Постараюсь максимально просто объяснить теорию процессов, благодаря которым электричество попадает в наши лампочки и розетки. И, самое главное, параметры, связанные с электричеством: ток, напряжение, мощности. Из них вытекает важный вопрос выбора сечения кабеля. Начну издалека, с процесса производства электричества.
«Электрика» — не совсем корректный термин. Нет такой науки электрики. Раздел физики, изучающий электрический ток, называется «электродинамика». Я использую слово «электрика» как физические законы в прикладном значении применительно к силовым кабелям, в нашем случае, квартиры или дома и физическим процессам, происходящим в них.
Напряжение, сопротивление, ток
Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Если взять обычную батарейку типа АА («пальчиковая»), то разность потенциалов на её двух контактах составляет 1.5 вольта. На двух контактах зарядного устройства телефона или ноутбука разность потенциалов составляет от 5 до 20 вольт.
В формулах напряжение обозначается буквой U. А измеряется, как мы уже поняли, в вольтах (пишется — Вт).
Значение всегда имеет именно разность потенциалов, электрический ток течёт от точки с более высоким потенциалом («плюса») к точке с более низким потенциалом («минусу»). «Минус» в источниках напряжения часто называют «землёй», обозначается «gnd» (сокращение от ground), так как потенциал «минуса» условно принимается нолевым.
Смотрите: на этой картинке вольтметр измеряет напряжение батарейки. У батарейки, которую измеряют, слева находится «минус», а справа «плюс». Но поскольку чёрную клемму вольтметра приложили к «плюсу», а красную к «минусу», вольтметр видит, что потенциал на чёрной клемме выше, чем на красной, поэтому пишет напряжение со знаком минус.
Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность. Как мы знаем, дерево плохо проводит электрический ток, а металл хорошо. Если из металла сделать кабель, то сопротивление этого кабеля будет тем больше, чем больше его длина, и тем меньше, чем он более толстый. То есть, лучше всего передаёт ток толстый и короткий кабель. Если мы хотим, чтобы кабель был длинным, но ток он передавал так же хорошо, как и короткий, надо увеличивать его толщину. Также сопротивление кабеля (как и любого другого материала) определяется величиной удельного сопротивления, определяемого его материалом, в этой величине как раз и кроется разница между металлом и деревом. Сопротивление измеряется в омах (пишется — Ом). Удельное сопротивление кабеля — в омах на метр (пишется — Ом/м). В формулах сопротивление обозначается буквой R.
Для большинства всех электрических расчётов самая важная характеристика — это сила тока, иногда называемая просто «ток». Измеряется в амперах (пишется — А). Сила тока показывает, какой электрический заряд (он измеряется в кулонах) пройдёт через проводник в единицу времени. Согласно закону Ома, ток равен напряжению, делённому на сопротивление. В формулах сила тока обозначается буквой I.
Для того, чтобы нагляднее понять все параметры электрического тока, можно представить его как реку. Кулон — это определённое количество воды. Ток — это количество воды, которое протекает за единицу времени в определённом месте (сечении) русла реки. Напряжение — это разность между высотами начала и конца отрезка русла реки. Сопротивление — характеристика русла реки, определяемая его размером и способностью быстро пропускать воду (например, гладкостью стенок или плотностью заполняющего его воздуха). Течение будет тем сильнее, чем больше разница высот начала и конца русла реки, больше его сечение, лучше оно способно пропускать воду. Очень большая разница высот, но маленькое сечение — объём пропускаемой воды будет маленьким. Большое сечение, но маленькая разница высот — течение тоже будет слабым.
Важно заметить, что поражение человека электрическим током происходит именно за счёт силы тока. Напряжение и сопротивление определяют, какой будет эта сила тока.
Приведём параметры силы тока и её воздействие на человека:
- меньше 5 миллиампер — почти не ощущается
- 20-30 миллиампер — сокращение мышц, иногда невозможность разжать руку
- 50-80 миллиампер — судороги и затруднение дыхания
- от 100 миллиампер — паралич дыхания, фибрилляция сердца
Почему получается, что USB зарядка телефона, способная выдавать ток в 2 ампера (это стандартный USB адаптер без функции «быстрой зарядки»), не убивает человека? Потому что напряжение в ней 5 вольт. Сопротивление тела человека в расчётах обычно усреднённо берётся равным 1000 Ом. Получается, что ток будет равен 5 миллиампер, что при длительном воздействии приведёт к небольшому нагреву площади протекания. Если мы коснёмся контактов зарядки мокрым пальцем, то из-за крайне малого сопротивления сначала между контактами проскочит искра, затем блок питания отключится (сработает защита от перегрузки). То же самое произойдёт, если USB кабель опустить в воду: в зарядке сразу сработает защита, а человек, лежащий в ванне, скорее всего, ничего не почувствует. Если зарядное устройство очень низкого качества (для удешевления на всём экономили), при коротком замыкании не сработает защита, от перегрева внутри неудачным образом расплавится источник питания и входное напряжение (230 вольт) попадёт на кабель, по которому должно идти 5 вольт, тогда произойдёт поражение человека током. От него может спасти автоматический выключатель или УЗО в электрощите, если электрика сделана правильно.
