Основні поняття, визначення та пояснення

РОЗДІЛ 1. ПОНЯТІЙНИЙ І ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГІЧНИЙ АПАРАТ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ

Основні поняття, визначення та пояснення

Тіло людини є провідником електричного струму. Електричний струм одночасно відноситься до небезпечних та шкідливих виробничих чинників.

Згідно з ДСТУ 2293-99 [19], небезпечний виробничий чинник – це виробничий чинник, вплив якого на працівника за певних умов призводить до травм, гострого отруєння або іншого раптового різкого погіршення здоров'я або до смерті. У свою чергу, шкідливий виробничий чинник – це виробничий чинник, вплив якого на працівника за певних умов призводить до захворювання, зниження працездатності i (або) негативного впливу на здоров'я нащадків.

Зазначимо, що чинник – поняття, похідне від понять “чинити”, “діяти”, “здійснювати певний вчинок, дію”. Іншими словами, за змістом це поняття пов’язане з діяльністю людини, тобто має суб’єктивний характер. Серед синонімів цього поняття слід виділити поняття “ фактор ” (лат. facere – діяти, виробляти, примножувати), зміст якого має переважно об’єктивний характер, тобто не залежить від діяльності людини. Прикладом можуть бути метеорологічні фактори: температура середовища, атмосферний тиск, вологість повітря тощо. У вказаному сенсі ми будемо розрізняти поняття “чинник” і “фактор”.

Електричний струм, як усякий упорядкований рух електричних зарядів у просторі, є активним небезпечним та шкідливим виробничим фактором. Електричний струм є носієм електричної (електродинамічної) енергії. Вказана енергія за певних умов може перетворюватися в механічну енергію, в енергію електромагнітного поля, в теплову енергію, в хімічну енергію тощо. Напруженості електричного та магнітного полів відносяться до групи фізичних шкідливих виробничих факторів, які проявляються в робочому середовищі, зокрема в знаряддях праці (ручні електричні машини, персональні комп’ютери тощо). Електричний струм має потенційну властивість завдавати шкоду здоров’ю або життю людей, діяльність яких пов’язана з виробництвом чи побутом.

Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 [12], електротравматизм – це явище, що характеризується сукупністю електротравм, тобто травм, спричинених дією на організм людини електричного струму і / або електричної дуги. Електрична дуга, яка виникає при розриві кіл високої напруги або кіл високих сил струму, є один з видів самостійного дугового розряду в газі, в якому розрядні явища зосереджені у вузькому плазмовому шнурі, що яскраво світиться.

Окрім цього, розрізняють електротравми природного характеру: від безпосереднього (прямого) удару блискавки, від вторинної дії блискавки – електричного та магнітного полів.

Електротравматизм є хворим місцем сучасної цивілізації так, як він кількісно не убуває. Це пов’язано з тим, що крім насичення виробництва електричними машинами, електрообладнанням, приладами й електрифікованими інструментами, спостерігається істотна електрифікація сфери обслуговування та побуту [29].

Проблема електротравматизму актуальна тому, що людина не здатна без спеціальних приладів визначити наявність на струмопровідній частині електрообладнання напруги, дія якої є раптовою, тому організм не здатний завчасно виробити захисну реакцію. Струм, що є наслідком напруги, діє на тканини й органи не тільки в місці контакту зі струмопровідною частиною, а й на шляху протікання. Електричний струм є надзвичайно сильний подразник і впливає на весь організм, що може призвести до порушення функцій центральної нервової системи, серцево-судинної та дихальної систем, а також викликати місцеві (локальні) пошкодження.

Електротравматизм, як суспільне явище переважно техногенної сфери, повинно бути протиставлено електробезпеці.

Електробезпека – система організаційних і технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей від шкідливої та небезпечної дії електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля та статичної електрики [12].

Теоретичною основою електробезпеки є Правила улаштування електроустановок (ПУЕ), Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів (ПБЕ), Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів (ПТЕ) і Теоретичні основи електротехніки (ТОЕ).

Визначення менше за обсягом дано в ПУЕ: електробезпека – відсутність загрози з боку електроустановок життю, здоров’ю та майну людей, тваринам, рослинам і навколишньому середовищу, що перевищує допустимий ризик [45].

