов в живых организмах.

Постоянный ток Постоянный ток это ток, который никогда не меняет направление движения и всегда течет от плюса к минусу.

Обозначается английской аббревиатурой DC (direct current).

Графически постоянный ток можно представить так:

Упрощенно принято считать, что график постоянного тока выглядит примерно так, как показано на рисунке выше. Однако, на самом деле, график чаще выглядит не идеальной прямой, а ломаной линией, как горный хребет, то временами взлетая резко вверх, то ниспадая чуть ли не до нуля. Но даже такой нестабильный график не сделает постоянный ток переменным, потому что его направление остается неизменным.

В качестве примера постоянного тока можно привести обычную батарейку.

Переменный ток Переменный ток это ток, который меняет направление и величину в равные промежутки времени.

Обозначается английской аббревиатурой AC (alternative current).

Графически переменный ток представляет из себя вот такую синусоиду:

В местах, где синусоида опускается ниже 0, направление тока меняется на противоположное.

Частота переменного тока это количество колебаний, то есть, изменений направления тока за одну секунду. В нашей привычной бытовой электросети частота составляет 50 Герц. Это значит, что за одну секунду направление тока меняется 50 раз. Но такая частота принята не везде. Например, в США эта величина составляет 60 Герц.

Примеры: линии электропередач (ЛЭП), бытовая электрическая сеть напряжением в 220 Вольт.

Почему сейчас используется и постоянный и переменный ток? Споры о преимуществах постоянного и переменного токов не прекращаются со времен первых значимых открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как "война токов" - соперничество Томаса Эдисона с одной стороны и Джорджа Вестингауза и Николы Теслы с другой. Широкое использование обоих видов тока в современном мире говорит о том, что и у того и у другого имеются как достоинства, так и недостатки. Они-то и определяют различные сферы применения и вполне определенные задачи.

Преимущества переменного тока Переменный ток чаще всего используется тогда, когда есть необходимость в передаче тока на большие расстояния и в промышленных масштабах. С помощью сети трансформаторных подстанций энергию от электростанций можно передавать в самые удаленные инфраструктурные объекты, в жилые дома и предприятия.

Причем, на каждом из трансформаторных узлов напряжение переменного тока можно как уменьшать, так и увеличивать с КПД до 99%, и это при минимальной толщине проводов. Низкая стоимость оборудования, минимальные потери при передаче электроэнергии, простота преобразования переменного тока в постоянный и обусловили широкое использование сетей переменного тока.

Преимущества постоянного тока Однако, в некоторых ситуациях использование постоянного тока оказывается более удобным. Например, в электросварочных работах, а также в различных автономных системах, например, бортовых системах автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов, в научном и медицинском оборудовании, в компьютерной, бытовой и оргтехнике. С чем это связано? Для питания микросхем, используемых в любой электронике, постоянный ток предпочтительнее, потому что он минимизирует количество помех и пульсаций или же исключает их полностью. Словом, напрямую влияет на стабильность работы.

Как работают выпрямители тока Все бытовые приборы, вся компьютерная и оргтехника работают на постоянном токе, но, как мы знаем, в бытовой электросети присутствует переменный ток. Каким же образом приборам, работающим от одного вида тока, удается получать питание от сети другого вида тока?

Это происходит с помощью так называемого "диодного моста" или "выпрямителя", который присутствует, в частности, во всех адаптерах или блоках питания тех же ноутбуков.

Упрощенно работу диода можно представить так:

То есть, диод - это электронный прибор, который пропускает ток только в одном направлении.

А вот и сам диодный мост:

Пусть вас не пугает эта схема. Для простоты я убрал из нее все лишние и пугающие обозначения.

Обратите внимание: диоды соединены таким "хитрым" образом, что в тот момент, когда ток течет в одном направлении (сплошная красная стрелка на схеме), на участке цепи между знаками "-" и "+" он течет строго в одном направлении. Когда же ток меняет свое направление (пунктирная красная стрелка на схеме), то на том же участке цепи он снова течет в первоначальном направлении.

То есть, каким бы ни было направление тока, на выбранном участке цепи он всегда движется в одном и том же направлении. А это значит, что на данном участке цепи течет постоянный ток.

А вот как выглядит работа моста на графике:

График (а) - направление тока для сплошной красной линии. Здесь от первоначальной синусоиды отсечены все "хвосты" с отрицательными значениями, поскольку диоды их не пропускают.

График (б) - направление тока для пунктирной красной линии. Здесь вторая синусоида запаздывает во времени от первоначальной синусоиды (так как ток не может течь в разных направлениях одновременно), и у нее также отсечены все отрицательные "хвосты".

График (в) - результат наложения двух синусоид (вернее, того, что от них осталось). Как видите, результирующее значение силы тока не опускается ниже нулевой отметки, что является показателем постоянного тока.

Это пример упрощенного и не очень стабильного диодного моста, который делает ток постоянным по направлению, но никак не по величине. Поэтому в технике, чувствительной к значениям силы тока используются более сложные и более совершенные схемы, которые ток реально "выпрямляют". То есть, в них синусоиды следуют друг за другом так часто, что на графике выглядят не как отдельно стоящие холмики, а как холмики, вросшие друг в друга боками и образующие бруствер.

Если есть преобразователи переменного тока в постоянный, то бывает ли обратная потребность - в преобразователях постоянного тока в переменный? Конечно. Для этого используются так называемые инверторы тока. Они применяются в источниках бесперебойного питания, в автомобилях, на солнечных электростанциях.