Для иллюстрации безопасного протекания тока через тело человека, приведу хороший пример. Существует специальный инструмент — индикаторная отвёртка. Она выглядит как обычная отвёртка, но с прозрачной ручкой, внутри которой маленькая светодиодная лампочка. Индикаторная отвёртка нужна для того, чтобы определить, где фазный провод, а где нолевой. А также проверить, что на проводе нет фазы, если нужно с ним работать. Для того, чтобы лампочка загорелась, нужно концом отвёртки коснуться фазы, а пальцем коснуться маленькой металлической площадки на торце отвёртки. Если в проводе есть фаза, то ток потечёт через отвёртку в человека, и лампочка загорится. Но человек ничего не почувствует, так как ток крайне мал.
Для поражения электрическим током недостаточно попадания на человека фазы питания. Нужно, чтобы через него потёк ток. Для этого нужно помимо фазы коснуться либо нолевого проводника, либо чего-то заземлённого. Во втором случае ток потечёт в землю. Электромонтажники, которым приходится по какой-то причине работать с необесточенным электрощитом, помимо диэлектрических перчаток надевают специальную обувь, подошвы которой не пропускают ток, либо подстилают резиновый коврик.
Дуга — это протекание электрического тока через воздух, если разность потенциалов очень велика. Пример дуги — молния. Если электромонтажник работает с электрощитом высокого напряжения, он также надевает на лицо диэлектрический экран, который защищает от возможной дуги. Напряжение в щите может быть таким высоким, что сопротивление воздуха между фазой и лицом человека недостаточно для того, чтобы ток не протекал, и возникнет дуга.
Однофазное и трёхфазное питание, постоянный и переменный ток
В постоянном токе (обозначается DC – direct current) разность потенциалов между двумя контактами неизменная. Но специфика производства электричества такова, что электричество вырабатывается благодаря вращению, при этом получается трёхфазный ток переменного напряжения (обозначается AC – alternative current, такое название сложилось исторически). Даже в атомной электростанции, вопреки распространённому мнению, электричество получается не за счёт того, что атомная реакция каким-то образом создаёт разность потенциалов, а за счёт того, что тепло из реактора превращает воду в пар, который крутит турбину, а в ней уже возникает ток. Так же, как и в угольных, ветряных, геотермальных и гидроэлектростанциях — заканчивается процесс всегда вращением турбины, так же, как и в бытовом бензиновом или дизельном генераторе. Исключение составляет только солнечная электростанция, в ней возникает постоянный ток.
Во вращающейся турбине возникает магнитное поле, благодаря которому в трех катушках, расположенный под углом 120 градусов друг к другу, появляется электрический ток синусоидальной формы, в каждой катушке возникает своя фаза.
Термины «постоянный ток» и «постоянное напряжение» означают одно и то же, различий между ними нет.
Переменный ток меняет своё направление движения и разность потенциалов относительно нолевого провода. В России принята частота переменного тока 50 герц, это значит, что 50 раз в секунду синусоида делает полный период (от ноля до максимума, затем через ноль до минимума, и снова вверх до ноля). В США принята частота переменного тока 60 герц, но на работу электроприборов это почти не влияет. Сложнее дело обстоит с тем, что в США принято напряжение 110 вольт: многие адаптеры питания техники сделаны так, чтобы работать в широком диапазоне напряжений, но для техники, предназначенной только для использования в конкретной сети, нужно использовать переходники (не механические с одного типа розетки на другой, а именно преобразователи параметров электропитание). Чтобы не перепутать, электрические розетки для разных стандартов сделаны совсем разными.
Постоянный ток всегда движется в одну сторону, от плюса к минусу. Его частоту можно считать как 0 герц. Понятие разных фаз к постоянному току, конечно, не применимо.
