» »

Меры защиты людей от поражения электрическим током. Основные меры защиты от поражения электрическим током

Опасность поражения электрическим током характерна тем, что человек не может посредством своих органов чувств обнаружить на расстоянии наличие напряжения, и обнаруживает его в момент поражения. Действие электрического тока на человека может привести к двум видам поражений: электротравма и электроудар.

Электрические травмы - это местные поражения тканей организма, которые делятся на электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи и механические повреждения.

Электрические ожоги возникают при прохождении через тело человека значительных (более 1А) токов. При этом выделяется тепло достаточное для нагрева тканей тела человека до температуры 60-70 град. , при которой свертывается белок и возникает ожог. Ожоги проникают глубоко в ткани тела и требуют длительного лечения, а иногда приводят к инвалидности. При напряжении выше 1000В ожоги могут возникать без контакта человека с токоведущими частями при возникновении искрового заряда переходящего в электрическую дугу. Температура дуги достигает 4000 град.

Механические повреждения - это повреждения, полученные в результате непосредственного действия электрического тока и последующего падения или удара (потеря сознания, равновесия). Следствием падения с высоты на землю могут быть переломы костей, вывихи, ушибы тела и повреждения внутренних органов, при падении в воду пострадавший может утонуть. Иногда случается вывих и переломы костей из-за судорожного сокращения мышц в момент электротравмы.

Электрический удар - общее поражение, представляет наибольшую опасность. Электрическим ударом называется такое действие тока на организм человека, в результате которого мышцы тела (рук, ног) начинают судорожно сокращаться. В тяжелых случаях теряется сознание и нарушается работа сердечно-сосудистой системы, что ведет к смертельному исходу.

Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.

Основные способы и средства электрозащиты:

ь изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный контроль;

ь установка оградительных устройств;

ь предупредительная сигнализация и блокировки;

ь использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;

ь использование малых напряжений;

ь электрическое разделение сетей;

ь защитное заземление;

ь выравнивание потенциалов;

ь зануление;

ь защитное отключение;

ь средства индивидуальной электрозащиты.

Защитными средствами называют приборы, аппараты, устройства, предназначенные для защиты того, кто работает на электроустановках, от поражения электрическим током, от воздействия электрической дуги и продуктов горения.

Все защитные средства делятся на основные и дополнительные.

К основным относятся средства, изоляция которых надежно выдерживает рабочее напряжение электроустановок; с помощью них можно прикасаться к токоведущим частям, находящихся под напряжением. Основными защитными средствами в электроустановках до 1000 В являются диэлектрические перчатки, инструмент с изолирующими ручками, указатели напряжения.

Дополнительными защитными средствами называют такие, что сами по себе не могут при данном напряжении гарантировать безопасность и является дополнительным средством защиты к основным средствам, а также предназначенные для защиты от напряжения во время касания. К ним относятся диэлектрические резиновые коврики, диэлектрические калоши и изолирующие подставки.

Все защитные средства во время хранения должны быть защищены от механических повреждений, загрязнения и увлажнения.

Перед использованием защитных средств необходимо проверить срок действия, исправность и отсутствие внешних повреждений, очистить от пыли.

Защитные средства, которые эксплуатируются, должны проходить испытания на предприятии или ближайшей подстанции.

Периодические испытания проводят: для диэлектрических перчаток один раз в 6 месяцев, для указателей напряжения, инструментов с изолирующими ручками один раз в год; для резиновых диэлектрических ковриков один раз в 2 года.

Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.

Основные способы и средства электрозащиты:

Изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный кон-троль;

Установка оградительных устройств;

Предупредительная сигнализация и блокировка;

Использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;

Использование малых напряжений;

Электрическое разделение сетей;

Защитное заземление;

Выравнивание потенциалов;

Зануление;

Защитное отключение;

Средства индивидуальной электрозащиты.

Изоляция токопроводящих частей - одна из основных мер электробезопасности. Согласно ПУЭ сопротивление изоляции токопроводящих частей электрических установок относительно земли должно быть не менее 0,5- 10 МОм. Различают рабочую, двойную и усиленную рабочую изоляцию.

Рабочей называется изоляция, обеспечивающая нор-мальную работу электрической установки и защиту персонала от поражения электрическим током. Двойная изоляция, со-стоящая из рабочей и дополнительной, используется в тех слу-чаях, когда требуется обеспечить повышенную электробезопас-ность оборудования (например, ручного электроинструмента, бытовых электрических приборов и т.д.).

Сопротивление двой-ной изоляции должно быть не менее 5 МОм, что в 10 раз пре-вышает сопротивление обычной рабочей. В ряде случаев рабо-чую изоляцию выполняют настолько надежно, что ее электросо-противление составляет не менее 5 МОм и потому она обеспечивает такую же защиту от поражения током, как и двой-ная. Такую изоляцию называют усиленной рабочей изоляцией.

При замыканиях тока на конструктивные части электрооборудования (замыкание на корпус) на них появляются напряже-ния, достаточные для поражения людей или возникновения по-жара. Осуществить защиту от поражения электрическим током и возгорания в этом случае можно тремя путями: защитным за-землением, занулением и защитным отключением.

Защитное заземление - это преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих час-тей электрооборудования, которые в обычном состоянии не на-ходятся под напряжением, но могут оказаться под ним при слу-чайном соединении их с токоведущими частями.


Рассмотрим схему действия защитного заземления на приме-ре трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 9.2).

Рисунок 9.2 - Схема работы защитного заземления:

R из - сопротивление изоляции каждой из фаз относительно земли

Если человек прикоснется к заземленной электроустановке, находящейся под напряжением, то он попадет под напряжение прикосновения, определяемое по формуле

U пр =a 1 I з R з , (9.10)

где a 1 - коэффициент напряжения прикосновения или просто коэффи-циент прикосновения (a 1 < 1 и зависит от вида заземлителя);

I з - ток замыкания, А;

R з - сопротивление защитного заземления, Ом.

Ток, проходящий через тело человека, попавшего под на-пряжение прикосновения (, А), составит

где R с - сопротивление растеканию тока в земле, зависящее от удельного со-противления земли и сопротивления подошвы обуви человека, Ом.

Если человек находится в условиях высокой влажности (R c ® 0), предыдущую формулу можно упростить

Рассчитаем для случая, если I 3 = 4 А, R з = 4 Ом и a пр = 0,4 (контурный заземлитель):

Этот ток безопасен для человека, так как не превышает значения неотпускающего тока (10 мА).

Таким образом, принцип действия защитного заземления за-ключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения (и напряжения шага), вызванных замыканием на корпус.

Защитному заземлению (занулению) подвергают металличе-ские части электроустановок и оборудования, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, например, корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников, каркасы распределительных щитов, металличе-ские трубы и оболочки электропроводок, а также металлические корпуса переносных электроприемников. Обязательно заземляют электроустановки, работающие под напряжением 380 В и выше переменного тока и питающиеся от источника постоянного тока с напряжением 440 В и выше. Кроме того, в помещениях повышенной и особой опасности за-земляют установки с напряжением от 42 до 380 В переменного тока и от 110 до 440 В постоянного тока.

