Перейти на Sec.Ru
Рейтинг@Mail.ru

10 марта 2015

Очень коротко об очень важном, или Моя азбука электропитания. Часть 1

Александр Попов,
начальник отдела маркетинга ООО «Тахион»

 

В своем стремительном развитии рынок ТСБ все больше и больше «рвется в облака» в переносном, а теперь уже и в прямом смысле. Мы говорим об инновационных технологиях сжатия потока видеоданных, о волшебных функциях видеоаналитики, преимуществах IP и о других сложных вещах. И все больше и больше мы отрываемся от нашей грешной земли, то есть перестаем обращать первостепенное внимание на фундаментальные вещи, без учета которых любые уникальные технологии могут быть обречены на полный провал. Это показывает и наш опыт постоянного общения с клиентами, и анализ причин отказов нашего оборудования в уже работающих системах. Да и просто беседы с молодыми коллегами по рынку заставляют сделать вывод, что ситуация с базовыми знаниями становится все хуже и хуже. На то они и базовые, оттого и входят в курс обязательного пока еще среднего образования, что актуальны в очень многих сферах нашей жизни, не ограничиваясь рамками технической системы безопасности.

Какой бы умный дом мы ни рассматривали, перед тем, как этот дом станет умным, его нужно сначала построить. А перед возведением стен необходимо в полном объеме построить так называемый нулевой цикл. Потому что любые просчеты и недоделки в нулевом цикле неизбежно скажутся на процессе 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 системах безопасности такой нулевой цикл тоже есть и требует к себе не меньшего уважения и необходимого вложения средств. И в своих информационных материалах мы очень много внимания уделяли и уделяем именно вопросам «нулевого цикла» систем. Это и вопросы грамотного заземления, и вопросы наводок на длинные линии, и вопросы возникновения опасных наведенных напряжений в линиях. Но, оказывается, мы нигде не говорили о, пожалуй, самом «приземленном» вопросе – вопросе нашего обычного внешнего питания 220 В. Для всех для нас, вероятно, он стал чем-то само собой разумеющимся. Есть розетка, в которую воткнул вилку, и все работает.

Между тем, наша практика как фирмы производителя показывает, что основная причина отказов аппаратуры в системах состоит именно в проблемах с линиями внешнего питания. А теперь признайтесь, много ли кто-либо из вас, уважаемые инсталляторы, перед работой над проектом поинтересовался состоянием электроснабжения оснащаемого вами объекта? Конечно, самый простой путь –решить вопрос формально. 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 ~220 В +10/-15%, 50 Гц». Лично сам эту фразу писал десятки раз. И если случится выход из строя аппаратуры, а то и всей системы, по причине того, что внешнее электропитание не укладывается в «гостовские» рамки, лично вашей вины тут нет. Ну и, конечно, ремонт не будет признан гарантийным.

Тем не менее, представлять, какие угрозы для системы могут исходить от системы внешнего электропитания и каковы причины их возникновения, всегда крайне полезно. Ну, и будет совсем здорово, если в рамках системы безопасности мы сможем принять необходимые меры для защиты от этих угроз или хотя бы для минимизации возможных потерь. Поэтому знания лишними не будут, пригодятся они и просто в повседневной жизни.

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 рисунке 1.

 

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 понимания вопроса на уровне потребителя – это не важно. Провод, соединяющий другой конец обмотки с потребителем, называется линейным (или линией). Обозначается LL1, L2, L3. Провод, соединяющий общую точку обмоток с потребителем, называется нейтралью – N. При четырехпроводной схеме подключения, с которой нам и приходится иметь дело, 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 друг относительно 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 220 В +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 напряжение называется напряжение между проводами линий – U1-2, U1-3, U2-3.

При соединении звездой при симметричной нагрузке:

UL = ν3 × 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.

 

ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА

Самые частые и рядовые безобразия – обрыв линейного провода. Имеется в виду не обрыв в самом бытовом понимании, который бывает достаточно редко, а разрыв линии автоматическими выключателями. Дело в том, что мы далеко не единственные потребители, питающиеся от какой-то конкретной линии. И наше оборудование потребляет совершенно определенный ток, как 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, работоспособность которой обеспечивается специальной аппаратурой обогрева и термостабилизации, и включение питания в условиях низких температур способно вывести технику из строя. Необходимо обеспечить функцию так называемого холодного запуска, смысл которой состоит в том, что питание на собственно теплолюбивую аппаратуру подается только по достижении допустимой рабочей температуры. Функция эта сегодня идет как обязательная опция в абсолютном большинстве оборудования климатической защиты.

