Ток в розетке 220В: какой сигнал используется в быту и на производстве. Какие опасности создают современные потребители для обычного человека

Если спросить у старшеклассника какой ток в розетке 220В, то он уверенно ответит, что переменный, а отличник еще добавит, что синусоидальный. Их так научил преподаватель физики. В большинстве случаев они будут правы, но не всегда.

Дело в том, что программа школы дает только базовые знания, которые надо расширять в повседневной жизни. Электричество таит в себе много секретов, которые часто скрыты даже от электриков. Все это создает опасность для обычного человека, которую необходимо учитывать.

На основе опыта энергетика раскрываю, какие риски таит самая обычная розетка в квартире (доме), как от них можно избавиться и какие модули защит способны спасти ваше имущество при аварийных ситуациях. Читайте.

Когда в розетке 220 вольт протекает постоянный ток и чем он опасен

Здесь речь пойдет не о домашней сети, а о производственной. На высоковольтных подстанциях энергетики питание цепей управления, автоматики и устройств защит осуществляется через промышленные аккумуляторные батареи повышенной мощности, используется их постоянный ток.

Такой автономный источник электроэнергии является независимым от воздействий внешней переменной сети. Он надежно обеспечивает оперативные переключения и ликвидации аварийных ситуаций устройствами управления и автоматическими защитами. Это его главная задача.

Величина выходного напряжения такой батареи составляет 220 вольт (такой же показатель, как у домашней сети). Оно разводится по всем панелям РЗА специальными шинками. Защита от тока короткого замыкания и перегрузки выполняется специальным автоматическим выключателем.

Автоматы стоят на входе каждого присоединения. Обычно используются панели или шкафы с тыльной стороны.

При периодических проверках сложных схем на них требуется дополнительно подавать напряжение, контролировать срабатывание реле. С этой целью в релейном зале для питания проверочных устройств ставится розетка, которая подписывается ± 220В.

Она располагается отдельно по центру помещения. Подключение к ней выполняется через удлинители. И вот на этом моменте хочу показать вам курьезный, но поучительный случай, который произошел со мной.

Допустили нас с напарником для плановой проверки защит выключателя линии 110 кВ. Мой помощник Коля с третьим разрядом уже отработал в бригаде 3 месяца. Пока я готовил документацию и выводил по программе защиты из работы, он собирал проверочные устройства, разматывал удлинители.

Обычно мы пользуемся двумя: один с горизонтальным рядом розеток традиционно подключается на постоянный ток, а второй круглый с большим количеством гнезд для питания измерительных приборов – на переменный. Обозначение ~220.

Сразу замечу, что они оба универсальны и взаимозаменяемы, розетки рассчитаны на номинальный ток 6 ампер.

Однако Коля нарушил нашу традицию и перепутал удлинители. (Называется помог и проверил меня на внимательность.)

Когда я стал собирать схему проверки реле, то шнур питания миллисекундомера Ф-738 вставил в привычный удлинитель, который был запитан на постоянку вместо переменки. При включении кнопки «Сеть» пошел дым.

Итог: моментально сгорел трансформатор блока питания, а сложный прибор вышел из строя. Хорошо, что был резервный Ф291, которым и завершили все проверки.

А на ремонт Ф738 ушло более двух недель вечернего времени. Помогло то, что:

• все электротехнические приборы измерения раньше сопровождались соответствующей технической документацией: поиск схем не занял много времени;
• у меня была дополнительная специальность метролога – поверителя приборов электрических величин.

Написал я это для того, чтобы показать, что бытовые приборы, предназначенные для питания от синусоидального напряжения нельзя подключать в цепи постоянного тока: возможно возгорание.

Такое образное напоминание должно вам помочь в будущем избежать неприятных происшествий, повреждений сложной техники.