Заземляющее устройство - это совокупность заземлителя - металлических проводников, соприкасающихся с землей, и зазем-ляющих проводников, соединяющих заземляемые части электро-установки с заземлителем. В зависимости от взаимного располо-жения заземлителей и заземляемого оборудования различают вы-носные (рис.9.3) и контурные (рис.9.4) заземляющие устройства. Первые из них характеризуются тем, что заземлители вынесены за пределы пло-щадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или со-средоточены на некоторой части этой площадки.

Контурное заземляющее устройство, заземлители которого располагаются по контуру (периметру) вокруг заземляемого оборудования на небольшом расстоянии друг от друга (несколько метров), обеспечивает лучшую степень защиты, чем предыдущее.

Рисунок 9.3 - Схема выносного заземления:

1 - заземлители; 2 - заземляющие проводники; 3 - заземляемое оборудование; 4 - производственные здания

Рисунок 9.4 - Схема контурного заземления:

1 - заземлители; 2 - заземляющие проводники; 3 - заземляемое оборудование; 4 - производственное здание

Заземлители бывают искусственные , которые используются только для целей заземления, и естественные , в качестве кото-рых используют находящиеся в земле трубопроводы (за исклю-чением трубопроводов горючих жидкостей или газов), метал-лические конструкции, арматуру железобетонных конструкций, свинцовые оболочки кабелей и др. Искусственные заземлители изготавливают из стальных труб, уголков, прутков или полосо-вой ткани.

Требования к сопротивлению защитного заземления регла-ментируются ПУЭ. В любое время года это сопротивление не должно превышать:

4 Ом - в установках, работающих под напряжением до 1000 В; если мощность источника тока составляет 100 кВ×А и менее, то сопротивление заземляющего устройства мо-жет достигать 10 Ом;

0,5 Ом - в установках, работающих под напряжением вы-ше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью. Наибольшее сопротивление заземляющего устройства (R ,Ом) не должно быть более 250/I 3 (но не более 10 Ом) в установках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью. При использовании заземляющего устройства одновременно для ус-тановок напряжением до 1000 В, R не должно быть более 125/I 3 (но не более 4 или 10 Ом соответственно). В этих формулах I 3 - ток замыкания на землю, А.

Защитное зануление предназначено для защиты в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, рабо-тающих под напряжением до 1000 В, так как в этих сетях ис-пользование защитного заземления неэффективно. Обычно это сети 220/127, 380/220 и 660/380 В.

Рассмотрим действие защитного зануления подробнее. Пусть имеется трехфазная трехпроводная сеть, работающая под напря-жением до 1000 В с заземленной нейтралью (рис. 9.5).

Рисунок 9.5 - Схема трехфазной трехпроводной сети до 1000 В с заземленной нейтралью

Если в такой схеме одна из фаз будет замкнута на корпус электропроводки (показана на схеме молниеобразной стрелкой), то величина тока (I 3 , А), протекающего в сети, определится из следующей зависимости

где U Ф - фазное напряжение, В;

R 0 - сопротивление заземления нейтрали, Ом;

R 3 - сопротивление корпуса электроустановки, Ом.

При этом на корпусе электроустановки возникает напряже-ние относительно земли (U к ), определяемое следующей форму-лой

Рассчитаем величину тока короткого замыкания (I 3 , А) для значений U ф = 220В и R 0 = R 3 = 4 Ом:

Ток короткого замыкания I 3 может оказаться недостаточным для срабатывания защиты, и электроустановка может не отклю-читься. Корпус электроустановки находится под опасным на-пряжением. Если человек случайно прикоснется к корпусу элек-троустановки, находящейся под этим напряжением, то ток, про-текающий через тело человека, составит

где a пр - коэффициент напряжения прикосновения.

Если a пр = 1 и U к = 110 В, то I чел = 110/1000 = 0,11 А = 110 мА. Этот ток превышает значение фибрилляционного, поэтому яв-ляется смертельно опасным. Таким образом, защитное заземле-ние в этом случае не обеспечивает надежной защиты человека, поэтому используют не заземление, а зануление.

Занулением называют способ защиты от поражения током автоматическим отключением поврежденного участка сети и одновременно снижением напряжения на корпусах оборудования на время, пока не сработает отключающий аппарат (плавкие предо-хранители, автоматы и др.). Зануление — это преднамеренное соединение с нулевым защитным проводником металлических нетокопроводяших частей, которые могут оказаться под напря-жением (рис. 9.6).

Проводник (1), который соединяет зануляемые части элек-троустановки с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора, называют нулевым защитным. Назначение этого проводника заключается в создании для тока короткого замыкания электрической цепи с малым электросопротивлением (цепь обозначена на рисунке цифрами I - II- III - IV - V), чтобы данный ток был достаточен для быстрого отключения по-вреждения от сети. Это достигается срабатыванием элемента за-щиты сети от тока короткого замыкания (на рисунке этот эле-мент обозначен цифрой 2).

Цепь зануления I - II - III - IV - V имеет очень малое электрическое сопротивление (доли Ом). Ток короткого замы-кания, возникающий при замыкании на корпус и проходящий по цепи зануления, достигает большого значения (нескольких сотен ампер), что обеспечивает быстрое и надежное срабатыва-ние элементов защиты.

Рисунок 9.6 - Схема работы зануления:

1 - нулевой защитный проводник; 2 - срабатываемый элемент защиты; 3 - повторное заземление нулевого провода

Для устранения опасности обрыва нулевого провода устраи-вают его повторное многократное рабочее заземление через ка-ждые 250 м.

Основное требование безопасности к занулению: оно должно обеспечивать надежное и быстрое срабатывание защиты. Для этого необходимо выполнение следующего условия I кз ³ k I ном, где I ном - номинальное значение тока, при котором происходит сраба-тывание элемента защиты; k - коэффициент, характеризующий кратность тока короткого за-мыкания относительно номинального значения тока, при ко-тором срабатывает элемент защиты.

Время срабатывания элементов защиты зависит от силы то-ка. Так, для плавких предохранителей и тепловых автоматов при k = 10 время срабатывания предохранителя составляет 0,1 с, а при k = 3 - 0,2 с. Электромагнитный автоматический выключа-тель обесточивает сеть за 0,01 с. Согласно требованиям ПУЭ в помещениях с нормальными условиями k должен находиться в пределах 1,2- 3, а во взрывоопасных помещениях k = 1,4- 6.

Еще одна система защиты - защитное отключение - это защита от поражения электрическим током в электроустановках, работающих под напряжением до 1000 В, автоматическим отключением всех фаз аварийного участка сети за время, допустимое по условиям безопасности для человека.

Основная характеристика этой системы - быстродействие, оно не должно превышать 0,2 с. Принцип защиты основан на ограничении времени протекания опасного тока через тело человека. Существуют различные схемы защитного отключения, одна из них, основанная на использовании реле напряжения, представлена на рисунке 9.7.

