Электромеханические явления
Электричество, чистая энергия. Основное преимущество использования электрической энергии и преобразования ее в механическую и тепловую заключается в устранении пыли и любых вредных газообразных выделений.
Этим преимуществом объясняется развитие двигателей и электробытовых приборов, а также интерес к электрическому автомобилю и электрическому отоплению домов. Все это может значительно изменить характеристики потребления энергии, особенно важным может быть использование электромобиля, если он будет питаться от аккумуляторов, которые заряжают в ночное время.
Конечно, проблема загрязнения окружающей среды сохраняется на уровне ТЭС, которые выбрасывают в атмосферу остатки горючего (угля или мазута), т. е. пыль, смешанную с вредными газами (в частности, сернокислый газ). Это загрязнение эффективно ограничивается двумя способами:
использованием электростатических фильтров, которые задерживают более 95% золы;
сооружением высоких дымовых труб (высотой более 250 м), повышающих тягу и, следовательно, рассеивающих на большой высоте пыль и остаточные газы.
Атомные тепловые станции оборудованы таким образом, что:
выбрасываемая охлаждающая вода имеет такую радиоактивность, которая меньше естественной радиоактивности вод;
авария на реакторе или вспомогательном оборудовании не вызывает радиоактивного загрязнения окружающей среды; эффективность устройств, установленных с целью предотвращения аварии, была подтверждена практикой работы всех типов АЭС.
Электролитическая коррозия. Известно, что в земле существуют электрические токи, называемые блуждающими. Они могут быть двух видов:
постоянные токи, происходящие от питающих сетей постоянного тока, сетей электротяги (железные дороги или троллейбусы), промышленных установок (электролиз, сварка и т. д.), питаемых выпрямителями;
— переменные токи, вызываемые явлениями индукции, которые могут в известных случаях испытывать на себе эффекты выпрямления (через окисления металлов). За исключением случаев выпрямления, которые редки, переменные токи не производят поляризации и, следовательно, электролиза, и можно утверждать, что переменные блуждающие токи во много раз менее опасны, чем постоянные блуждающие токи.
Блуждающие токи выбирают пути с наименьшим сопротивлением и протекают при этом по металлическим конструкциям (чугунным канализациям, закопанным в землю резервуарам, кабельным оболочкам и т. д.). Нагрев, который они вызывают вследствие джоулева эффекта в конструкциях, практически не опасен. Необходимо следить за тем, чтобы не было разрывов на их пути, в, противном случае имеется опасность диэлектрического пробоя стыков (соединений) и опасность возникновения пожара (и даже взрыва в газо- и нефтепроводах).
Главная опасность — возникновение электролиза на всей металлической поверхности, играющей по отношению к земле роль анода, т. е. в том случае, когда между металлической конструкцией и землей существует положительная разность потенциалов. Это может быть в точках, более или менее удаленных от источника блуждающих токов. Неоднородность земли (с учетом всего того, что в нее закапывается) делает любой расчет практически нереальным, поэтому необходимо дополнительно осуществлять несложные измерения (выявлять разность потенциалов в несколько вольт).
Защита (от блуждающих токов) бывает пассивной и активной; хорошая защита является комбинацией этих обеих защит.
Пассивная защита —это прежде всего хорошая изоляция:
изоляционное покрытие металлических канализаций не имеет перерывов (здесь концентрируются блуждающие токи);
места стыков изоляционных покрытий выполнены с высокой механической прочностью (поскольку они зачастую электрически шунтируются самой землей);
для облегчения прохождения токов Применены заземлители.
Активная защита обеспечивает возврат тока по цепи с сопротивлением более низким, чем суммарное сопротивление защищаемой конструкции и земли. Чтобы ток протекал в нужном направлении, включают выпрямитель (поляризованный электрический дренаж); если при этом разность потенциалов недостаточна, вводят дополнительную эдс последовательно с выпрямителем (отвод тока). Защищаемая конструкция имеет всегда положительное напряжение по отношению к земле и, следовательно, играет роль катода (осуществляется катодная защита).
Замечание. Вышеизложенное относится к постоянным блуждающим токам, а токи таких переходных процессов, как, например, удары молнии, вызывают местные диэлектрические пробои; от этих пробоев можно защититься только с помощью заземлителей с большой поверхностью.