Другое дело, 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 в следствие его, и т.д., и т.п. В каждом конкретном случае это будут свои риски, требующие, принятия и конкретных организационных мер. Но это уже не входит в круг технических задач, и рассматривать мы их не будем в рамках этой статьи. 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, тем более, что случается, и довольно часто.

 

ОБРЫВ НЕЙТРАЛИ

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 – рисунок 2.

 

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 одна единственная на все. Естественно, линия эта имеет многочисленные разветвления на всевозможных нулевых шинах, но все «нули» розеток электрически соединены между собой.

Пусть для подключения нашего потребителя (Рпотр.) 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 другая нагрузка (о которой мы ничего не знаем) – Рнагр. Через нее ток пойдет по маршруту G-F-E-D. Через наш потребитель Рпотр. 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 A-B-C-E-F-G, то есть наш потребитель окажется включенным не между фазой и нейтралью, а между двумя линиями фаз. Напряжение на нем резко возрастет и в зависимости от нагрузки в другой линии может достигнуть максимального значения линейного напряжения, т.е. 380 В.

Мы рассмотрели ситуацию с двумя линиями фаз и нейтралью. Когда на объекте присутствуют все три фазы, напряжение в третьей линии также через своих потребителей попадает на нашу линию. И результирующее напряжение может оказаться еще 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 даже полностью вывести аппаратуру из строя, вовсе не означает, что в линии произойдет увеличение величины тока до значения срабатывания автоматического выключателя. Можно задаться целью, 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 сравнение 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 в рабочее состояние потребует фактически его 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, провод нейтрали в силу своей безопасности с точки зрения поражения электрическим током располагается 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 12 V. 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 × R × t,

где t – время, в течение которого по проводнику протекал ток.

Еще одна фундаментальная формула из школьного курса:

R = ρ × L / S

где 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, далеко не пустое множество тех, кто считает, что чем толще проводник, тем сопротивление его 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 рисунке 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 рисунке 3. Рассмотрим только две линии фаз – для понимания этого достаточно.

 

Описание: Рис.3

Рис. 3

 

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, безопасные для своих цепей токи, не вызывающие срабатывание защитных автоматических выключателей в линиях фаз. Однако на участке общего нулевого провода А-В (общей нейтрали) 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. И нередко об этом 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 допускают. 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 этом месте будет еще больше, больше выделяемое тепло, значит, 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, исходя из этого, 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 бесплатный 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 причина пожара 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 25 А (то есть, более 25 А ток в каждой линии быть не может), то подводящий к дому кабель взят 4×6 мм2. А далее однофазные линии выполнены двужильными кабелями в основном 2×2,5 мм2.

И это еще не все, что может и должен знать проектировщик и монтажник слаботочных сетей. В следующем номере журнала мы расскажем еще множество удивительных вещей из области «как делать не надо» и дадим рекомендации, как сохранить работоспособной систему, а иногда и жизнь. Продолжение следует…

 

Опубликовано в ж. «Алгоритм Безопасности», 3/14

Просмотров: 878

Ваши комментарии:

Для того, чтобы оставлять коментарии, Вам нужно авторизоваться на Sec.Ru. Если У Вас еще нет аккаунта, пройдите процедуру регистрации.


Информация

  • Снимай крутую видеорекламу - выкладывай на Sec.Ru!

    Рекламный ролик - один из самых эффективных способов донесения информации. И он отлично подходит для рекламирования любой продукции, в т.ч. и продукции рынка систем безопасности.
    Поэтому редакция Портала решила составить свой рейтинг лучших рекламных видеороликов. Все они разные и все чем-то покоряют: красотой, задумкой, стилем съемки, посылом, необычным финалом.
    Некоторые из них язык не повернется назвать иначе как шедевром короткого метра. Смотрим, наслаждаемся, делаем заметки, учимся творить рекламу правильно.
    Если Вы хотите выложить видеоролик о своей продукции на Sec.Ru, пишите о своем желании на adv@sec.ru!

    Картинка: Jpg, 100x150, 16,47 Кбайт

    Мотор!

Отраслевые СМИ

Все права защищены 2002 – 2017
Rambler's Top100 �������@Mail.ru