В передвижных установках напряжением до 1000 В;

Для отключения электрооборудования, удаленного от ис-точника питания, как дополнение к занулению;

В электрифицированном инструменте как дополнение к защитному заземлению или занулению;

В скальных и мерзлых фунтах при невозможности выпол-нять необходимое заземление.

Рисунок 9.7 - Схема защитного отключения:

1 - корпус электроустановки; 2 - автоматический выключатель; 3 - отключающая катушка; 4 - сердечник катушки; 5 - реле максимального напряжения; R 3 - сопротивление защитного заземления; I 3 - ток замыкания; I р - ток, протекающий через реле; R в - сопротивление вспомогательного заземления

К организационным мероприятиям, обеспечи-вающим безопасную эксплуатацию электроустановок отно-сятся оформление соответствующих работ нарядом или распо-ряжением, допуск к работе, надзор за проведением работ, стро-гое соблюдение режима труда и отдыха, переходов на другие работы и окончания работ.

Нарядом для проведения работы в электроустановках назы-вают составленное на специальном бланке задание на ее безопасное производство, определяющее содержание, место, время начала и окончания работы, необходимые меры безопасности, состав бригад и лиц, ответственных за безопасность выполнения работ. Распоряжением называют то же задание на безопасное производство работы, но с указанием содержания работы, места, времени и лиц, которым поручено ее выполнение.

Все работы на токопроводящих частях электроустановок под напряжением и со снятием напряжения выполняют по наряду, кроме кратковременных работ (продолжительностью не более 1 ч), требующих участия не более трех человек. Эти работы вы-полняют по распоряжению.

К организационным мероприятиям также относятся обуче-ние персонала правильным приемам работы с присвоением ра-ботникам, обслуживающим электроустановки, соответствующих квалификационных групп.

Важным вопросом электробезопасности является защита от удара молний, или молниезащита . Молниезащита - это система защитных устройств и меро-приятий, применяемых в промышленных и гражданских соору-жениях для защиты их от аварии, пожаров при попадании в них молнии. Молния - особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого - атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком.

Различают три типа воздействия тока молнии: прямой удар, вторичное воздействие заряда молнии и занос высоких потен-циалов (напряжения) в здания. При прямом разряде молнии в здание или сооружение может произойти его механическое или термическое разрушение. Последнее проявляется в виде плавле-ния или даже испарения материалов конструкции.

Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкну-тых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропровод-ках и др.), расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие или взры-воопасные вещества. К этим же последствиям может привести и занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металло-конструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений под действием молнии.

Для защиты от действия молнии устраивают молниеот-воды (громоотводы). Это заземленные металлические конст-рукции, которые воспринимают удар молнии и отводят ее ток в землю. Различают стержневые и тросовые молниеотводы. Их защитное действие основано на свойстве молний поражать наибо-лее высокие и хорошо заземленные металлические конструкции.

Молниеотводы характеризуются зоной защиты, которая оп-ределяется как часть пространства, защищенного от удара мол-нии с определенной степенью надежности. В зависимости от степени надежности зоны защиты могут быть двух типов — А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N ). Если величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (сте-пень надежности защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N £ 1 принимают зону защиты типа В (степень на-дежности этой защиты - 95% и выше).

Содержание:

Согласно российской статистики, количество смертельных поражений в результате воздействия электрического тока составляют примерно 2,7% от общего количества всех смертельных случаев. Чаще всего причиной травматизма становятся электроустановки, работающие под напряжением до 1000 вольт. Это обусловлено их широким применением и контактами с ними большого количества людей, не имеющих специальной подготовки в области электротехники.

Опасное состояние электрооборудования невозможно определить без специальных приборов. Поэтому при работе с ним огромное значение приобретают средства защиты от поражения электрическим током.

Воздействие тока на человеческий организм

Для того чтобы правильно использовать защитные средства, необходимо знать, какое влияние оказывает электрический ток на человека. Прежде всего, человеческий организм подвергается термическому, биологическому и химическому воздействию. Довольно часто оно сопровождается вторичными травмами. Все это приводит не только к местным повреждениям тканей, но и к общему нарушению функций организма.

В результате биологического воздействия страдают жизненно важные органы, такие как сердечно-сосудистая и центральная нервная система. В основе их нормального функционирования лежат электрические процессы, поэтому внешнее действие электрического тока приводит к разрушению и физиологической несовместимости с ним.

Высокочастотные токи могут оказывать термическое воздействие. Источниками могут стать металлические предметы и резисторы, нагретые током, оголенные токоведущие части, электрическая дуга и другие факторы. Под действием тока организм человека подвергается химическому воздействию. В его состав входят полярные и неполярные молекулы, анионы и катионы. Все они совершают хаотические непрерывные тепловые движения, обеспечивающие жизнедеятельность всех органов и систем. Под хаотическое движение заменяется строго ориентированным перемещением ионов и молекул, что приводит к нарушению нормальной работе организма.

Как избежать поражения электротоком

Мероприятия по обеспечению электробезопасности определены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ). В первую очередь блокируются и ограждаются токоведущие части, ограничивается свободный доступ к ним. Данные средства очень эффективны при случайном попадании в опасную зону или, когда человек соприкоснулся с токоведущими частями оборудования.

В помещениях, где находятся , выделяются опасные зоны путем установки ограждений, высотой не менее 1,7 м. Ограждение открытых площадок должно иметь высоту 2 метра и более. Система блокировки предусматривает определенные действия по отключению или снятию напряжения с токоведущих частей. В результате, человек просто не сможет попасть в опасную зону. Обычно электроустановки блокируются во время открытия дверей, снятия ограждений и других работ, в процессе которых возникает свободный доступ к опасным местам.

Одной из действенных мер является использование малого напряжения, до 42 ватт. Оно применяется в переносном и местном освещении, в ручном инструменте и других местах. Кроме того, обеспечивается местное стационарное освещение в помещениях с повышенной и высокой степенью опасности. Замкнутые металлические емкости освещаются светильниками, напряжением, не превышающим 12 вольт.

Довольно часто используется метод электрического разделения сетей на отдельные участки. С этой целью применяются разделительные трансформаторы, разделяющие сети с нейтралью и сети, подающие питание к приемнику. Сети питания и приемника связаны между собой с помощью магнитных полей. При этом сам приемник и участок его сети не связаны с землей. Трансформатор обеспечивает питание лишь одного приемника, при силе тока, не превышающей 15 ампер.

Корпуса приборов и установок оборудуются защитным заземлением. В этом случае их нетоковедущие металлические части соединяются с землей с помощью специальных конструкций. Данные системы устраняют опасность поражения током, если человек неосторожно прикоснулся к токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Если возникла опасность поражения электрическим током, применяется защитное отключение сети в период времени, не превышающий 0,2 секунды. Для этих целей используются специальные устройства защитного отключения. Они оборудуются чувствительным элементом, реагирующим на изменяющиеся параметры подконтрольного напряжения. В результате, происходит отключение необходимого участка цепи. Срабатывание УЗО происходит в случае непосредственного касания человеком токоведущих частей.