Опасность возникновения пожара. Изоляционные материалы в общем случае являются материалами воспламеняющимися. Поэтому по отношению к электрическим проводкам, осуществляемым в жилых зданиях, существуют правила, накладывающие на изоляцию условия, при выполнении которых она не будет воспламеняться.
На подстанциях, где трансформаторы и масляные выключатели: могут содержать значительные количества воспламеняющегося масла, опасность возникновения пожара существенным образом локализуется, поскольку внутренняя защита этих подстанций включает в себя противопожарные перегородки и устройства гашения, автоматический выпуск масла при окроплении его с помощью огнетушителей.
Питание жилых поселков и особенно зон с плотной застройкой обязывает сооружать трансформаторные подстанции внутри этих зон. Аппаратура этих подстанций, как правило, закрытого типа. Сами же трансформаторы можно выбирать в зависимости от обстоятельств:
сухие трансформаторы, т. е. трансформаторы, изолированные лакобумагой или лакотканью, но находящиеся на воздухе; для того чтобы охлаждение было достаточно эффективным, необходимо предусмотреть промежутки для циркуляции воздуха более широкие, чем для масла, что увеличивает габариты, а следовательно, и стоимость аппаратов при одной и той же номинальной мощности;
трансформаторы, погруженные в аскарель — жидкость, полученную путем смешивания невоспламеняющихся хлорированных бензольных производных продуктов (но разлагающихся при возникновении дуги с выделением углеродных дымов и коррозионных хлорированных паров). Хлорированные жидкости обеспечивают охлаждение аппаратов более эффективное, чем масло, что стимулирует их применение в общественных зданиях (в зрительных залах), где объемы аппаратов должны быть по возможности малыми;
кварцевые трансформаторы, использование которых безопасно даже во взрывоопасной атмосфере (шахты и т. д.); однако они имеют большие объемы и, следовательно, дорого стоят.
Итак, учет опасности возникновения пожара может повлиять на концепцию городских и промышленных сетей.
Опасности, вызываемые электрическим током
Поражения электрическим током. От поражения электрическим током во Франции ежегодно погибает несколько десятков человек. Большинство этих случаев происходит вследствие несоблюдения элементарных условий безопасности.
Надежность изоляции электрического оборудования не может быть полной из-за старения изоляционных материалов и протекания значительных токов, вызываемых авариями. Следовательно, необходимо стараться обеспечить достаточную безопасность всех электрических установок, включая промышленные установки.
Опасность поражения электрическим током, связанная главным образом с прохождением тока через человеческое тело, может вызвать поверхностные или внутренние ожоги, параличи, приводящие к прекращению деятельности мышц грудной клетки, фибрилляцию и остановку сердца, электролиз тканей (в случае постоянного тока). Эти явления зависят от путей, по которым ток следует в человеческом теле, причем наиболее опасным является путь через сердце.
Рис. 7.1. График изменения тока, соответствующего среднему порогу мускульного сокращения, в зависимости от частоты тока
Эффект электрического тока, который зависит от его величины и воздействия на мышцы и сердце, проявляется после определенного токового порога, который меняется с частотой тока и длительностью его приложения, а также зависит от чувствительности конкретного индивидуума.
Минимальное изменение силы тока, вызывающее сокращение мышц в зависимости от частоты тока, воспроизводится на рис. 7.1, изучение которого позволяет констатировать следующие факты:
наиболее опасными являются промышленные частоты (10—500 Гц), тогда как высокие и сверхвысокие частоты (10000 Гц и выше) практически не опасны (за исключением случаев ожогов при больших токах);
дисперсия чувствительности от одного индивидуума к другому велика, она меняется от 1 до 2 для мужчин (случай, представленный на рисунке); соответствующие пороги для женщин равны примерно 2/3 от порогов для мужчин;
токи величиной 10 мА при частоте 50 Гц не ощущаются, а токи, в 2—3 раза большие (20—30 мА), могут рассматриваться как неопасные, какой бы ни была длительность их приложения в большинстве случаев, поскольку при этом сокращение мышц проявляется не настолько, чтобы человек сам не смог освободиться от действия электрического тока, за исключением лишь эмоциональных людей; однако нижний абсолютный предел не определен (некоторые эмоциональные люди имеют признаки поражения электрическим током даже при прикосновении к проводнику, не находящемуся под напряжением) и во всем мире принято считать, что ток 10 мА является пределом.