Розглянемо декілька понять, які складають елементи понятійного апарату електробезпеки.

У ПУЕ сформульовано таке визначення: електроустановки – сукупність машин, апаратів, ліній електропередачі та допоміжного обладнання (разом зі спорудами і приміщеннями, в яких вони встановлені), що призначені для виробництва, перетворення, трансформації, передачі, розподілу електричної енергії та перетворення її в інший вид енергії [45].

ПТЕ дають таке визначення: електроустановка є комплекс взаємопов’язаних устаткування і споруд, що призначаються для виробництва або перетворення, передачі, розподілу чи споживання електричної енергії [44]. Іншими словами, електроустановка являє собою сукупність підключеного один до одного електрообладнання, які виконують певні функції, наприклад, виробництво, перетворення, передачу, розподіл, накопичення або споживання електроенергії.

Як відомо з лексики, зміст поняття означає сукупність суттєвих ознак предметів, за якими відбувається узагальнення предметів в цьому понятті, а обсяг – сукупність предметів, які узагальнюються в даному понятті. Зокрема, обсяг технічного поняття “ електроустановка ” перевищує обсяги інших споріднених понять, до яких відносяться “ електрообладнання ”, “ електромережа ”, “ електроприймач ”, “ споживач електричної енергії ”. Зміст кожного з останніх понять більше змісту базового поняття “електроустановка” відповідно до відомого у формальній логіці закону оберненого відношення: при обмеженні обсягу поняття виникають нові ознаки, тобто зміст поняття збільшується.

Відповідно до ПБЕ електроустановка діюча – електроустановка або її ділянка, які знаходяться під напругою або на які напруга може подаватися включенням комутаційних апаратів, а також повітряна лінія електропередачі (ПЛ), розташована в зоні дії наведеної напруги або що має перетин з діючою ПЛ [42].

Електрична енергія або електроенергія – вид енергії, що існує у вигляді потенційної енергії електричного і магнітного полів та енергії електричного струму.

Студенти електротехнічних й електроенергетичних спеціальностей знають, що електрична енергія поділяється на активну та реактивну. Генератори електростанцій передають до електроприймачів як активну, так і реактивну енергію.

Активна електрична енергія (відповідає активній складовій електричного струму) споживається будь-яким навантаженням, виконує корисну роботу та перетворюється в інші види енергії (механічну,теплову, світлову, звукову тощо). Іншими словами, активний тип навантаження (електропечі, нагрівачі, лампи розжарювання тощо) поглинає всю отриману від джерела енергію та перетворює її в корисну роботу, при цьому коефіцієнт потужності максимальний: cos j = 1, де j – кут зсуву фаз між струмом і напругою.

Нагадаємо читачам, що в активних споживачах електричної енергії коливання напруги u = U_m sin wt та струму i збігаються за фазою, тобто вектор напруги на активному опорі R збігається за фазою зі струмом :

i = u / R = U_m / R× sin wt = I_m × sin wt, (1.1)

де амплітудне значення струму I_m = U_m / R, а діюче значення струму I = I_m / = U_m / (R ) = U / R, тобто закон Ома для кола з активним опором справедливий не тільки для миттєвих значень (i = u / R), але й для діючих значень:

I = U / R. (1.2)

Активна потужність P знаходиться як середнє значення миттєвої потужності p = i × u за період, тобто:

P = (1/ T) × = (1/ T) × = U × I = (I R) × I = I²× R, Вт, (1.3)

де T – період змінного струму.

Таким чином, в колі з активним опором R енергія електричного струму

E = P × t = I U × t = I² ×R × t, кВт × год (1.4)

весь час поступає із мережі до споживача та необоротно перетворюється в ньому в теплову енергію (термічні печі, електронагрівальні плитки, праски тощо), механічну енергію (повністю завантажені електродвигуни тощо), променеву та теплову енергію (освітлювальні лампи), яка розсіюється в зовнішньому середовищі.