Специальные защитные средства

Помимо общих мероприятий, существуют конкретные средства, защищающие от поражения электрическим током. По своему назначению все средства могут быть изолирующими, ограждающими и вспомогательными. Основной функцией изолирующих средств является изоляция людей от токоведущих частей установок, находящихся под напряжением. Кроме того, обеспечивается изоляция от земли при одновременном соприкосновении с токоведущими и заземляющими частями.

Основные изолирующие средства защиты, применяемые в установках до 1000 вольт, состоят из диэлектрических перчаток, клещей для измерения тока и замены предохранителей, слесарно-монтажного инструмента, оборудованного изолирующими рукоятками, указателей напряжения.

Для электроустановок с напряжением более 1000 вольт в качестве основных защитных средств используются измерительные и изолирующие штанги, указатели напряжения и токоизмерительные клещи. Кроме того, применяются различные виды съемных изолирующих лестниц и вышек. Дополнительные изолирующие средства представлены ботами, галошами, специальными подставками с фарфоровыми изоляторами.

Основным назначением ограждающих защитных устройств является временное ограждение токоведущих частей, которые находятся под напряжением. Чаще всего практикуется использование барьеров, щитов, ограждений в виде клеток. Применение временных полностью исключает возникновение напряжения на отключенном оборудовании.

Назначение вспомогательных средств состоит в защите работающего персонала от случайных падений с высоты, повреждений глаз и других жизненно важных органов. С этой целью применяются страхующие канаты, когти, предохранительные пояса, рукавицы, защитные очки, специальные костюмы и прочее.

При составлении проекта вопросы безопасности обязательно согласовываются со всеми надзорными органами, в строгом соответствии с ПУЭ. Однако в процессе эксплуатации соблюдение мер электробезопасности зависит от конкретных людей - организаторов и исполнителей работ. Поэтому средства защиты от поражения электрическим током приобретают огромное значение в деле обеспечения безопасных условий труда.

Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.

Рабочее заземление (преднамеренное соединение с землей какой-либо точки электроустановки) предназначено для обеспечения работы ее в нормальном и аварийном режимах. Оно обеспечивает соединение с заземлителем нейтральных точек силовых трансформаторов или генераторов (с помощью заземляющих проводников), т.е. при непосредственном соединении их с заземлителем или через малое активное сопротивление (в несколько Ом) нейтрали либо соединение нейтралей через трансформатор тока. Проводники и заземлители обычно изготавливаются из низкоуглеродистой стали.

Заземлители в виде штырей, вбиваемых в землю, называют электродами, которые могут быть одиночными или групповыми. Заземлитель имеет характеристики, обусловленные стеканием по нему тока в землю: напряжение на заземлителе; изменение потенциалов точек в земле вокруг заземлителя в зависимости от их расстояния от заземлителя в зоне растекания тока – вид потенциальной кривой; вид линий равного потенциала – эквипотенциальных линий на поверхности земли; сопротивление заземляющего устройства; напряжения прикосновения и шага.

В электроустановках с рабочим напряжением до 1000 В широко распространена трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью ; стандартными напряжениями в этих сетях являются напряжения 220/127 , 380/220 , и 660/380 В .

Защитное заземление применяется для защиты обслуживающего персонала от опасного напряжения при прикосновении к электроустановке (напряжения прикосновения ), оно начинает действовать с момента повреждения её изоляции.

Подобное заземление необходимо для электроустановок при напряжениях 500 В и выше переменного и постоянного токов, при напряжениях 36 В и выше переменного и 110 В постоянного токов в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках, при всех напряжениях переменного и постоянного токов во взрывоопасных помещениях.

Части электроустановок (корпуса электрических машин, трансформаторов, электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов и т.д.) во время аварийных режимов могут оказаться под напряжением и в случаях прикосновения к ним вызывать поражение электрическим током, поэтому они подлежат заземлению. Заземление электроустановок не требуется при номинальных напряжениях 36 В и ниже переменного и 110 В и ниже постоянного тока во всех случаях, за исключением взрывоопасных установок.

Шаговое напряжение (напряжение шага) возникает между ногами человека, стоящего на земле, из-за разности потенциалов на поверхности земли при растекании в земле тока замыкания на землю. Напряжение шага отсутствует, если человек стоит на линии равного потенциала или вне зоны растекания тока, т.е. на расстоянии более 20 м от заземлителя.

Для заземления могут быть использованы детали уже существующих сооружений, которые называются естественными заземлителями:

Металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;

Металлические трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов;

Свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;

Обсадные трубы скважин и т.д.

Наименьшие размеры электродов искусственных заземлителей:

В качестве заземляющих и нулевых проводников, соединяющих корпуса оборудования с заземлителями, могут применяться:

Специальные проводники;

Металлические конструкции оборудования и зданий;

Стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей;

Металлические открыто расположенные трубопроводы всех назначений, за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов, канализации и центрального отопления.

Проводники присоединяют к корпусам оборудования сваркой или болтовым соединением с обеспечением доступности для контроля или переделки при ухудшении контакта. Последовательное включение в цепь заземления или зануления отдельных корпусов оборудования запрещается.

Зануление предусматривает глухое заземление нейтрали источника или трансформатора трехфазного тока, одного вывода источника однофазного тока, наличие нулевого провода и его повторного заземления.

Заземление нейтрали источника имеет целью понизить напряжение на корпусах оборудования и на нулевом проводе, с которым эти корпуса соединены, до безопасного значения при замыкании фазного проводника на землю.

Повторное заземление нулевого провода предназначено для снижения напряжения на корпусах оборудования при замыкании фазы на корпус как при исправном, так и при оборванном нулевом проводе.

Зануление в электроустановках до 1000 В применяется в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью трансформатора или генератора, в сетях с заземленным выводом источника однофазного тока, в сетях с заземленной средней точкой источника постоянного тока, зануление выполняется в тех же случаях, что и защитное заземление.

Защитное отключение – защита от поражения электрическим током путем отключения электроустановки при появлении опасности замыкания на корпус оборудования или непосредственно при касании токоведущих частей человеком. Устройство защитного отключения (УЗО) состоит из чувствительного элемента, реагирующего на изменение контролируемой величины, и исполнительного органа, отключающего соответствующий участок цепи.

УЗО применяется в электроустановках напряжением до 1000 В с изолированной или глухозаземленной нейтралью в качестве основного или дополнительного технического способа защиты, если безопасность не может быть обеспечена путем применения заземления или зануления или если заземление или зануление не могут быть выполнены по некоторым причинам.

Малое напряжение (не более 42 В между фазами и по отношению к земле) применяется для ручного инструмента, переносного или местного освещения в любых помещениях и вне их. Оно применяется также в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных для питания светильников местного стационарного освещения, если они расположены на высоте менее 2,5м.

