Паразитное напряжение — это возникновение электрического потенциала между двумя объектами, между которыми в идеале не должно быть никакой разницы напряжений. Небольшие напряжения часто существуют между двумя заземленными объектами в отдельных местах из-за нормального тока в системе электропитания. Контактное напряжение — более определенный термин, когда большое напряжение появляется в результате неисправности. Контактное напряжение на корпусе электрооборудования может возникнуть из-за неисправности в системе электропитания, такой как повреждение изоляции.
Терминология, паразитное напряжение, может использоваться в любом случае нежелательного повышенного электрического потенциала. Более точная терминология дает указание на источник напряжения. Напряжение нейтрали относительно земли ( NEV ) конкретно относится к разнице потенциалов между локально заземленным объектом и заземленным обратным проводником, или нейтралью , электрической системы. Нейтраль теоретически имеет потенциал 0 В, как и любой заземленный объект, но ток течет по нейтрали обратно к источнику, несколько повышая напряжение нейтрали. NEV является произведением тока, текущего по нейтрали, и конечного, ненулевого импеданса нейтрального проводника между заданной точкой и ее источником, часто удаленной электрической подстанцией . NEV отличается от случайно включенных объектов, потому что это неизбежный результат нормальной работы системы, а не авария или ошибка в материалах или конструкции.
В 2005 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) созвал Рабочую группу 1695 в попытке сформулировать определения и рекомендации по смягчению различных явлений, называемых «паразитным напряжением». Рабочая группа попыталась провести различие между терминами « паразитное напряжение» и «контактное напряжение» следующим образом:
Несмотря на приведенные выше определения, термин « паразитное напряжение» продолжает использоваться как работниками коммунальных служб, так и широкой общественностью для всех случаев нежелательного избытка электроэнергии. Например, на ежегодной «Конференции имени Джоди С. Лейна по обнаружению, смягчению и предотвращению паразитного напряжения», состоявшейся в штаб-квартире Con Edison в Нью-Йорке в апреле 2009 года, президенты большинства крупных коммунальных служб со всех концов США и Канады продолжали использовать паразитное напряжение для всех случаев нежелательного избытка электроэнергии. Термин « контактное напряжение » был использован только один раз, возможно, потому, что «контактное напряжение» обычно является ошибкой компании-поставщика, сети или монтажной компании. Немногие компании готовы открыто обсуждать свои неисправности, не говоря уже о тех, которые считаются опасными для жизни. Похоже, что паразитное напряжение теперь является общим термином для всех нежелательных утечек напряжения, поскольку он классифицирует неисправность как часть нормальной работы и, таким образом, ограничивает ответственность.
В Нью-Йорке женщина, Джоди С. Лейн, была убита током в январе 2004 года от металлической дорожной коммунальной плиты размером пять на восемь футов, которая находилась под напряжением от «неправильно изолированного провода». [3] При освещении ее смерти и растущей обеспокоенности относительно роли коммунальных служб в обеспечении электробезопасности в городской среде и СМИ, и регулирующее агентство штата Нью-Йорк использовали термин «паразитическое напряжение» для обозначения напряжения нейтрали относительно земли (NEV), но признали, что известность инцидента в Лейн привела к тому, что термин «паразитическое напряжение» стал хорошо узнаваемым среди общественности.
Затем регулятор использовал термин «паразитное напряжение» для обозначения любых «состояний напряжения на электроустановках, которые обычно не должны существовать. Эти состояния могут быть вызваны одним или несколькими факторами, включая, помимо прочего, поврежденные кабели, изношенную, изношенную или отсутствующую изоляцию, неправильное обслуживание или неправильную установку». [4] В том же документе комиссия признала NEV естественным состоянием. [ необходимо разъяснение ]
С тех пор этот термин имел по крайней мере два совершенно разных определения, что сбивало с толку коммунальные службы, регулирующие органы и общественность. [5] Термин «паразитное напряжение» обычно используется для всех нежелательных утечек электричества как широкой общественностью, так и многими специалистами по электроснабжению. Другие более эзотерические явления, которые также приводят к повышенному напряжению на обычно не находящихся под напряжением поверхностях, также называются «паразитным напряжением». Примерами являются напряжение от емкостной связи , ток, наведенный линиями электропередач, ЭМП , молния , повышение потенциала земли и проблемы, возникающие из-за открытых (отсоединенных) нейтралей.
Незаземленные металлические предметы, расположенные вблизи источников электрического поля , таких как неоновые вывески или проводники, по которым течет переменный ток, могут иметь измеримые уровни напряжения, вызванные емкостной связью . Поскольку напряжения, обнаруженные приборами с высоким импедансом, исчезают или значительно уменьшаются при замене на прибор с низким импедансом, этот эффект иногда называют фантомным напряжением (или напряжением призрака ). [6] Этот термин часто используется электриками и может наблюдаться, например, при измерении напряжения на осветительном приборе после извлечения лампочки. Обычно измеряют фантомные напряжения 50–90 В при тестировании проводки обычных цепей на 120 В с помощью прибора с высоким импедансом. Создаваемое напряжение может почти соответствовать полному напряжению питания, но емкость или взаимная индуктивность между проводами систем электропроводки зданий , как правило, довольно низки и не способны обеспечить подачу значительного количества тока . [7]
Однако при работе с воздушными линиями электропередачи на высоковольтных линиях или вблизи них правила безопасности требуют подсоединения проводника к заземлению во время обслуживания. Это связано с тем, что индуцированные напряжения и токи на проводнике могут привести к поражению электрическим током или серьезным травмам.
