10.6 Instalacja elektryczna w domu i bezpieczeństwo elektryczne

Zagrożenie termiczne

Moc elektryczna może spowodować niepożądany wzrost temperatury, kiedy energia elektryczna przekształca się w energię cieplną z szybkością przekraczającą bezpieczne rozpraszanie ciepła. Klasycznym tego przykładem jest zwarcie (ang. short circuit), kiedy pomiędzy biegunami źródła napięcia powstaje dodatkowa ścieżka o niskiej rezystancji. Przykład zwarcia pokazano na Ilustracji 10.41. Toster jest podłączony do domowego gniazdka elektrycznego. Izolacja przewodów prowadzących do urządzenia uległa uszkodzeniu i z tego powodu obydwa przewody się stykają (zwierają). W konsekwencji energia cieplna może szybko podnieść temperaturę otaczających materiałów, stopić izolację i spowodować pożar.

Na schemacie obwodu znajduje się symbol przedstawiający sinusoidalną krzywą zamkniętą w okrąg, oznacza on źródła napięcia zmiennego (AC). W takim źródle napięcie oscyluje pomiędzy dodatnią i ujemną wartością maksymalną. Do tej pory rozważaliśmy źródła napięcia stałego (DC), ale wiele z pojęć już omawianych odnosi się także do obwodów prądu przemiennego.

Ilustracja 10.41 Zwarcie jest dodatkowym i niepożądanym połączeniem o niskiej oporności między biegunami źródła napięcia. (a) Uszkodzona izolacja przewodów prowadzących do tostera umożliwia ich kontakt ze względu na mały opór $r$. Ponieważ $P=U^2∕r$, energia w postaci ciepła wydziela się na oporze $r$ tak szybko, że przewód ulega stopieniu i może dojść do zapalenia się izolacji. (b) Schemat zwartego obwodu.

Inne poważne zagrożenie termiczne występuje, gdy przewody dostarczające energię do urządzenia są przeciążone. Przewody i urządzenia elektryczne są często kategoryzowane pod względem maksymalnego natężenia prądu, który może bezpiecznie przez nie przepływać. Określenie „przeciążenie” odnosi się do stanu, gdy natężenie przekracza dozwoloną wartość maksymalną. Moc, z jaką energia ulega rozproszeniu na przewodach zasilających podczas przepływu przez nie prądu, wynosi $P=I^2{R}_{\text{p}}$, gdzie $R_{\text{p}}$ to oporność przewodów, a $I$ oznacza natężenie prądu płynącego przez przewody. Jeśli $I$ lub $R_{\text{p}}$ ma zbyt dużą wartość, przewody się przegrzewają. Do ograniczenia prądów o zbyt dużym natężeniu wykorzystuje się bezpieczniki i wyłączniki instalacyjne.

Niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym

Porażenie prądem to fizjologiczna reakcja lub obrażenie spowodowane przepływem zewnętrznego prądu elektrycznego przez ciało. Wpływ porażenia prądem elektrycznym jest negatywny lub pozytywny. Gdy prąd o natężeniu powyżej $300\mathrm{mA}$ przepływa przez serce, może być śmiertelny. Zwykle do śmierci prowadzi migotanie komór serca – bardzo nieregularne skurcze wynikające z porażenia. Z drugiej strony ofiara ataku serca, u której występuje migotanie, może zostać uratowana przez porażenie prądem z defibrylatora.

Skutki niepożądanego porażenia prądem mają różną skalę: nieznaczne doznanie w punkcie styku, ból, paraliż mięśni (utrata kontroli nad normalnym funkcjonowaniem mięśni występująca często jako niekontrolowany skurcz mięśni), trudności w oddychaniu, migotanie serca, a nawet śmierć. Paraliż mięśni może spowodować, że ofiara nie będzie w stanie oderwać się od źródła prądu.

Głównymi czynnikami, od których zależy nasilenie objawów porażenia elektrycznego, są:

1. Natężenie prądu $I$.
2. Ścieżka przepływu prądu.
3. Czas trwania przepływu prądu.
4. Częstotliwość $f$ płynącego prądu ($f=0\mathrm{Hz}$ dla obwodów DC).