Опасность увеличивается, когда период тока, проходящего в человеческом теле, превосходит 30 с; ток величиной приблизительно 30 мА приводит к остановке дыхания, а ток 60 мА вызывает фибрилляцию сердца.
В большинстве случаев опасность поражения электрическим током происходит от контакта человека, стоящего на земле (прямой или косвенный контакт), с проводником, как правило, находящимся под напряжением (голый или оголенный провод), или с металлической массой, на которой в результате аварии появляется напряжение из-за разрушения изоляции в относительно близкой точке (проводник, упавший на землю, дефекты изоляции в аппарате и т. д.). Во всех этих случаях при расчетах необходимо знать:
сопротивление человеческого тела, представленного большей частью сопротивлением кожи и, следовательно, очень чувствительного к ее состоянию (наличие ссадин, влажности, мозолей и т. д.); это нелинейное сопротивление, имеющееся при напряжении около 250 В, составляет приблизительно 1000 Ом или даже несколько тысяч ом (особенно при малых напряжениях), иногда оно может уменьшиться до 500 Ом;
сопротивление «заземлителей», позволяющих ограничивать опасность увеличения соответствующих потенциалов; оно может уменьшиться до величины, меньшей 1 Ом в благоприятных случаях; но часто это сопротивление трудно снизить даже до десятков или сотен ом; следовательно, при токах в несколько десятков или сотен ампер могут появляться опасные потенциалы в точках, где их не ожидают (например, вдоль металлических шинопроводов). Сопротивление заземлителя зависит в большей мере от удельного сопротивления земли и формы электрода, который в нее погружают.
Профилактика поражения электрическим током.
Использование очень низких напряжений является самым безопасным решением, поскольку большое сопротивление человеческого тела в этой области напряжения (порядка 5000 Ом) обеспечивает такую величину тока, которая ниже порога чувствительности для любого напряжения, меньше 50 В. Можно использовать напряжение 24 В (и даже 12 В) для электрических игрушек и сетей, расположенных во влажных местах. Имеются и другие области применения таких напряжений (электрические сети автомобилей и т. д.).
Однако использование низкого напряжения ограничивается для питания локализованных сетей малых мощностей. Например, для бытовых потребителей уменьшение падения напряжения во внутренней установке (например, в квартире) было бы слишком дорого.
В общем случае напряжение потребителей определяется экономическими показателями, которым подчинены соображения безопасности.
Применение двойной изоляции аппаратов является самым распространенным решением для электробытовых приборов, а также для переключающих устройств.
Режим нейтрали сетей СН и ВН существен для безопасности установок как по отношению к эксплуатационному персоналу, так и к любому человеку, способному приблизиться к этим установкам (опорам и стойкам, заграждениям подстанций, проводам, упавшим на землю).
Всегда необходимо предусматривать автоматическое устройство защиты, управляющее отключением сети. В самом деле, изоляция нейтрали (сети, достаточно короткие для того, чтобы дуги в них были самогасящимися; см. т. 2, § 4.2) или заземляющие катушки имеют то преимущество, что позволяют поддерживать малое значение аварийного тока. Но при существующем напряжении это может создать опасный градиент, особенно при соприкосновении с аварийным проводом. Существует также опасность двойной аварии (короткого замыкания), требующей быстрого разрыва цепи с помощью автоматической аппаратуры.
Заземление нейтрали в сетях СН и НН облегчает обнаружение и селекцию аварии и позволяет автоматически и достаточно быстро устранить ее. Для этого необходимо, чтобы заземление нейтрали имело достаточно малое сопротивление. Резюмируя эти рассуждения, можно сказать, что безопасность сетей СН и НН требует координации величин заземлителей и устройств, обнаруживающих аварию и управляющих автоматическими защитными устройствами.