Якщо активний струм служить для виконання корисної роботи, то реактивни й – для створення електромагнітних полів. Реактивна електрична енергія – технологічно шкідлива циркуляція електричної енергії між джерелом електропостачання і приймачами змінного електричного струму, яка викликана електромагнітною незбалансованістю електроустановок. Вказана циркуляція пов’язана з тим, що переважно електроприймачі мають у своєму складі реактивні елементи (індуктивність і ємність), які відповідно з випередженням або з запізненням накопичують енергію. Як наслідок, виникає зсув фаз між струмом і напругою, а коефіцієнт потужності відрізняється від одиниці, тобто: 0 < cos j < 1. Прикладом реактивного навантаження переважно ємнісного типу є проводи ЛЕП, а переважно індуктивного типу – електродвигуни.

Формалізуємо наведені вище якісні міркування. Повний опір фази А, яка схематично зображується як коло змінного струму, визначається алгебраїчною і показниковою формою (рис. 1.1):

= + j × = + j ( – ) = × , (1.5)

де z = = – модуль комплексного повного опору; j = arc tg X / – аргумент комплексного загального опору. Активна складова напруги = × збігається зі струмом, індуктивна складова = j випереджає струм на p / 2, ємнісна складова = – j відстає від струму на p / 2. Тоді сума падінь напруг на активному та реактивному (індуктивно-ємнісному) опорах визначається таким чином

= × + j + (– j ). (1.6)

Звідси закон Ома для ділянки нерозгалуженого кола (для фази А) синусоїдального струму в символічному (комплексному) вигляді:

= / = . (1.7)

Модуль комплексного струму визначає силу струму в колі

І_А = U_A / z, (1.8)

де U_A – діюча напруга на фазі А, яка пов’язана з амплітудою напруги U_m так:

U_A = U_m / (1.9)

І, нарешті, розглянемо випадок, близький до реального, а саме послідовне з’єднання активного опору, індуктивності та ємності в колі змінного струму. Електричне коло – сукупність провідних частин, через які може протікати електричний струм при нормальному чи аварійному режимі роботи електроприймача. Більш точне визначення електричного кола таке: це сукупність пристроїв і об’єктів, що утворюють шлях для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можуть бути описані за допомогою понять про електрорушійну силу, струм і напругу.

З врахуванням вище викладеного, діюче значення результуючої напруги визначається векторною сумою, в якій складові є падіння напруги на відповідно активному, індуктивному та ємнісному опорах кола: = + + . Вектор результуючої напруги випереджує вектор діючого значення струму на кут j – кут зсуву фаз між фазною напругою і відповідним йому фазним струмом . Тоді падіння напруги на активному опорі U_а = U×cos j, а на реактивному опорі U_р = U_L – U_C = U×sin j. Помноживши обидві частини виразів на діюче значення сили струму І будемо мати співвідношення активної P, реактивної (індуктивно-ємнісної) Q та повної (загальної) S потужностей:

P = S cos j = U I cos j, Вт (1.10)

Q = S sin j = U I sin j, вар; (1.11)

S = = U × I, В ×А, (1.12)

Коефіцієнт потужності cos j – параметр, який показує, яку частину становить активна потужність P від повної потужності S. На електростанціях cos j має бути близьким до 0,95. Для приймачів бажано, щоб cos j не був низький.

До споживачів електроенергія доставляється через електромережу. Споживач використовує електричну енергію для виконання механічної роботи, опалення, освітлення, комунікації тощо. У свою чергу, сукупність компонентів, що використовують електричну енергію для виконання певної функції – електротехнічний пристрій.

Електрообладнання – електротехнічні пристрої, у яких виробляється, трансформується, перетворюється, розподіляється чи споживається електроенергія [44]. До електрообладнання відносяться комутаційні апарати в розподільних пристроях електроустановок, а також усі види захисту електроустановок.

Електрообладнання відносяться до класу електротехнічних виробів – виробів, призначених для виробництва, перетворення, розподілу, передачі та використання електричної енергії або для обмеження можливості її передачі.

Передавання та розподіл електричної енергії напругою до і понад 1 кВ без зміни її параметрів здійснюється лінією електропередачі (ЛЕП), зокрема, кабельною лінією (КЛ) або повітряною лінією електропередачі (ПЛ).

Нагадаємо студентам, що для виникнення електричного струму потрібно джерело електричної енергії (електротехнічний пристрій, який перетворює певний вид енергії в електричну енергію), приймач електроенергії (електродвигун, світильник з джерелом світла, електроплита тощо) та провідник (проводи, кабелі). Вказані елементи повинні створювати замкнене електричне коло.