При подключении какого-либо устройства к цепи питания постоянного тока важно соблюдать полярность, то есть, не путать плюс и минус. В лучшем случае устройство не заработает, в худшем (если не предусмотрена защита от переполюсовки) может повредиться. В устройствах, работающих от переменного тока, полярность совершенно не важна. Обозначения фазы (L) и нейтрали (N) на клеммах не влияют на работоспособность устройства, но важны для соблюдения безопасности и порядка, чтобы человек всегда знал, где должен быть фазный провод, и устройства защиты отключали именно фазу.
Широко известно имевшее место в конце 19-ого века в США противостояние систем постоянного и переменного тока. Сеть постоянного тока развивал Эдисон, а переменного — Вестингауз (а впоследствии более известный Никола Тесла). Переменный ток признавался более опасным для жизни, но он победил в «войне токов», так как тогда не существовало простого способа изменения напряжения постоянного тока, а переменный ток легко менял напряжение посредством несложно устроенного трансформатора (представляет собой металлический сердечник с двумя намотанными на него катушками, соотношение числа витков которых определяло, во сколько раз изменится напряжение). А без повышения напряжения потери при передаче тока по проводам на большие расстояния слишком велики (про это будет написано ниже).
В последние годы интерес к сетям постоянного тока немного возрос в связи с развитием солнечных электростанций. Если какое-то оборудование питается только от солнечной электростанции, то переходить с постоянного тока на переменный в нём может не иметь смысла, удобнее (экономичнее) все приборы по возможности использовать постоянного тока.
В трёхфазной сети переменного тока есть 4 жилы: ноль (он же нейтраль, обозначается N) и три фазы (обозначаются обычно L1 L2 L3 или A В С). Если замерить максимальную амплитуду (то есть разность потенциалов) между нейтралью и любой фазой, то увидим, что она меняется от -325 до 325 вольт 50 раз в секунду, это можно увидеть осциллографом. Если же использовать обычный вольтметр в режиме измерения переменного тока, он покажет нам 230 вольт — это среднее значение амплитуды, если не учитывать её отрицательную составляющую. Максимальное значение амплитуды в ~1.41 (это квадратный корень из двух) раз выше среднего.
Если переменный ток выпрямить (то есть, перевернуть отрицательную часть синусоиды, используя, например, диодный мост) и сгладить, получим постоянный ток.
Если подключить потребитель к двум разным фазам трехфазной сети, то получим напряжение 380 вольт, так как когда одна фаза делает положительный полупериод синусоиды, вторая делает отрицательный.
Кстати, говоря, согласно ГОСТ от 2014 года, напряжение в сетях переменного тока в России составляет именно 230 вольт, а не более привычные 220. Но большинство бытовой техники работает с напряжением сети в широком диапазоне от 190 до 240 вольт. При выходе напряжения сети из этого диапазона что-то может сломаться, поэтому на вводе электроснабжения дома или квартиры нужно обязательно устанавливать реле напряжения, оно отследит неправильное напряжение и отключит питание.
В квартирах и загородных домах почти все потребители однофазные. Варочная панель может иметь двух или трёхфазное подключение, но не потому, что она требует напряжения 400 вольт для работы, просто разные конфорки питаются от разных фаз, чтобы разнести нагрузки по фазам. В трёхфазных проточных водонагревателях к разным фазам подключаются разные нагревательные элементы (ТЭНы), так что пропадание одной фазы приведёт только к более медленному нагреву. Трёхфазного питания требуют устройства с мощными электроприводами, в них, по сути, трехфазный ток преобразуется во вращение обратно тому, как вращение преобразовывалось в ток в электрогенераторе. Это такие устройства как мощные блоки систем кондиционирования, насосы, станки.
Падение напряжения и выбор сечения кабеля
Падение напряжения — постепенное уменьшение напряжения в проводнике, по которому течёт электрический ток из-за того, что проводник обладает сопротивлением. Собственно, падение напряжения — это и есть работа тока. Возьмём, к примеру, лампочку накаливания, внутри которой находится тонкая вольфрамовая нить. Поскольку нить тонкая, сопротивление у неё большое, при прохождении тока она раскаляется и начинает светиться. При этом расход энергии лампочки на нагрев составляет минимум 95%, на свечение оставшиеся 5%. В любом нагревателе, от чайника до электрокотла, принцип похожий, только свечения уже нет, электричество переходит полностью в нагрев.
Кабель, как и спираль в лампочке накаливания или в чайнике, при прохождении тока греется. Нам нагрев кабеля не нужен, так как это лишний расход электричества и вероятность пожара, так что падение напряжения в кабеле нужно минимизировать. Кроме того, чем больше падение напряжения в кабеле, тем меньшее напряжение приходит на электроприбор.
