22

Эксплуатация электрических устройств и сетей

Сейчас невозможно себе представить жизнь человека без широчайшего применения электрического тока. Электрические сети и приборы не просто окружают нас - они освобождают нас от значительной части физического труда, рутинного умственного труда, делают нашу жизнь комфортной, стремительной, насыщенной, плодотворной.

Электрическая энергия обладает весьма ценными свойствами:

1. электрическая энергия с небольшими потерями и достаточно просто преобразуется из других видов энергии – механической, ядерной, тепловой, химической и др. Это лежит в основе получения, накопления и сохранения электрической энергии;

2. в свою очередь она сама легко преобразуется в другие виды энергии – механическую, тепловую, химическую и т.д. На этом основано широчайшее применение электрической энергии;

3. электрическая энергия сравнительно простыми средствами передаётся на большие расстояния с помощью разветвлённых сетей;

4. она легко дробится, регулируется и распределяется по потребителям практически любой мощности;

5. электрическая энергия хорошо контролируется и учитывается.

Эксплуатация электрических сетей, приборов, оборудования, систем на предприятиях (объектах) социально-культурной сферы и туризма связана с решением следующих проблем:

• грамотная эксплуатация, максимизирующая срок службы, как электрических сетей, так и приборов, оборудования, систем и т.д.;

• создание безопасных условий для персонала и клиентов;

• минимизация затрат на приобретение, ремонт и эксплуатацию электрооборудования.

Основные представления и понятия об электрическом токе

Электрический ток - это поток заряженных частиц. Определение не оговаривает среду, в которой движутся заряженные частицы (она может быть твёрдой, жидкой и газообразной), ни происхождения, ни конкретных характеристик заряженных частиц. Определение, с одной стороны, необыкновенно ёмко – оно относится ко всем вообразимым случаям протекания электрического тока, а, с другой – позволяет конкретизировать это протекание в определённых, интересующих нас условиях. В обыденной жизни мы встречаемся с ситуациями, когда носителями электрического тока оказываются электроны и ионы (положительно или отрицательно заряженные атомы или молекулы). В некоторых веществах отсутствуют заряженные частицы или они простыми средствами не могут быть освобождены для движения – они не могут проводить электрический ток, следовательно, они – диэлектрики, изоляторы.

Электронной проводимостью обладают металлы, сплавы и многие полупроводники. Растворы и расплавы электролитов (веществ, содержащих в своём составе или образующих в водном растворе, ионы) обладают ионной проводимостью.

Металлы и сплавы, используемые в качестве электрических проводников, в основе своей тонкой структуры имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся атомы металла или элементов, составляющих сплав. Электроны (в совокупности своей уподобленные электронному газу) движутся под действием электрического поля в пустотах кристаллической решётки, практически не встречая при своём движении механического сопротивления (в силу ничтожности своих размеров по сравнению с размерами атомов). Поэтому электрическое сопротивление металлов и сплавов незначительно.

Ионы, находящиеся в среде раствора или расплава, испытывают механическое (вязкостное) сопротивление среды, а кроме того они в тысячи раз крупнее и тяжелее электронов, поэтому они менее подвижны в электрическом поле, более инерционны, слабее следуют за изменениями электрического поля. Поэтому электрическое сопротивление растворов и расплавов электролитов во много раз выше сопротивления металлических проводников.

В человеческом организме содержится много электролитов (ионы калия и натрия и др., ионы хлора, органические анионы и др.). Человек на 65 – 70% состоит из воды, в водном растворе происходят все жизненно важные биохимические процессы. Поэтому прохождение электрического тока через тело, органы, структуры человека и поражение человека определяется ионной проводимостью.

Носители электрического тока могут перемещаться в постоянном или переменном электрических полях. Постоянное поле создают источники электродвижущей силы (электрические батарейки), аккумуляторные батареи, выпрямительные устройства. Переменное поле создают электрические (электромагнитные) генераторы.

Представим себе двухпроводную электрическую сеть переменного тока напряжением 220 В (вольт) и частотой его колебаний 50 Гц (1 Гц (герц) равен одному колебанию в секунду). (В России мы чаще всего имеем дело с ней.) Электрическое напряжение на одном из этих проводов равно 220 В; этот провод называется фазным. На другом проводе напряжение равно нулю и он называется нулевым (этот провод на ближайшей к потребителю трансформаторной подстанции с помощью специального устройства физически соединён с землёй - заземлен). Электрическая цепь оказывается замкнутой и по ней течет ток, когда эти провода соединены (напрямую – короткое замыкание, или через какой либо электрический прибор, включённый нами по своему прямому назначению, или через отдельные участки тела человека при несчастном случае). Отсюда становится понятным, что электрический ток протекает даже и в таких условиях, когда фазный провод замыкается на заземленный предмет (не имеющий прямого отношения к электрической цепи, например, водопроводную или газовую трубу и др.) или саму землю.

Электрическая цепь характеризуется электрическим сопротивлением. В цепях переменного тока оно бывает активным и реактивным. Активным сопротивлением R обладают проводники и элементы электрической цепи, которые нагреваются при прохождении через них тока. Реактивное сопротивление X создают элементы, обладающие индуктивностью или ёмкостью. Это любые устройства, содержащие электромоторы и дроссели (катушки индуктивности) – электродвигатели, холодильники, кондиционеры, копировальные или лазерные офисные приборы, галогеновые и лазерные светильники, насосы, стиральные и посудомоечные машины, микроволновые печи, компрессоры, солярии, фотопроявочную аппаратуру и т.д. Полное сопротивление неразветвлённой цепи Z складывается из активного сопротивления R, индуктивного сопротивления X_L, и ёмкостного сопротивления X_C:

Z =(R² + (X_L - X_C)²)^½.

Величина тока (сила тока) на всех участках неразветвлённой электрической цепи имеет одинаковое значение. Сила тока (ток) связана с напряжением и сопротивлением цепи законом Ома: I = U/Z, где I – ток, А (ампер); U – напряжение, В (вольт); Z – сопротивление, Ом.

Из закона Ома вытекает, что величина тока тем меньше, чем меньше напряжение и больше электрическое сопротивление цепи.

С точки зрения безопасности предпочтительно использование низковольтных сетей. Понятно, почему в автомобилях, самолётах, на подводных лодках и других объектах повышенной безопасности используют низковольтные электрические цепи.

Если в знаменателе выражения закона Ома будет бесконечно большая величина, то значение тока станет нулевым, что соответствует разрыву электрической цепи. Оказывается, существуют вещества, обладающие таким бесконечно большим сопротивлением; они называются изоляторами.

Изоляторы, а к ним относятся резина и прорезиненные материалы, стекло, фарфор, воздух, сухое дерево, картон, бумага, сухие ткани, полимерные материалы и пластмассы и др., не проводят электрический ток, то есть разрывают электрическую цепь. На этом основано применение их в качестве защитных средств (резиновые перчатки, диэлектрические коврики, покрытие ручек инструментов, изоляция проводов и т.д.).