Какой ток течет в домашней розетке 220В и как его портят современные электрические потребители

Внутри наших жилищ используется два основные вида напряжений, показанных на приведенном ниже графике:

1. постоянное. Источниками электроэнергии выступают: химические источники тока (аккумуляторы, батарейки), а также выпрямители, блоки питания, токовые драйвера;
2. переменное синусоидальное, вырабатываемое генераторами систем энергетики и приходящее по линиям электроснабжения через трансформаторные подстанции.

Эти виды напряжений формируют постоянный или переменный ток в сети при подключении нагрузки.

Другими словами, форма сигнала тока в розетке повторяет внешний вид напряжения, а его значение зависит от приложенного сопротивления. Поясню картинкой, демонстрирующей закон Ома I=U/R. Это основополагающее правило, безупречно работающее при передаче электроэнергии.

Вода в бутылке рукомойника поднята на высоту (разность потенциалов) и обладает потенциальной энергией. Это аналог напряжения, приложенного к контактам розетки.

Когда пробка закрыта, то вода не течет: ее поток не способен преодолеть огромное сопротивление. Чтобы помыть руки требуется повернуть краник и создать струйку, толщину которой можно регулировать вентилем.

Аналогичным образом возникает ток в розетке. Он станет течь (возникает движение заряженных частиц) только тогда, когда к ее контактам будет подключен потребитель с определенным сопротивлением, которым регулируется сила.

Из всех трех параметров (U, I, R) нас больше всего интересует работяга ток I. Ведь только он совершает полезную работу: крутит электродвигатели, нагревает ТЭН, освещает комнату…

Нам важно помнить, что сила тока увеличивается:

1. подъемом напряжения;
2. или снижением сопротивления.

При противоположном действии она уменьшается. Даже единица ее измерения 1 ампер определяется как 1 вольт, разделенный на 1 Ом.

Все это объясняется школьной программой в курсе физики всем ученикам. Причем закон Ома следует применять на любые виды электричества вне зависимости от того, какой протекает ток: постоянный или переменный.

Просто условно принято считать, что переменный однофазный ток имеет направление к потребителю от потенциала фазы генератора, а возвращается по проводнику рабочего нуля, движется по замкнутой цепи.

Важный показатель его синусоиды – частота, измеряемая в Герцах (сокращение Гц). Частота всей европейской сети и России имеет стандартное значение 50Гц. За океаном в стране США задается иной показатель. Там все электрооборудование работает на частоте 60 герц (60 периодов в 1 секунду).

Постоянный же ток имеет направление полярности от плюса источника напряжения к его минусу. Его чаще всего вырабатывают батарейки, аккумуляторы, гальванические элементы автомобильного, воздушного транспорта, солнечные станции домашних устройств.

Им питаются в основном переносные осветительные приборы, мобильные гаджеты, например, смартфоны, detector (металлоискатель), радио приемники, инструмент измерения: те же мультиметры…

4 самых важных параметра синусоидального напряжения

Пришла пора вспомнить тригонометрическую функцию синус, которая описывает текущие значения в определенный момент времени повторяющимся графиком. Для нас это будет выражение: u=sin(ωt).

Рассматривать будем колебания внутри одного периода (выделил его коричневым цветом).

По горизонтали показал угол в радианах, вертикали – синус, меняющийся от -1 до +1. Если единицу подставить максимальным значением (амплитудой Um или Im), то получим формулу выражения напряжения либо тока на любой точке периода.

u=Um·sin(ωt), i=Im·sin(ωt).

Классическая электротехника учитывает в первую очередь четыре характеристики:

1. амплитуду сигнала;
2. частоту f его колебаний в единицу времени или период T, которые связаны формулой f=1/Т;
3. форму, описываемую синусоидальным выражением;
4. угол сдвига по фазе φ относительно начала координат.

На их основе попробую оценить электрический сигнал, приходящий к нам от энергетиков.