Ze względu na dużą zawartość wody nasze ciała są stosunkowo dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Niebezpieczeństwo występuje, gdy ciało pozostaje w kontakcie ze źródłem napięcia i jest jednocześnie uziemione. Termin „uziemione” określa możliwość odprowadzenia ładunków do dużego ich odbiornika, na przykład ziemi (stąd nazwa). Gdy istnieje bezpośrednia droga do niej, duże prądy będą przepływać przez części ciała o najmniejszym oporze do miejsca uziemienia (kontaktu z ziemią). Środkiem ostrożności stosowanym w wielu zawodach jest noszenie izolowanych butów. Ze względu na duży opór zapobiegają one przepływowi elektronów przez stopy do ziemi. Ilekroć pracujemy z narzędziami wymagającymi dużej mocy lub jakimkolwiek obwodem elektrycznym, musimy się upewnić, że nie stanowimy drogi dla ewentualnego przepływu prądu (zwłaszcza przez serce). Typowym środkiem ostrożności jest praca jedną ręką, zmniejszająca niebezpieczeństwo przepływu prądu przez serce.

Prądy o bardzo małym natężeniu nieszkodliwie i nieodczuwalnie przepływają przez ciało. Zdarza się to regularnie bez naszej wiedzy. Próg odczuwania prądu wynosi tylko $1\mathrm{mA}$, a choć nieprzyjemne, porażenia prądem o natężeniu poniżej $5\mathrm{mA}$ są najwyraźniej nieszkodliwe. Wiele reguł bezpieczeństwa przyjmuje $5\mathrm{mA}$ jako dopuszczalną wartość przepływającego prądu. Przy natężeniu prądu między $5\mathrm{mA}$ a $30\mathrm{mA}$ i wyższych prąd może stymulować trwałe skurcze mięśni, podobnie jak regularne impulsy nerwowe (Ilustracja 10.42). Bardzo duże prądy (o natężeniu powyżej $300\mathrm{mA}$) powodują, że serce i przepona ulegają skurczowi na czas przepływu. Zarówno serce, jak i oddech się zatrzymują. Do normy powracają zwykle, gdy porażenie ustaje.

Ilustracja 10.42 Prąd elektryczny może powodować skurcze mięśni o różnym działaniu. (a) Ofiara jest odrzucana do tyłu przez mimowolne skurcze mięśni, które prostują nogi i tors; (b) ofiara nie może puścić przewodu, który spowodował skurcz wszystkich mięśni dłoni. Te, które zginają palce, są silniejsze od tych, które palce prostują.

Natężenie prądu to główny czynnik determinujący dotkliwość porażenia prądem. Większe napięcie jest bardziej niebezpieczne, ale ponieważ $I=U∕R$, dotkliwość działania prądu zależy od kombinacji napięcia i oporu. Na przykład osoba z suchą skórą ma oporność około $250\mathrm{k\Omega }$. Jeśli wejdzie w kontakt ze źródłem AC $230\mathrm{V}$, to prąd o natężeniu

przepływa przez nią nieodczuwalnie. Ta sama osoba, ale z wilgotną skórą, może mieć oporność $20\mathrm{k\Omega }$, a te same $230\mathrm{V}$ wytwarza prąd o natężeniu $\mathrm{11,5}\mathrm{mA}$, czyli powyżej dopuszczalnego progu, który może być niebezpieczny.

Bezpieczeństwo elektryczne: systemy i urządzenia

Ilustracja 10.43 (a) przedstawia schemat prostego obwodu prądu przemiennego (AC) bez funkcji bezpieczeństwa. W praktyce w inny sposób rozdziela się zasilanie. Nowoczesne gospodarstwa domowe i instalacje przemysłowe wymagają systemu trójprzewodowego (ang. three-wire system), pokazanego schematycznie w części (b), na który składają się trzy izolowane druty: fazowy (gorący), neutralny i ochronny (uziemienie). Instalacja elektryczna ma też kilka funkcji bezpieczeństwa. Pierwszą z nich jest poznany wcześniej wyłącznik instalacyjny (ang. circuit breaker), nazywany też bezpiecznikiem (ang. fuse), zapobiegający przeciążeniu termicznemu. Drugą jest obudowa ochronna wokół urządzenia, taka jak w tosterze czy lodówce. Funkcja zabezpieczająca obudowy polega na uniemożliwieniu użytkownikowi dotknięcia odsłoniętych przewodów i kontaktu z obwodem elektrycznym, co pomaga zapobiec porażeniu.

Ilustracja 10.43 (a) Schemat prostego obwodu AC ze źródłem napięcia i jednym urządzeniem reprezentowanym przez opór $R$. W tym obwodzie nie ma żadnych funkcji bezpieczeństwa. (b) System trójprzewodowy uziemia za pomocą tzw. przewodu neutralnego (tj. łączy z ziemią) źródło zasilania oraz użytkownika, zapewniając im potencjał zerowy oraz alternatywną drogę powrotną dla prądu płynącego przez ziemię. Obudowa urządzenia jest również uziemiona do potencjału zerowego. Wyłącznik instalacyjny lub bezpiecznik chroni przed przeciążeniem termicznym i jest połączony szeregowo z fazowym (gorącym) przewodem.