Распространено в применении напряжение 36В, а в замкнутых металлических емкостях должно применяться напряжение не более 12 В.

Электрозащитные средства и предохранительные приспособления Согласно ПТУ, защитными средствами называются приборы, аппараты и устройства, переносные и перевозимые приспособления и устройства, а также отдельные части устройств, приспособлений и аппаратов, служащие для защиты персонала, работающего на электроустановках, от поражения электрическим током.

Все защитные средства делятся на основные и дополнительные.

Основными защитными средствами называются такие, которые надежно выдерживают рабочее напряжение электроустановки и при помощи которых допускается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением. К ним относятся (в электроустановках до 1000 В): диэлектрические перчатки, инструмент с изолированными рукоятками, указатели напряжения, изолирующие клещи.

Дополнительными защитными средствами являются такие, которые сами не могут обеспечить безопасность при касании токоведущих частей - это диэлектрические галоши, диэлектрические резиновые коврики, изолирующие подставки.

К предохранительным приспособлениям относят предохранительные пояса (для удержания работающего на высоте), монтерские когти, лазы.

Раздел III Электроника

Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которая связана с применением электронных приборов и устройств в различных отраслях промышленности и обслуживанием этих отраслей электронными устройствами измерения, контроля управления, преобразования электрической энергии, а также электронными технологическими установками.

В промышленной электронике можно выделить три области:

1. Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройства управления различными объектами и технологическими процессами.

2. Энергетическая электроника связана с устройствами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства.

3. Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т. д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т. д.).

Главными свойствами, обусловливающими широкое применение электронных устройств, являются высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.

Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства в конце ХIХ – начале ХХ веков.

Краткая хронология изобретений:

1904 г. – создание двухэлектродного электровакуумного прибора – диода и применение его в качестве детектора в радиоприемных устройствах (Я. Флеминг, Англия);

1907 г. – создание трехэлектродной электронной лампы – триода, позволяющей усиливать и генерировать электрические колебания (Ли де Форест, США);

1948 г. – изобретены полупроводниковые транзисторы на основе германия (Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли, США);

1958 г. – созданы первые интегральные схемы (Д. Килби, Р. Нойс, США);

1962 г. – начат промышленный выпуск интегральных микросхем.

Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последнее время явилась интегральная микроэлектроника . Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 40-х годов созданием тонкопленочных деталей на основе технологии внесения микропримесей. Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии.

Полупроводниковые приборы

Полупроводники занимают промежуточное место между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами). Для изготовления полупроводниковых приборов применяются германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др.

В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок – составляет лишь 10 16 – 10 18 на 1 см 3 вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов и дырочной при преобладании дырок – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием , а соответствующие полупроводниковые материалы – легированными .

В качестве легирующих примесей применяют элементы третьей и пятой групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы третьей группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы пятой группы – электронную электропроводность и называются донорными примесями.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называют p-n- переходом.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

При соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника п -типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводников р -типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением – запирающий слой . Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.

Если подключить внешнее (открывающее ) напряжение к p-n- переходу так, что по нему будет протекать сравнительно большой прямой ток (сопротивление p-n- перехода резко снижается, запирающий слой исчезает), то переход будет открыт . Сопротивление открытого p-n- перехода будет определяться только сопротивлением полупроводника.

При изменении знаков приложенного напряжения, то есть при подаче обратного (запирающего или закрывающего ) напряжения, сопротивление запирающего слоя резко возрастает и возникает при этом небольшой обратный ток. Обратный ток значительно меньше прямого и слабо зависит от величины обратного напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода представлена на рис.1. Из анализа ВАХ следует основное свойство p-n- перехода – односторонняя проводимость.

Рис. 6.1. Вольтамперная характеристика p-n- переход

При большом обратном напряжении возникает резкий рост обратного тока через p-n- переход. Это явление называют пробоем . Различают лавинный, тепловой и туннельный пробои.

Лавинный пробой возникает при большом обратном напряжении, создающем в p-n- переходе увеличенную напряженность электрического поля.

Тепловой пробой возникает вследствие разогрева p-n- перехода, при этом резко возрастает число неосновных носителей, что увеличивает обратный ток и вызывает дополнительное увеличение температуры перехода.

Туннельный пробой обуславливается туннельным эффектом, возникающим в сильнолегированных, тонких p-n- переходах, внутри которых велика напряженность электрического поля и высока вероятность туннельного перехода. Как правило, только тепловой пробой вызывает необратимые изменения параметров диода. Лавинный и туннельный пробои не разрушают p-n- переход, если они не сопровождаются тепловым пробоем.

Свойства чистых и легированных полупроводников и характеристики p-n- перехода широко используют в двухэлектродных полупроводниковых приборах - полупроводниковых резисторах и диодах .

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.

В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. У линейных резисторов (рис. 6.2, а), выполненных на основе слаболегированного кремния или арсенида галлия, сопротивление практически постоянно

а б в г

в широком диапазоне изменения напряжений и слабо зависит от условии внешней среды. В варисторах используется, наоборот, нелинейная симметричная вольт-амперная зависимость (рис. 6.2, б). Такую характеристику удается получить у резисторов, изготовленных, например, из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Варисторы применяют для защиты от перенапряжений, искрогашения, стабилизации напряжения и т. д.

Полупроводниковые приборы, которых при изменении температуры можно получить значительное изменение сопротивления, называют терморезисторами (рис. 6.2, в). Относительное изменение сопротивления полупроводниковых элементов при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления ТК R:

ТК R = , (1.1)

где R иΔR - сопротивление и приращение сопротивления, Ом; ΔT - приращение температуры, ° С.

Терморезисторы, которые имеют отрицательные значения TKR в широком диапазоне изменения температуры, называют термисторами. Терморезисторы, имеющие большие положительны значения ТК R в узком диапазоне изменения температуры, называют позисторами .

Терморезисторы применяют для измерения, контроля и регулирования температуры, тепловой защиты электродвигателей, противопожарной сигнализации, контроля различных свойств окружающей среды, влияющих на теплоотдачу (уровень жидкости и сыпучих материалов, стен и газов), и т.д.

В полупроводниковых приборах называемых тензорезисторами , используется зависимость сопротивления полупроводниковой пластины от деформации (рис. 6.2, г). Тензорезисторы позволяют измерять и контролировать деформации различных строительных деталей и конструкций.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Электрод, подключенный к р -области, часто называют анодом , а электрод, соединенный с п -областью – катодом . На рис. 6.3 показана структура, условное обозначение полупроводниковых диодов и полярность прямого напряжения.

Все полупроводниковые диоды подразделяют на два класса: точечные и плоскостные . Точечные диоды используют в основном для выпрямления.