Что показывает вольтметр: 3 метода измерения синусоидального сигнала

Настала очередь эксперимента. Взял удлинитель и в каждую розетку вставил вольтметр. Один – старая советская цэшка (тестер Ц4324), а второй – китайский цифровой мультиметр Mestek MT-102.

Их классы точности (важный для метролога показатель прибора) по заводской документации для конкретно этого замера составляет:

• у тестера 4,0;
• мультиметра – 1,0.

Замеренное показание цифрового вольтметра 236 вольт, а на аналоговом приборе – 240. Возникает принципиальный вопрос: на каком месте графика синусоиды находится их точка отсчета и что на самом деле показывает каждый вольтметр (хотя меня в быту устраивают оба: они одного порядка).

Для начала измерения имеет смысл использовать амплитуду, как максимальную величину сигнала. От нее придется отталкиваться дальше, чтобы сформировать общее для всех случаев усредненное показание быстродействующих процессов.

Математически они описываются тремя методиками и вычисляются по формулам как:

1. среднее;
2. средневыпрямленное;
3. или среднеквадратичное выражение.

Среднее значение вычисляется через интеграл и на практике редко где используется. Графически его можно представить смещением гармоники относительно оси абсцисс.

Формула:

Средневыпрямленное напряжение рассчитывается несколько сложнее, но графически его можно представить, как процесс выпрямления нижней полуволны с дальнейшим интегрированием сигнала.

На практике считается как умножение коэффициента 0,64 на амплитуду.

Формула:

Действующее напряжение берется как корень квадратный из суммы квадратов на протяжении одного периода.

Формула:

На практике оно считается как амплитудное, разделенное на корень квадратный из двух.

Важный практический вывод: действующее значение сигнала меньше амплитуды синусоиды в корень из двух, что является основанием использовать коэффициент 0,707=1/√2.

По формуле Uд=Um/√2 работают почти все измерительные приборы. Но делают это разными способами:

1. точным методом определения, который составляет базу лабораторных измерителей;
2. упрощенным.

Интересно для понимания, то, что у аналоговых приборов отсутствует возможность вычисления параметров синусоиды. Они сразу измеряют именно действующее значение без всяких преобразователей. Поэтому до сих пор работают у энергетических специалистов.

Как работают 2 типа цифровых электроизмерительных приборов

На практике они существуют с двумя принципами работы:

1. True RMS;
2. RMS.

Разницу показаний электроприборов и точность этих групп хорошо видно на контрольном фото, где на специальной установке электронный генератор выдает почти синусоиду, а ее величину одновременно измеряют вольтметры обеих групп. Все наглядно, но как сделать выбор?

Приборы работают в одном классе точности, определенном для чистой синусоиды, а показатель напряжения отличается в пределах от 229 до 240 вольт. И это не предел разницы.

Мультиметры True RMS (маркировка указана спереди и в паспорте) наиболее сложные, дорогие, измеряют среднеквадратичное или действующее значение напряжения сразу. Их показания ближе всего соответствуют истине.

Приборы марки RMS проще, дешевле, замеряют средневыпрямленное значение и просто пересчитывают его в действующее умножением на усредненный коэффициент разницы для синусоиды 1,1. Такой упрощенный алгоритм вычислений заложил их изготовитель.

Когда же форма синуса хоть немного искажена, то сразу на показатель вольтметра накладываются ошибки.

Слово «True» переводится с английского языка как истинное. Им обозначают приборы, работающие по принципу измерения среднеквадратичного значения, учитывающего искажение синусоидального сигнала.

При наличии в сети помех приборы группы RMS могут измерять с ошибкой в показаниях до двух раз.

Но не все так плохо с устройствами измерения класса RMS. Их использование вполне оправдано, когда оценивается сила постоянного тока или чистый переменный синус без помех. Проблема в том, что знать это надо заранее, до начала замера. А это чаще всего лабораторные условия.