Trzy połączenia z ziemią zaznaczono na Ilustracji 10.43 (b). Przypomnijmy, że uziemienie jest ścieżką o małej rezystancji, bezpośrednio połączoną z ziemią. Dwa połączenia uziemiające na przewodzie neutralnym wymuszają, aby miał on zerowy potencjał w stosunku do ziemi, stąd jego nazwa. Przewód neutralny to ścieżka powrotna dla prądu, aby ten mógł zamknąć obwód. Ponadto dwa punkty uziemienia zapewniają alternatywną ścieżkę przez ziemię (która jest dobrym przewodnikiem), aby także zamknąć obwód. Złącze uziemiające bliższe źródła zasilania może być fizycznie umiejscowione w elektrowni, podczas gdy drugie znajduje się u użytkownika. Trzecie uziemienie jest podłączone do obudowy urządzenia poprzez żółto-zielony przewód uziemienia, zapewniając zerowy potencjał obudowy. Przewód fazowy (lub gorący) dostarcza napięcie i prąd niezbędne do działania urządzenia. Ilustracja 10.44 przedstawia bardziej obrazową wersję sposobu podłączenia systemu trójprzewodowego za pomocą trójpunktowej wtyczki urządzenia.

Ilustracja 10.44 Standardowa wtyczka trójpunktowa (dwa bolce i gniazdo dla bolca uziemienia montowanego w gniazdku), którą można podłączyć tylko w jeden sposób, aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie układu trójprzewodowego.

W celu identyfikacji przewodów tworzywo sztuczne, z którego wykonano ich izolację, jest kodowane określonym kolorem, ale kody te są różne w różnych krajach. Istotne jest, aby określić kod koloru w danym regionie. Zgodnie z polskimi normami: izolacja przewodu fazowego ma zwykle kolor czarny lub brązowy, przewód neutralny ma izolację koloru jasnoniebieskiego, a przewód ochronny (uziemienie) ma izolację żółto-zieloną. Specjalnie dla osób, które nie rozpoznają kolorów, powłoki izolacyjne czasem mają także oznaczenia paskowe.

Uziemienie obudowy rozwiązuje więcej problemów. Najczęstszy z nich to zużycie (przetarcie) izolacji na przewodzie gorącym. Odsłonięty przewód umożliwia kontakt z obudową, jak na Ilustracji 10.45. Brak uziemienia może doprowadzić do poważnego porażenia elektrycznego. Jest to szczególnie niebezpieczne w kuchni, gdzie dobre połączenie z ziemią jest możliwe, np. przez rozlaną na podłodze wodę lub poprzez instalację wodną. Przy podłączonym uziemieniu wyłącznik instalacyjny zadziała, przerywając obwód, choć może to spowodować uszkodzenie urządzenia.

Ilustracja 10.45 Zużyta izolacja umożliwia kontakt przewodu gorącego z metalową obudową urządzenia. (a) Przerwane połączenie z ziemią może spowodować poważne obrażenia osoby porażonej. Urządzenie zaś może działać normalnie. (b) Przy prawidłowym uziemieniu zadziała wyłącznik, co może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia.

Wyłącznik różnicowoprądowy (ang. residual current circuit breaker – RCCB) jest urządzeniem zabezpieczającym, które można znaleźć we współczesnych instalacjach, zwłaszcza w obwodach zasilających kuchnię i łazienkę. Działa on na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Porównuje natężenia prądów w fazowych i neutralnych przewodach. Gdy nie są one równe, co występuje prawie zawsze, ponieważ natężenie prądu w przewodzie neutralnym jest mniejsze niż w fazowym, wtedy prąd, nazywany prądem upływu, powraca do źródła napięcia inną ścieżką niż przez przewód neutralny. Ta inna droga przepływu prądu stanowi zagrożenie. Wyłącznik różnicowoprądowy zazwyczaj przerywa obwód, jeśli natężenie prądu upływu przekracza $5\mathrm{mA}$ – maksymalną akceptowalną wartość natężenia prądu, która nie powoduje obrażeń. Nawet jeśli prąd upływu jest bezpiecznie odprowadzany do ziemi poprzez nieuszkodzony przewód uziemienia, to RCCB zadziała, co zmusi użytkownika do naprawy usterki.