Проблема безопасности в сетях НН связана с тем, что эти сети всегда имеют самогашение дуги, и вследствие этого можно было бы думать, что изоляция нейтрали является наилучшим решением. Однако в промышленных сетях (внутризаводских сетях), состоящих из изолированных кабелей, необходимо учитывать и опасность возникновения двойного короткого замыкания. В связи с этим появляется необходимость наблюдения за изоляцией сети НН. Устройство для наблюдения может состоять из сопротивления 5000 Ом, соединенного последовательно с амперметром и периодически переключаемого с одной фазы сети на другую; в соответствии с правилами безопасности в этой цепи должен протекать ток меньше 10 мА. При появлении большего тока (короткое замыкание малой длительности) устройство воздействует на сигнализацию или на соответствующий выключатель сети.
В коммунальных распределительных сетях требуется заземление нейтрали в нескольких точках, желательно близко расположенных к месту присоединения потребителей. Непрерывное наблюдение за качеством заземления трудноосуществимо, и результирующее сопротивление между нейтралью сети и землей, которое должно быть порядка 1 Ом, часто составляет десятки ом.
На подстанциях СН/НН возникает трудная проблема заземления из-за одновременного существования двух уровней напряжения. Безопасность эксплуатационного персонала обеспечивается посредством заземления корпуса и всех металлических частей, экранов и металлических ограждений, соединения их с массой (бак трансформатора, земля).
Когда значительный по величине ток стекает по единственному заземлителю (авария в трансформаторе или срабатывание защиты от ударов молнии), установки на подстанции могут оказаться под большим потенциалом по отношению к земле. Следовательно, необходимо прежде всего устранить соединение нейтрали сети НН с нейтралью сети СН, поскольку значительное повышение сопротивления нейтрали коснулось бы всей сети НН. Но, кроме того, между массами подстанции и сети НН не должно появляться напряжение, способное вызвать пробой изоляции низковольтного оборудования. Из этого следует необходимость:
обеспечения на подстанции надежной изоляции сети НН по отношению к массе и земле СН подстанции;
принятия максимальной величины заземлителя СН, равной часто 30 Ом (в районах с обилием гранита не всегда можно получить такую малую величину, и в дальнейшем будут изучены специальные меры, предпринимаемые в этом случае).
Для потребительских аппаратов разработанные меры безопасности должны устранять появление опасных напряжений между массой этих аппаратов (будь они промышленные или бытовые) и землей или такими точками, между которыми может появиться контакт через человеческое тело.
Лучшим решением в этом случае является получение «эквипотенциальности», осуществляемой с помощью металлической сетки, закопанной в земле (или ее покрывающей), и общего соединения всех масс аппаратов с этой сеткой, образующей эквипотенциальную поверхность (или даже объем). Можно подчеркнуть, что далее решение принято для подстанций ВН или СН энергосистем.
Такие конструкции довольно дороги, и их невозможно осуществить в жилых зданиях. По нормам безопасности можно заземлять массы, соединенные с устройством быстрого отключения. В настоящее время разработаны многочисленные устройства и каждое из них имеет своих сторонников, поскольку все они эффективны при соблюдении обязательных для исполнения условий:
величина «земли безопасности» должна поддерживаться систематически меньшей величины «земли нейтрали» сети НН. Удовлетворительные результаты получаются в том случае, когда у каждого потребителя заземлитель находится и будет находиться в хорошем состоянии. Устройство с таким заземлителей имеет большую стоимость и разработано, например, в Швейцарии;
объединение масс. и нейтрали сети НН на «землю» должно осуществляться при условии, что сопротивление нейтрали сети мало (напряжение не выше нескольких вольт) даже для особых условий (случайное соединение со средним напряжением); это обычно требует использования развитой сети заземлителей (может использоваться, например, сеть водоканализации при обеспечении непрерывности металлических соединений). Такое решение, принятое в ФРГ и США,— единственно возможное для жилых зданий большой высоты. При этом необходимо соединять между собой массы с каркасом здания (металлические или железобетонные каркасы);
если нельзя гарантировать, что напряжение нейтрали НН не превысит по величине 20 В, что типично для Франции, то необходимо предусматривать мгновенное отключение под воздействием
чувствительного датчика. Применение дифференциального детектирования решает эту проблему, используя развивающийся в настоящее время (во Франции и ряде соседних стран) дифференциальный выключатель высокой чувствительности. Широкие эксперименты показали, что для бытовых установок можно принять чувствительность, равную 25 мА, за исключением некоторых устаревших установок, где более или менее рассеянные «токи утечки» превосходят эту величину, или для потребительских аппаратов с плохой изоляцией (диск кухонной электроплиты), которым необходим ремонт.