В современном доме более оправдано использование устройств измерения True RMS. Они точно вычисляют действующее значение не только синусоидального, но и другого вида переменного сигнала (треугольный пилообразный, квадрат, меандр и т п). Что вам выбрать – решайте сами: отличие объяснено.

Теперь я попытаюсь кратко пояснить все про помехи переменного напряжения и тока, накладываемые на идеальную синусоиду и почему нам нужно учитывать их наличие в повседневной деятельности.

Какие искажения сигналов возникают в современной бытовой проводке

Для начала разберемся с работой, которую совершает переменный ток синусоидальной формы и его выражение действующим значением. По закону Ома его формирует идеальное напряжение.

Представим график синусоиды и действующее значение тока для нее iд, который протекает через чисто активное сопротивление, например, ТЭН, резистор.

Работа, которую совершит действующий ток iд, будет равна работе, выполненной постоянным током iп этой же силы. Специально выделил на графике эту область цветным прямоугольником.

Для себя я давно сделал простое правило: действующим называют такое значение переменного сигнала, которое выполняет такую же работу, как его постоянный аналог.

В принципе это идеальный теоретический случай. Но вся наша деятельность далека от него. Поэтому нам требуется знать все нюансы, чтобы вносить корректировки и учитывать различные сложные моменты, происходящие в сети современного электричества.

Какой ток создается современными бытовыми приборами

Электрические токовые нагрузки переменной сети делят на два класса:

1. линейные;
2. не линейные.

Линейными считаются те, которые описываются графиком прямой линии на координатах вольтамперной характеристики (ВАХ), когда приращение напряжения строго пропорционально изменяет силу тока.

Сопротивление в этом случае не вносит никаких корректив на отклонение ВАХ от прямолинейного характера. Его называют активным или резистивным. Сюда относятся мощные электроплиты, чайники и кипятильники с ТЭН-ами, лампы накаливания осветительных устройств.

Все остальные сопротивления по-другому влияют на характер протекания тока через них.

Реактивными нагрузками считаются индуктивности (дроссели, обмотки трансформаторов, электродвигателей) и емкости (конденсаторы). На них сдвигается фаза вектора.

Ток, пропускаемый через конденсатор, опережает синусоиду напряжения на 90 градусов или четверть периода.

Ток, проходящий через индуктивность, отстает от синусоиды напряжения на 90 градусов.

При этом важно понимать, что энергия, расходуемая на реактивных нагрузках, совершает не только полезную работу, но дополнительно тратится на преодоление индуктивных и емкостных сопротивлений. Они создают потери мощности, снижают эффективность системы.

В быту мы часто пользуемся морозильниками, холодильниками, стиральными и посудомоечными машинами, пылесосами, различным электроинструментом.

Все они в совокупности создают увеличенные индуктивные нагрузки, повышают затраты на электроэнергию, ухудшают работу электрических сетей. Но с этим недостатком энергетики как-то научились бороться и мириться.

Однако за последние три десятилетия в нашем быту стало работать много различных полупроводниковых и цифровых устройств: компьютерные и игровые системы, телевизоры, кинотеатры, телефоны, импульсные блоки питания, микроволновые печи, приборы электроники, энергосберегающие люминесцентные и светодиодные лампы…

Электроника вносит значительные искажения в электрические сети. Посмотрим на вольт-амперную характеристику обычного диода. Она сильно отличается от прямой линии резистивного элемента.

Полупроводниковый диод не только срезает одну часть синусоиды, но искажает другую, сильно изменяя ее форму. В результате происходит потребление уже не синусоидального тока, а искаженного.

Еще худшие искажения переменного тока и напряжения способны производить транзисторы, тиристоры, симисторы и другие полупроводники.

Они имеют более сложные разновидности вольт амперных характеристик, преобразуют электроэнергию повышенной мощности, являются генерирующим источником помех, что составляет определенную проблему.