Выпрямительные диоды (рис. 6.3, а) предназначены для выпрямления переменного тока. Данные приборы обеспечивают большую величину прямого тока и выдерживают повышенные обратные напряжения. Диоды малой и средней мощности используются в источниках питания компьютеров и другой радиоэлектронной аппаратуре. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах. Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления , равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

Стабилитрон (рис. 6.3, б) - полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет участок лавинного пробоя. Стабилитроны широко используются в источниках питания для получения стабильных выходных напряжений.

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, вольтамперная характеристика которого при прямом напряжении имеет участок с отрицательным сопротивлением. Наличие такого участка объясняется возникновением туннельного эффекта, что позволяет использовать данные диоды в схемах генерации и усиления электрических колебаний.

Варикап (рис. 6.3, в) – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости р-п -перехода от обратного напряжения. Варикап в электрических схемах, приемниках и передатчиках используется как конденсатор с изменяемой емкостью, причем эти диоды имеют гарантированный и увеличенный диапазон изменения частоты. Для уменьшения потерь варикапы имеют малые объемные сопротивления р- и п- областей полупроводника и увеличенное сопротивление при обратном постоянном напряжении.

Высокочастотные диоды – это диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т.д.). Данные диоды имеют малые емкости р-п -перехода. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств.

Импульсные диоды предназначены для работы с быстроизменяющимися импульсными сигналами. Эти диоды должны иметь малые емкости, а также выдерживать большие прямые импульсные токи и увеличенные обратные импульсные напряжения. Применяются такие диоды в компьютерах, мониторах и телевизорах, в радиолокационных передатчиках и приемниках.

Магнитодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля. В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды.

Тензодиод - полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций. В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольтамперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды полупроводниковые диоды, в которых используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-п -перехода.

В фотодиоде в результате освещения р-п -перехода повышается обратный ток. В полупроводниковом фотоэлементе при освещении р-п -перехода возникает обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в зоне р-п -перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это электропреобразовательный прибор с двумя взаимодействующими р-п-переходами и с тремя выводами.

Особен­ностью этих приборов является возможность управления с помощью небольшой мощности во входной цепи значительно большей мощностью в выходной цепи.

Подобные приборы могут иметь два режима работы: непрерывный и ключевой. При непрерывном режиме ток в выходной цепи может принимать различные, сколь угодно близкие значения. Ключевой режим работы ха­рактеризуется тем, что ток в выходной цепи может иметь только два резко отличающихся значения; такой эле­мент работает по принципу «включено - выключено».

В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы п-р-п -типа и р-п-р -типа . На рис. 6.4. показаны условные обозначения транзисторов и их выводы: Э – эмиттер (со стрелкой); Б – база; К – коллектор. Нужно помнить, что стрелка всегда направлена из р -области в п -область.

Рис. 6.4. Условные обозначения биполярных транзисторов

В связи с тем, что эмиттерный переход включается прямо, он имеет малое сопротивление. Коллекторный переход включается обратно и имеет очень большое сопротивление. К эмиттеру прикладывается небольшое напряжение, а к коллектору очень большое (десятки вольт). Изменяя в небольших пределах ток эмиттерного перехода можно управлять большими изменениями тока в цепи коллектора, т.е. нагрузки. Таким образом транзистор усиливает мощность.

Транзистор р-п-р -типа подчиняется общим правилам:

1) эмиттер имеет более высокий потенциал, чем потенциал коллектора;

2) цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (первый всегда открыт, второй закрыт);

3) каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов коллектора, базы (I к, I б ) и напряжением между коллектором и эмиттером (U кэ );

4) ток коллектора пропорционален току базы, т.е. , где β - коэффициент усиления по току.

Для транзистора п-р-п -типа эти правила остаются в силе, но полярность изменяется на противоположную.

Различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором. Название схемы показывает, какой электрод является общим, но принцип включения подчиняется общим правилам транзистора (эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт).

Схема с общей базой . Данная схема (рис. 6.5, а) в усилителях используется очень редко, так как коэффициент усиления тока в ней равен единице.

Схема с общим коллектором. Данная схема (рис. 6.5, б) имеет коэффициент усиления напряжения близкий к единице и очень большое сопротивление входной цепи. Выходная цепь обладает малым сопротивлением. Поэтому схема с общим коллектором используется для согласования сопротивления высокоомного преобразователя с низкоомной нагрузкой. Эта схема имеет специальное название – эмиттерный повторитель . Входное сопротивление эмиттерного повторителя может достигать 500 кОм, а выходное 50…100 Ом.

Схема с общим эмиттером . Данная схема получила наибольшее распространение (рис. 6.5, в). Коэффициент усиления по току достигает 10…200. Небольшой ток базы (входного сигнала) управляет большим током выходной цепи (выходной сигнал на сопротивлении нагрузки). На рис. 6.6, а приведены входные статические характеристики транзистора p-n-p -типа, который включен по схеме с общим эмиттером. Входная характеристика (вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода) представляет собой обычную правую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Полупроводниковый транзистор нельзя представлять чисто механически в виде двух диодов, так как процессы в одном переходе влияют на процессы в другом. Вид входной характеристики зависит от напряжения между эмиттером и коллектором.

Выходная характеристика напоминает вольт-амперную характеристику диода, который включен обратно (рис. 6.6, б). На ток коллектора в значительной мере влияет ток базы. В рабочей области ток коллектора незначительно зависит от напряжения между коллектором и эмиттером.

Характеристики и параметры транзисторов. Статической называется характеристика транзистора, описывающая взаимосвязь между входными и выходными токами и напряжениями, когда в выходной цепи нет нагрузки. Применяются такие статические характеристики биполярных транзисторов: входные, выходные и переходные.

Входная характеристика – это зависимость ).

Выходная характеристика – это зависимость при постоянном входном токе ().

Переходная характеристика (характеристика усиления) – это зависимость при постоянном напряжении на выходе ().

Входные и выходные характеристики строят экспериментально, а переходные можно построить с помощью семейства выходных характеристик. На рис. 5, а приведены входные статические характеристики транзистора p-n-p-типа , который включен по схеме с общим эмиттером.

При расчетах схем с биполярными транзисторами применяются h-параметры транзистора. Эти параметры характеризуют свойства транзистора при малых изменениях токов и напряжений, h -параметры транзистора разные для каждой схемы включения транзистора, но в справочниках есть формулы перерасчета параметров одной схемы в другие.

Для схемы с общим эмиттеромh -параметры, выраженные с помощью входных и выходных токов и напряжений имеют вид.

Параметр представляет собой входное сопротивление транзистора при .

Параметр - это коэффициент обратной связи по напряжению при . (Обратной связью называют действие выходного сигнала на входной сигнал усилителя).

Параметр - коэффициент усиления по току при .

Параметр характеризует исходную проводимость транзистора при .

Существенными являются три ограничения использования транзистора. Ограничение по мощности , которая выделяется на коллекторном переходе и препятствует перегреву перехода. Ограничение по напряжению между коллектором и эмиттером обеспечивает отсутствие пробоя коллекторного перехода. Ограничение по коллекторному току сохраняет также работоспособность перехода.