И последний вопрос: какова сила тока в бытовой электросети? В современных квартирах сила тока обычно в промежутке от 9,1 до 16 Ампер. Старые, советские розетки были рассчитаны максимум на 6 Ампер.

Генераторы переменного тока

Генера́тор переме́нного то́ка («альтерна́тор») — вид электрического генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Принцип работы генератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки. Электроны перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течёт от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток. Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита, то есть когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течёт таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Устройство генератора переменного тока

Схематическое устройство однофазного 4-полюсного генератора переменного тока. Генератор с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статоромАвтомобильный генератор переменного тока в разрезе. Видны полюсные наконечники

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой»), нейтральный провод отсутствует

По конструкции можно выделить:

• генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;

• генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на:

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.

• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить:

• генераторы с явно выраженными полюсами;

• генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить:

• Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель.

• Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель.

• Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора:

• шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет);

• соединение «звездой»;

• соединение «треугольником»;

• соединение шести обмоток в виде одной "звезды" и одного "треугольника" на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная), то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключённые к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включённые приборы «сгорают».

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой») с нейтральным проводом.

К трёхфазному генератору (соединение «треугольником») подключена активная нагрузка (соединение «треугольником»).

Электрическая сеть — совокупность электроустановок, предназначенных для передачи и распределения электроэнергии от электростанции к потребителю.

Назначение, область применения

Сети общего назначения: электроснабжение бытовых, промышленных, сельскохозяйственных и транспортных потребителей.

Сети автономного электроснабжения: электроснабжение мобильных и автономных объектов (транспортные средства, суда, самолёты, космические аппараты, автономные станции, роботы и т. п.). См. также: Бортовая сеть.

Сети технологических объектов: электроснабжение производственных объектов и других инженерных сетей.

Контактная сеть: специальная сеть, служащая для передачи электроэнергии на движущиеся вдоль неё транспортные средства (локомотив, трамвай, троллейбус, метро).

Масштабные признаки, размеры сети

Магистральные сети: сети, связывающие отдельные регионы, страны и их крупнейшие источники и центры потребления. Характерны сверхвысоким и высоким уровнем напряжения и большими потоками мощности (гигаватты).

Региональные сети: сети масштаба региона (в России — уровня субъектов Федерации). Имеют питание от магистральных сетей и собственных региональных источников питания, обслуживают крупных потребителей (город, район, предприятие, месторождение, транспортный терминал). Характерны высоким и средним уровнем напряжения и большими потоками мощности (сотни мегаватт, гигаватты).

Районные сети, распределительные сети: имеют питание от региональных сетей. Обычно не имеют собственных источников питания, обслуживают средних и мелких потребителей (внутриквартальные и поселковые сети, предприятия, небольшие месторождения, транспортные узлы). Характерны средним и низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (мегаватты).

Внутренние сети: распределяют электроэнергию на небольшом пространстве — в рамках района города, села, квартала, завода. Зачастую имеют всего 1 или 2 точки питания от внешней сети. При этом иногда имеют собственный резервный источник питания. Характерны низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (сотни киловатт, мегаватты).

Электропроводка: сети самого нижнего уровня — отдельного здания, цеха, помещения. Зачастую рассматриваются совместно с внутренними сетями. Характерны низким и бытовым уровнем напряжения и малыми потоками мощности (десятки и сотни киловатт).

Переменный трёхфазный ток: большинство сетей высших, средних и низких классов напряжений, магистральные, региональные и распределительные сети. Переменный электрический ток передаётся по трём проводам таким образом, что фаза переменного тока в каждом из них смещена относительно других на 120°. Каждый провод и переменный ток в нём называются «фазой». Каждая «фаза» имеет определённое напряжение относительно земли, которая выступает в роли четвёртого проводника.

Переменный однофазный ток: большинство сетей бытовой электропроводки, оконечных сетей потребителей. Переменный ток передаётся к потребителю от распределительного щита или подстанции по двум проводам (т.н. «фаза» и «ноль»). Потенциал «нуля» совпадает с потенциалом земли, однако конструктивно «ноль» отличается от провода заземления.

Постоянный ток: контактные сети городского транспорта и многих железных дорог, некоторые сети автономного электроснабжения, а также ряд специальных сетей сверхвысокого и ультравысокого напряжения, имеющих пока ограниченное распространение.

Основные компоненты сети

Генерация

Генерация — процесс производства электроэнергии из других источников энергии, чаще всего на электростанциях. Обычно генерация происходит с помощью электромеханических генераторов, приводимых в движение тепловыми двигателями либо кинетической энергией воды или ветра. Другие источники энергии включают в себя фотовольтаику и геотермальные источники.

Передача

Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей. Это осуществляется при помощи линии электропередачи — специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод — неизолированный проводник, или кабель — изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры, эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы, разрядники, заземление).

Преобразование напряжения

Преобразование напряжения

Как правило, генераторы источника и потребители работают с низким номинальным напряжением. Потери энергии в линиях прямо пропорциональны квадрату силы тока, поэтому для снижения потерь электроэнергию выгодно передавать на высоких напряжениях. Для этого на выходе от генератора его повышают, а на входе потребителя его понижают при помощи силовых трансформаторов.

Структура сети

Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи, которые соединяют подстанции. Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными), иметь ответвления (отпайки). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы различных типов.

Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема, представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.

Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.