Какую опасность для энергетиков создают нелинейные нагрузки

Давайте представим, как происходит передача электроэнергии от электростанции на розетку в квартире. Для этого между понижающей трансформаторной подстанцией и комнатой собирается цепочка из последовательно соединенных проводов, кабелей и коммутационных аппаратов по схеме фаза-ноль.

Когда на контактах розетки ничего нет (холостой режим), то цепь разомкнута, ток в ней отсутсвует. U1=U2.

При подключении нагрузки картина меняется. Поскольку каждая из цепочек фазы и нуля обладают определенным сопротивлением, то на них выделяется тепловая энергия, происходит падение напряжения.

Поскольку этот ток отличается от идеальной формы синусоиды, то на сопротивлении проводов под его действием возникает дополнительное падение напряжения с искажениями сигнала. Оно складывается с ЭДС подстанции и влияет на него.

Следовательно, напряжение трансформаторной подстанции U1 в розетке падает до величины U2, а в схеме питания ТП появляются не контролируемые помехи, величина которых зависит только от потребителя, передается на источник трансформации.

Эта зависимость не поддается никаким закономерностям и расчетам. Изменения случайны, ибо невозможно предсказать, когда человек включит телевизор или компьютер, микроволновку либо светодиодные лампы, будет ли пользоваться ими сегодня и в какое время.

Представим, как это происходит в масштабе трехфазной сети 380 вольт.

От питающей подстанции по трем фазам к каждому потребителю приходят токи. Они собираются на общей шине и по нулевому проводу возвращаются назад. В нуле происходит сложение всех трех синусоид.

Когда сигналы строго одной формы и величины (я показал идеальный случай на графике, далекий от обычных реалий), то их геометрическая сумма равна нулю ампер. По этому принципу электротехники создавались все старые электрические сети.

Во времена СССР для экономии материальных затрат на кабельную продукцию три фазных жилы рассчитывали по максимальному токовому режиму, а нулевой провод делали несколько тоньше для передачи меньшей мощности. Она была допустимая. Это считалось нормой при монтаже электросети.

Также допускалось в некоторых случаях использовать трехжильный кабель с бронированной оболочкой, а по броне заземления пускать нулевой проводник. Такие схемы работали десятилетиями вполне надежно.

Но наступил 21-й век технического прогресса. Картина кардинально изменилась: люди стали жить лучше, начали массово пользоваться в своем доме электрическими приборами высокой мощности.

Расход электроэнергии, токовые перегрузки на электрическую схему резко возросли, увеличился нагрев жил и контактов, а подключение кабелей и проводов осталось прежним. Никто их не меняет и не модернизирует.

Загруженность такой сети 380В постоянно возрастает. Электропроводка становится опасней. Вопрос упирается в особенности бюджета: денег нет, но мы держимся…что является проблемой перейти на схемы распределения энергии современного монтажа.

Оборудование изношено. Массовое использование полупроводников стало создавать значительные искажения синусоиды в каждой фазе.

Когда такие токи складываются в нулевом проводнике, то их суммарная величина может превысить силу тока в фазе почти до трех раз.

Следует понять, что этот показатель никто практически не учитывает, хотя частота повреждений электрооборудования внутри жилых зданий резко возросла.

Показываю примером графического сложения к чему приводит искажение синусоиды (строго не судите мои навыки художника). Мне важно донести до вас смысловую информацию.

На левой картинке еще раз показал для сравнения сложение идеальных синусоид, а справа – искаженных, которые превышают силу тока в нулевом проводнике. Вычислить их практически не реально.

Теперь представим, что силовой кабель проложен много лет назад, а нулевой проводник подключен через стальную броню (не медь и не алюминий) с тонким сечением ленты. Он подвергается повышенному нагреву, испытывается на прочность.

Слабые контактные соединения под действием повышенной термообработки сильнее окисляются, образуется коррозия, могут полностью отгореть. А что должно произойти в этом случае, показываю дальше: эту информацию важно знать.