Полевые транзисторы

В полевых (униполярных) транзисторах электрический ток создается движением носителей заряда только одного знака . Управление током осуществляется электрическим полем, которое создается входным сигналом, а не током базы. Поэтому в управляющем электроде (затворе) ток практически не протекает. Следовательно, полевой транзистор имеет очень большое входное сопротивление.

Полевые транзисторы используют в усилителях мощности и преобразователях электрических колебаний. Принцип действия полевых транзисторов основан либо на зависимости толщины канала проводи­мости (проводящего слоя полупроводникового кристал­ла, заключенного между двумя р-n -переходами) от при­ложенного к переходам обратного напряжения, либо на влиянии поперечного электрического поля на концентра­цию подвижных носителей заряда у поверхности полупроводника. Полевые транзисторы первого рода назы­вают транзисторами p-n затвором , транзисторы вто­рого рода - транзисторами с изолированным затвором или МДП - и МОП-транзисторами (металл - диэлект­рик- полупроводник и металл - окисел - полупровод­ник). В обоих случаях в полевых транзисторах с по­мощью изменения напряжения на электроде, называе­мом затвором, имеется возможность управления прово­димостью канала между истоком - стоком и тем самым значением тока между этими электродами. Преимуще­ством полевых транзисторов является то, что управле­ние током в выходной цепи производится практически при отсутствии тока во входной цепи.

Транзистор с р-n -затвором (рис. 6.7, а) представляет собой полупроводниковую пластину. На гранях этой пластины создан полупроводниковый слой другого типа. Транзистор имеет три электрода: сток С , исток И и затвор З . Электрод, от которого двигаются основные заряды, называется истоком . Электрод, к которому движутся заряды, называется стоком .

На рис. 6.7, а видно, что при снижении потенциала на затворе уменьшается сечение n -канала, то есть увеличивается его сопротивление (уменьшается ток стока). Затвор всегда включается обратно к истоку. На рис. 6.7, б, в приведены условные обозначения транзистора с р-n -затвором (с управляющим р-n -переходом) с n -каналом и с p -каналом соответственно.

Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют три схемы включения: с общим стоком, с общим истоком и с общим затвором. Основной усилительной схемой является схема с общим истоком (рис. 6.8, а).

Выходные характеристики схемы с общим истоком называют стоковыми характеристиками (рис. 6.8, б). Они напоминают выходные характеристики биполярного транзистора. В транзисторе с управляющим р-n -переходом есть диодное соединение. При положительном заряде на затворе наблюдается обычная диодная проводимость.

В транзисторах с изолированным затвором между материалами с различными проводимостями находится пленка изолятора. Затвор действительно изолирован от истока и стока и действует на ток только своим электрическим полем. Конструктивно транзистор выполняется на полупроводниковой подложке, которая имеет проводимость, противоположную проводимости канала. Основной является схема включения с общим истоком (рис. 6.9, а).

Стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором, включенного по схеме с общим истоком, напоминают выходные характеристики биполярного транзистора (рис. 6.9, б).

Режим обеднения I характеризуется отрицательным потенциалом на затворе, режим обогащения II – положительным. Положительный потенциал на затворе способствует расширению канала, уменьшает его сопротивление и повышает стоковый ток.

Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями. В простейшем случае тиристор имеет три р-n -перехода (рис. 6.10). Тиристор переключается с закрытого состояния в открытое (тиро – открыто).

Первые промышленные образцы тиристоров появились в конце пятидесятых годов ХХ в. В настоящее время эти приборы получили широкое распространение. Преимущества тиристоров следующие: малые масса и габариты, большой срок службы, высокий КПД (0,9 и более), малая чувствительность к вибрации и механическим перегрузкам, способность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) напряжениях, а также при очень больших токах (до 5000 А). номинальные значения напряжения в закрытом состоянии достигают 5000 В.

Различают управляемые и неуправляемые тиристоры. Неуправляемые тиристоры – это динисторы или диодные тиристоры (рис. 6.10, а) – это тиристоры с двумя электродами (выводами). Переход из одного состояния в другое в динисторах осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах.

Управляемые тиристоры (рис. 6.10, б) – тринисторы – имеют три электрода (анод, катод, управляющий электрод). Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 6.10, в) имеет три участка: I участок – тиристор закрыт; II участок – неустойчивый режим работы; III участок – тиристор открыт. Используются также симметричные тиристоры, тиристоры с пятислойной структурой (p-n-p-n-p ). На рис. 6.11 показаны стандартные обозначения тиристоров.

Для обеспечения электробезопасности при монтаже и эксплуатации электроустановок применяют различные способы и средства защиты, выбор которого зависят от ряда факторов, в том числе и от способа электроснабжения.

Для обеспечения защиты от поражения электрическим током в электроустановках должны применяться технические способы и средства защиты.

Выбор того или иного способа или средства защиты (или их сочетаний) в конкретной электроустановке и эффективность его применения зависят от целого ряда факторов, в том числе от:

  • номинального напряжения;
  • рода, формы и частоты тока электроустановки;
  • способа электроснабжения (от стационарной сети, от автономного источника питания электроэнергией);
  • режима нейтрали источника трехфазного тока (средней точки источника постоянного тока) — изолированная нейтраль, заземленная нейтраль;
  • вида исполнения (стационарные, передвижные, переносные);
  • условий внешней среды;
  • схемы возможного включения человека в цепь протекания тока (прямое однофазное, прямое двухфазное прикосновение; включение под напряжение шага);
  • вида работ (монтаж, наладка, испытания) и др.

Кроме того, по принципу действия , все технические способы защиты разделяются на:

  • снижающие до допустимых значений напряжения прикосновения и шага;
  • ограничивающие время воздействия тока на человека;
  • предотвращающих прямое прикосновение к токоведущим частям.

Классификация технических способов и средств защиты от поражения электрическим током в электроустановках приведена на рисунке.

Основными техническими средствами защиты являются:

  • Защитное заземление;
  • Автоматическое отключение питания (зануление);
  • Устройства защитного отключения.

Защитное заземление

Заземление снижает до безопасной величины напряжение относительно земли металлических частей электроустановки, оказавшихся па напряжением при повреждении изоляции.
Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.). Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т. п.
Электрическое сопротивление такого соединения должно быть минимальным (не более 4 Ом для сетей с напряжением до 1000 В и не более 10 Ом для остальных). При этом корпус электроустановки и обслуживающий ее персонал будут находиться под равными, близкими к нулю, потенциалами даже при пробое изоляции и замыкании фаз на корпус.

Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.
Различают два типа заземлений: выносное и контурное.