Заземлители.
Заземлители, удаленные на расстояния в несколько десятков метров, могут рассматриваться как независимые. Это означает, что сопротивление, которое можно измерить между ними, практически равно сумме сопротивлений между одним из. них и «удаленной землей». Более близко расположенные заземлители оказывают влияние друг на друга. Сопротивление заземлителя сконцентрировано в ближнем к нему' объеме земли, поскольку за его пределами эквипотенциальные кривые похожи на сферические поверхности с такими размерами, что сопротивление слоя земли между двумя соседними эквипотенциалами незначительно (разность потенциалов между ними становится малой).
Это сопротивление зависит в первую очередь от удельной проводимости почвы (пропорционально ей в однородной почве). Удельная проводимость очень меняется в зависимости от природы почвы;
несколько Ом на метр (или даже долей ома на метр) для влажных и одновременно засоленных почв;
10 —100 Ом/м для влажных глинистых, мергелевых или даже меловых почв;
200 — 500 Ом/м во влажных кремнистых песках;
1000 — 5000 Ом/м в сухих песчаных или меловых почвах;
более 10 000 Ом/м для гранитных и базальтовых почв при условии, что они плотные (без разломов);
10 — 3000 Ом/м для речных и озерных вод (в зависимости от. их чистоты).
Влияние влажности на удельную проводимость почвы очень сильно и вызывает значительные изменения в зависимости от атмосферных условий.
В общем случае почва может рассматриваться как активное сопротивление. Однако для тех явлений, постоянные времени которых
она может выступать в роли диэлектрика. Здесь е—диэлектрическая проницаемость почвы; f:0 — 0,9 • 10-11 — диэлектрическая проницаемость вакуума; р —удельная проводимость почвы.
Эти соотношения справедливы и при стекании тока от удара молнии, сопровождающегося часто внутренними дугами.
Сопротивление R заземлителя легко рассчитывается, когда он
имеет форму металлической полусферы радиусом а (сечение которого перенесено на поверхность почвы):
Следовательно, напряжение уменьшается вдвое на расстоянии от поверхности электрода, равном его радиусу, что, подтверждает все вышесказанное.
Если заземлитель является сферой радиусом а и помещен в землю на глубину h, то
При более сложных формах заземлителей расчет сопротивления длителен. Однако, учитывая неустранимую неточность определения удельной проводимости р, всегда можно довольствоваться приближенным выражением. Например:
для круговой горизонтальной или вертикальной пластины радиусом а в соответствии с глубиной, на которую она помещена,
для круговой петли диаметром d, образованной проводником радиуса я,
Замечание. Сравнение приведенных формул показывает, что применение пластинки не намного эффективнее, чем кольца того же самого диаметра;
для вертикального металлического электрода радиусом а и длиной /
для прямоугольного проводника длиной /, радиусом а в зависимости от глубины, на которую он погружен,
для лучевого заземлителя, выполненного в виде горизонтальных радиально расположенных проводников, сопротивление, даваемое этой последней формулой, уменьшается в пропорции, близкой к 2/3 для двух «плеч», расположенных под углом 90° друг к другу, к 1/3 для четырех плеч, к 1/6 для шести плеч; увеличение числа плеч свыше шести нецелесообразно.
На практике заземлители выполняют из металлических электродов (их число увеличивают, чтобы уменьшить сопротивление) либо горизонтальных проводов, переплетающихся вокруг них или расходящихся от них по радиусам. Средние внешние размеры, следовательно, ограничены, что не всегда позволяет уменьшить общее сопротивление до желаемой величины. Однако можно улучшить результат, уменьшая удельную проводимость почвы вблизи от заземлителей присадкой (или смачиванием) продукта с хорошей проводимостью. Но эффективность этого способа проявляется не сразу, особенно если нет быстрого растворения (непроницаемый подпочвенный слой, присадки при морозе).