Чем опасен обрыв нуля в трехпроводной сети: почему внезапно сгорает дорогое оборудование, подключенное к розетке

Когда обрывается или отгорает ноль, то возникает катастрофа для большинства хозяев, но не всех.

Очередной картинкой стараюсь показать к чему приведет обрыв нуля в трехфазной сети, когда идет питание всех потребителей электроэнергии от трансформаторной подстанции.

При такой ситуации фазное напряжение 220, как таковое пропадает и начинает работать только линейное, которое подается последовательно на две квартиры, например, фазы А и С. Схема сети работает как делитель напряжения.

Их электрическое сопротивление сложится (Ra+Rc) и сформирует общий ток, который станет протекать по всем потребителям. Внутри каждой квартиры появится свое падение напряжения, описанное все тем же законом Ома: U=I·R.

И вот здесь получается очень интересная картина: у одного хозяина в этот момент может работать масса электрических бытовых помощников (морозильник, пылесос, стиральная машина, кухонные плиты или варочная панель повышенной мощности…), а второй сидит под светодиодной лампой и работает за ноутбуком. Все остальное просто выключено.

Теперь считайте, какое напряжение возникнет у одного и другого: надо один и тот же ток умножить на сопротивление всех включенных потребителей. Разница может быть огромна: у одного оно станет мизерным, у второго – близким к 380 В.

Десяток лет назад наш многоквартирный дом пострадал: произошел подобный случай. Электрик ЖКХ по ошибке разорвал соединение контактов нулевого проводника.

У нас ничего критичного не произошло, а вот сосед по лестничной площадке понес большие убытки. У него сгорел телевизор, компьютер, радиотелефон, холодильник, морозильник и почти все лампочки.

Он обращался в энергоснабжающую организацию, подавал в суд, бегал по разным административным инстанциям. Известно, что часть средств ему удалось вернуть. Но сколько все это стоило нервов и потерь времени…

Бывает и хуже. А, ведь есть иной, более доступный и надежный способ избежать подобных затрат.

Как спасти бытовые приборы от случайно возникающих аварийных ситуаций

Производители давно выпускают реле контроля напряжения разных марок. Оно занимает небольшое место в квартирном щитке и молча ждет своего часа: когда наступает критический момент, то осуществляет автоматическое снятие питания со всей квартиры.

Все потребители оказываются обесточенными и спасенными от случайно возникшей в самый неожиданный момент времени аварии в системе питания электричества.

Среди таких моделей набирают популярность изделия от компании RBUZ, позволяющие визуально контролировать одновременно напряжение, силу тока и потребляемую мощность (на фото 223 вольта, 16,7 ампер, 3,7 киловатт «кВт»). Работают встроенные вольтметр, амперметр, ваттметр.

Эта удобная и полезная функция помогает быстро и эффективно оценивать работоспособность системы в обычных и аварийных ситуациях без выполнения дополнительных измерений электрических параметров.

Кстати, номинальный ток этой модели – 63 ампера (более чем достаточно), частота 50Гц. В продаже существуют более простые реле РКН, устраняющие скачки перенапряжения. Их можно установить, а вот стабилизатор при обрыве нуля вряд ли поможет. Подумайте, что безопаснее.

Полезный видеоролик по теме статьи

В своем видео «Защита от обрыва нулевого проводника» владелец ролика Алекс Жук довольно подробно показывает преимущества применения автоматических модулей в жилом доме. Рекомендую вам внимательно посмотреть его информацию.

Считаю, что материал полезный, хорошо объясняет основные принципы работы электричества и преподносится понятным языком.

Как возникают неисправности в розетке 220В: распространенные вопросы от читателей и ответы экспертов на форумах электриков

Блок вопросов и ответов.

Заканчивая статью сайта напоминаю, что сейчас у вас самое благоприятное время задать свой вопрос, узнать на него ответ или поделиться собственным мнением в разделе комментариев.