Выносное заземление характеризуется тем, что его заземлитель (элемент заземляющего устройства, непосредственно контактирующий с землей) вынесен за пределы площадки, на которой установлено оборудование. Таким способом пользуются для заземления оборудования механических и сборочных цехов. Выносное заземление называют также сосредоточенным.
Существенный недостаток выносного заземления – отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности в установках до 1 кВ, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.
Достоинством выносного заземления является возможность выбора места размещения электродов заземлителя с наименьшим сопротивлением грунта (сырой, глинистый, в низинах и т. п.).
Необходимость в устройстве выносного заземления может возникнуть в следующих случаях:

  • при невозможности по каким-либо причинам разместить заземлитель на защищаемой территории;
  • при высоком сопротивлении земли на данной территории (например, песчаный или скалистый грунт) и наличии вне этой территории мест со значительно лучшей проводимостью земли;
  • при рассредоточенном расположении заземляемого оборудования (например, в горных выработках) и т. п.

Контурное заземление состоит из нескольких соединенных заземлителей, размещенных по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Такой тип заземления применяют в установках выше 1 кВ. Контурное заземление называется также распределенным.
Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

В сетях переменного тока с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве основной защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении не применяется , т.к. оно не эффективно.

Область применения защитного заземления:

  • электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трехпроводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (система IT);
  • электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных двухпроводных сетях переменного тока изолированных от земли;
  • электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока (система IT);
  • электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней точки обмоток источников тока.

Заземление электроприборов. Металлические корпуса электроустановок и приборов (стиральные машины, электроводонагреватели, кондиционеры и т.д.) обязательно должны быть заземлены путем соединения с нулевым проводом электросети. Использование металлических труб и других деталей водопровода, отопительной или канализационной сети для заземления (зануления) запрещено.

Зануление

Зануление — преднамеренное электрическое соединение с глухо заземленной нейтралью трансформатора в трехфазных сетях металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
В сетях однофазного тока части электроустановки соединяются с глухозаземленным выводом источника тока, а сетях постоянного тока – с заземленной точкой источника.
При занулении нейтраль заземляется у источника питания. Эта система имеет наибольшее распространение. Оно считается основным средством обеспечения электробезопасности в трехфазных сетях с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

В сети с занулением следует различать нулевые защитный и рабочий проводники.
Для соединения открытых проводящих частей потребителя электроэнергии с глухозаземленной нейтральной точкой источника используется нулевой защитный проводник. Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части потребителей (приемников) электрической энергии с заземленной нейтралью источника тока. Нулевой рабочий проводник используют для питания током электроприемников и тоже соединяют с заземленной нейтралью, но через предохранитель.
Использовать нулевой рабочий провод в качестве нулевого защитного нельзя, так как при перегорании предохранителя все подсоединенные к нему корпуса могут оказаться под фазным напряжением!
Зануление необходимо для обеспечения защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении за счет снижения напряжения корпуса относительно земли и быстрого отключения электроустановки от сети.

Область применения зануления:

  • электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных сетях переменного тока с заземленной нейтралью (система TN – S; обычно это сети 220/127, 380/220, 660/380 В);
  • электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных сетях переменного тока с заземленным выводом;
  • электроустановки напряжением до 1 кВ в сетях постоянного тока с заземленной средней точкой источника.

Принцип действия зануления. При замыкании фазного провода на зануленный корпус электропотребителя образуется цепь тока однофазного короткого замыкания (то есть замыкания между фазным и нулевым защитным проводниками). Ток однофазного короткого замыкания вызывает срабатывание максимальной токовой защиты, в результате чего происходит отключение поврежденной электроустановки от питающей сети. Кроме того, до срабатывания максимальной токовой защиты происходит снижение напряжения поврежденного корпуса относительно земли, что связано с защитным действием повторного заземления нулевого защитного проводника и перераспределением напряжений в сети при протекании тока короткого замыкания.
Следовательно, зануление обеспечивает защиту от поражения электрическим током при замыкании на корпус за счет ограничения времени прохождения тока через тело человека и за счет снижения напряжения прикосновения.

Надежность зануления определяется в основном надежностью нулевого защитного проводника. В связи с этим требуется тщательная прокладка нулевого защитного проводника, чтобы исключить возможность его обрыва. Кроме того, в нулевом защитном проводнике запрещается ставить выключатели, предохранители и другие приборы, способные нарушить его целостность.
При соединении нулевых защитных проводников между собой должен обеспечиваться надежный контакт. Присоединение нулевых защитных проводников к частям электроустановок, подлежащих занулению, осуществляется сваркой или болтовым соединением, причем, значение сопротивления между зануляющим болтом и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью электроустановки, которая может оказаться под напряжением, не должно превышать 0,1 Ом. Присоединение должно быть доступно для осмотра.
Нулевые защитные провода и открыто проложенные нулевые защитные проводники должны иметь отличительную окраску: по зеленому фону желтые полосы.
В процессе эксплуатации зануления сопротивление петли “фаза-нуль” может меняться, следовательно, необходимо периодически контролировать значение этого сопротивления. Измерения сопротивления петли “фаза-нуль” проводят как после окончания монтажных работ, то есть при приемо-сдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатации в сроки, установленные в нормативно технической документации, а также при проведении капитальных ремонтов и реконструкций сети.

Расчет зануления имеет целью определить условия, при которых оно надежно выполняет возложенные на него задачи — быстро отключает поврежденную установку от сети и в то же время обеспечивает безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период.

Защитное отключение

Защитным отключением называется автоматическое отключение электроустановок при однофазном прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданные значения.

Назначение защитного отключения – обеспечение электробезопасности, что достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока на человека. Защита осуществляется специальныму стройством защитного отключения (УЗО), которое, обеспечивает электробезопасность при прикосновении человека к токоведущим частям оборудования, позволяет осуществлять постоянный контроль изоляции, отключает установку при замыкании токоведущих частей на землю. Для защиты людей от поражения электрическим током применяются УЗО с током срабатывания не более 30 мА.

Область применения защитного отключения: электроустановки в сетях с любым напряжением и любым режимом нейтрали.
Наибольшее распространение защитное отключение получило в электроустановках, используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или изолированной нейтралью.

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с заданной величиной. Если входной сигнал превышает эту величину, то устройство отключает защищенную электроустановку от сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения используют различные параметры электрических сетей, которые несут в себе информацию об условиях поражения человека электрическим током.
УЗО реагирует на «ток утечки» и в течение сотых долей секунды отключает электричество, защищая человека от поражения электрическим током, оно улавливает малейшую утечку тока и размыкает контакты.
Конструктивно УЗО бывают двух видов:

  • электронные , зависимые от напряжения питания, их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника;
  • электромеханические , независимые от напряжения питания, они дороже электронных УЗО, но обладают большей чувствительностью. Источником энергии, необходимой для функционирования таких УЗО является сам входной сигнал – дифференциальный ток, на который оно реагирует.

Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов:

  • реагирующее на напряжение корпуса относительно земли;
  • реагирующее на дифференциальный (остаточный) ток;
  • реагирующее на комбинированный входной сигнал;
  • реагирующее на ток замыкания на землю;
  • реагирующее на оперативный ток (постоянный; переменный 50 Гц);
  • реагирующее на напряжение нулевой последовательности.

Применение УЗО должно осуществляться в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).