Как уменьшить падение напряжения в кабеле? Падение напряжения, согласно закону Ома, равно протекающему току, умноженному на сопротивление. Сопротивление прямо зависит от длины и обратно зависит от сечения. Значит, понизить падение напряжения можно следующими способами:
- увеличить сечение кабеля
- уменьшить длину кабеля
- уменьшить ток
Также можно использовать кабель с меньшим удельным сопротивлением, это уже было сделано когда-то переходом с алюминиевых проводов на медные.
В условиях дома или квартиры самый часто используемый способ регулировки падения напряжения — правильно выбирать сечение кабеля.
Почти все бытовые розетки рассчитаны на ток 16 ампер, такой максимальный ток может через них протекать. Кабель, используемый для подключения розеток имеет сечение 2.5мм2. При таком сечении на таких длинах кабеля, как бывают в доме или квартире, падение напряжения и нагрев кабеля из-за него не превышают безопасных значений. При проектировании сети электроснабжения розетки по кабелю распределяют таким образом, чтобы при обычном использовании ток в кабеле не превышал 16 ампер.
Для варочной панели мощностью 8 киловатт (35 ампер) потребуется уже кабель 3х6мм2, но если в вашей квартире трёхфазная сеть, то достаточно проложить к варочной панели кабель 5х2.5мм2 (5 жил, каждая площадью сечения 2.5 квадратных миллиметра), если она имеет возможность трёхфазного подключения (а почти все встраиваемые варочные панели имеют возможность подключения либо на 3, либо на 2 фазы).
Для сетей освещения монтируется кабель сечением 1.5мм2 (3х1.5, 3 жилы, каждая площадью по 1.5 квадратных миллиметра). Эту норму можно было бы назвать устаревшей, так как современные светодиодные лампы далеко не всегда имеют мощность выше пары сотен ватт на группу, а кабель сечением 1.5мм2 держит ток не менее 10 ампер (2300 ватт), если бы не пусковые токи, которые при включении одновременно большого количества ламп могут быть достаточно большими. Более толстый кабель позволит использовать автомат большего номинала.
Согласно нормам предельно допустимое падение напряжения в кабеле составляет 7.5%, то есть, если от щита выходит 230 вольт, на нагрузку должно приходить не менее 213.
В интернете множество таблиц и калькуляторов для расчёта падения напряжения в кабеле в зависимости от типа кабеля, длины, нагрузки, посчитать падение напряжения и требуемое сечение несложно. Обычно учитывается даже способ монтажа кабеля, чтобы не допустить его перегрева, ведь самое страшное тут как раз перегрев кабеля, он может привести к пожару.
Если при проектировании сети электроснабжения падение напряжения никто обычно не считает, руководствуясь только правилами «при таком токе используем такое сечение», то гораздо важнее выполнять расчёты при питании приборов напряжением до 48 вольт. Это, в частности, светодиодные ленты, напряжение питания которых составляет обычно 12 или 24 вольта, но бывают модели 5 вольт (часто это ленты типа «бегущий огонь») или 48 вольт (часто встречается в трековых светильниках). Если размещать блок питания у начала ленты, то проблем не будет, так как большой ток от блока до ленты пойдёт по короткому кабелю. Но обычно хозяин хотел бы расположить блоки питания лент в электрощите, и при большой длине кабеля без расчётов не обойтись. Если на 24-вольтовую ленту придёт от блока питания всего 21 вольт, она будет светить заметно тусклее.
Важно помнить, что падение напряжения зависит от тока. Меньше ток — меньше падение напряжения. Поэтому следует использовать светодиодные ленты с напряжением питания как минимум 24 вольта и считать необходимое сечение кабеля так, чтобы падение напряжения в кабеле не превышало 7-8%. Иногда блок питания позволяет повысить напряжение на выходе, чтобы скомпенсировать падение напряжения в кабеле, как правило, как раз на значение порядка 10% (до 27 вольт при номинале в 24 вольта).
Аналогичная проблема существует в длинных линиях электропередач, идущих от электростанции к потребителям. Уменьшать длину не всегда получается (стараются, конечно, размещать электростанции поближе к потребителям, но тогда их понадобится очень много), увеличивать сечение кабеля дорого, зато можно уменьшить ток. К потребителю ведь надо передать мощность, а мощность это произведение тока и напряжения. Трансформатор позволяет повышать и понижать напряжение, обратно пропорционально которому меняется ток, за вычетом потерь на нагрев и гудение подстанции.
Напряжение в высоковольтных линиях электропередач — 400 киловольт, до этого значения повышается напряжение на выходе из электростанции. Поближе к потребителям ставится понижающий трансформатор, на выходе которого 12 киловольт. И уже во дворах домов и посёлках ставится трансформатор, на выходе которого 230 вольт (точнее, 3 фазы, 400 вольт между фазами). Это только пример, промежуточные напряжения в ЛЭП могут быть разными, а ступеней изменения напряжения больше.
Именно по этой причине переменный ток и победил когда-то в войне токов — его напряжение можно было легко поднимать и опускать, за счёт этого передавать его на большое расстояние с меньшими потерями.
Мощность
Мощность — это ток, помноженный на напряжение. Измеряется в ваттах. Всегда важно рассматривать мощность совместно с напряжением, чтобы понимать силу тока в цепи.
На каждую квартиру или загородный дом выделена какая-то электрическая мощность, в щите ввода электроснабжения рядом со счётчиком стоит автоматический выключатель. В первую очередь, он защищает кабель от перегрева, во вторую он ограничивает общую потребляемую мощность. Самостоятельно менять автоматический выключатель на модель большего номинала нельзя, так как его номинал указан в документах (в вашем договоре с электроснабжающей компанией). С разрешения электроснабжающей компании иногда можно (оформив это документально) заменить автомат на больший номинал, если сечение проложенного кабеля позволяет. Если сечение не позволяет, то либо увеличить выделенную мощность не получится, либо потребуется оформить много документов и заменить кабель. Если в квартиру осуществляется однофазный ввод питания, иногда получается заменить его на трёхфазный, это также потребует оформления документов.
Выделена на квартиру одна или три фазы — зависит от проекта электроснабжения дома. Для загородного дома — проекта электроснабжения посёлка. Часто бывает, что в 2-комнатную и меньше квартиру ввод однофазный, в более крупную — 3-фазный. Может быть разграничение по площади квартиры. В этажном щите присутствуют все 3 фазы, они распределяются по квартирам так, чтобы потребление по фазам было равномерным.
На загородный дом может быть выделено от 15 киловатт мощности, чаще всего это 3 фазы. При проектировании электроснабжения дома очень важно, чтобы нагрузки распределялись равномерно между тремя фазами. Неравномерность нагрузки называется «перекос фаз». Основная причина того, почему это плохо — неоптимальное использования выделенной мощности, ведь 15 киловатт — это по 5 киловатт на каждую фазу. Если подключить все чаще всего используемые приборы на одну фазу, то их потребление может превысить 5 киловатт, и отключится вводной автомат, хотя две другие фазы незадействованы. Если распределить нагрузки равномерно, все три фазы будут нагружены одинаково, и 15 киловатт мощности будут использованы более оптимально.
Заземление
Заземление — это подключение всех металлических корпусов устройств в доме к земле.
Если какое-то устройства повредится, и фаза питания попадёт на его корпус, человека может ударить током. Например, корпус электрического полотенцесушителя повреждён, на корпусе 230 вольт. Человек дотронулся до корпуса, а так как ногами он стоит на влажном полу, происходит удар током. При этом должно сразу сработать УЗО (оно как раз и защищает от утечки фазы), но не хотелось бы, чтобы эта ситуация вообще стала возможной. А если корпус полотенцесушителя заземлён, то при таком повреждении его корпуса УЗО сработает сразу, не дожидаясь, пока человек до него дотронется. Если все устройства заземлены и защищены УЗО — проблемы не будет.
Поэтому все кабели, которые монтируются в квартире и доме, как минимум 3-жильные, третья жила жёлто-зелёного цвета — заземляющая. В устройстве она подключена к корпусу, а в электрощите — к общей шине заземления. В многоквартирном доме шина заземления подключена к контуру заземления дома, в загородных домах крайне желательно у каждого дома иметь свой контур заземления.
Контур заземления представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из вертикально уходящих в землю штырей и соединяющих эти штыри металлических полос. В самом идеальном варианте контур должен быть погружён в траншею, вырытую вокруг всего дома, но часто бывает достаточно небольшой площади, на которой под землю зарывается конструкция. Соединение всех частей конструкции должно выполняться сваркой. Расчёт необходимой конструкции и глубины её установки должен учитывать тип почвы и глубину её промерзания в регионе, после установки должен быть выполнен замер специальным прибором (мегаомметром) сопротивления между шиной заземления в электрощите и землёй, она должна быть достаточно небольшой для того, чтобы ток уходил в землю.
При высокой вероятности попадания в дом молнии во время грозы на доме ставится молниеприёмник системы молниезащиты (он же «громоотвод»), который толстым кабелем или металлической полосой спускается по внешней стене дома и приваривается к контуру заземления, в этом случае требования к контуру заземления ещё более жёсткие.