Переменный ток отличается от постоянного тем , что ток может проходить через то, что обычно кажется физическим барьером. В последовательной цепи конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный ток.
В системах передачи электроэнергии одна сторона цепи, называемая нейтралью , заземляется для рассеивания статического электричества и снижения опасного напряжения, вызванного нарушением изоляции и другими электрическими неисправностями.
Даже если человек стоит на изолированной поверхности, он может получить удар током, просто прикоснувшись к проводу под напряжением , поскольку его тело имеет емкостную связь с землей, на которой он стоит.
Классическая электромагнитная индукция может возникнуть, когда длинные проводники образуют открытую заземленную петлю под линиями электропередачи или распределения и параллельно им. В этих случаях ток индуцируется в петле, когда человек соприкасается с ней и землей. Поскольку это подразумевает реальный ток, это потенциально опасно. Этот тип индуцированного тока чаще всего возникает на длинных ограждениях и распределительных линиях, построенных под линиями электропередачи высокой мощности . [8] [9]
Паразитное напряжение может просачиваться через поврежденную или изношенную изоляцию. Неисправная изоляция по сути является высокоимпедансным дефектом, который позволяет току течь по любому доступному пути к земле, состояние, которое может вызвать удары током или пожар, если его не устранить. Эта утечка может произойти, когда есть повреждение, вызванное физическими, термическими или химическими нагрузками на изоляцию на линиях электропередач, особенно, но не ограничиваясь, подземными или подводными кабелями. Примерами такого повреждения являются вздутая или треснувшая изоляция от перегрева, ссадины, вызванные рытьем или заеданием земли, и коррозионное повреждение от воздействия соли или масла. Утечка тока может также происходить из-за накопления влаги, соли, пыли и грязи на открытых воздушных изоляторах в воздушном распределении электроэнергии. Если утечка в этих случаях достаточно серьезная, она может привести к возгоранию опоры электропередач.
Термин «паразитное напряжение» используется для градиента (скорости изменения в зависимости от расстояния) электрического потенциала на поверхности почвы, связанного с однопроводными системами распределения электроэнергии с возвратом через землю, используемыми в некоторых сельских районах. Этот градиент низок в точках, удаленных от соединений с возвратом через землю, но увеличивается вблизи заземляющих стержней, где металлическая цепь входит в землю.
В трехфазных четырехпроводных («звезда») системах электропитания, когда нагрузка на фазы не совсем одинакова, в нейтральном проводнике есть некоторый ток. Поскольку и первичная, и вторичная обмотки распределительного трансформатора заземлены, а первичное заземление заземлено более чем в одной точке, земля образует параллельный обратный путь для нейтрального тока, позволяя части нейтрального тока непрерывно протекать через землю. Такое расположение частично ответственно за паразитное напряжение. [10]
Паразитное напряжение является результатом конструкции 4-проводной распределительной системы и как таковое существовало с тех пор, как такие системы использовались. Паразитное напряжение стало проблемой для молочной промышленности через некоторое время после того, как были введены электрические доильные аппараты, и большое количество животных одновременно контактировало с металлическими предметами, заземленными на электрическую распределительную систему и землю. Многочисленные исследования документируют причины, [11] физиологические эффекты, [12] и профилактику, [13] [14] паразитного напряжения в фермерской среде. Сегодня паразитное напряжение на фермах регулируется правительствами штатов и контролируется конструкцией эквипотенциальных плоскостей в местах, где скот ест, пьет или дает молоко. Коммерчески доступные нейтральные изоляторы также не позволяют повышенным потенциалам на нейтрали коммунальной системы повышать напряжение нейтрального или заземляющего проводов фермы.
Обычно в системах рельсового транспорта по крайней мере один из рельсов используется в качестве обратного проводника для тягового тока. Такая компоновка является общепринятой, исходя из экономических соображений, поскольку она не требует установки дополнительного обратного проводника. Этот рельс контактирует с землей во многих местах по всей своей длине. Поскольку ток будет следовать по каждому параллельному пути между источником и нагрузкой, некоторая часть тягового тока также будет протекать через землю. Обычно это называют током утечки или блуждающим током. Величина тока утечки зависит от проводимости обратных путей по сравнению с почвой; и от качества изоляции между путями и почвой. Там, где железная дорога использует постоянный ток , этот блуждающий ток может вызвать повреждение других зарытых металлических объектов путем электролиза и ускорить коррозию металлических объектов, контактирующих с почвой. [15]
Разнородные подземные металлы, такие как медь и сталь, могут функционировать как полюса гальванического элемента , используя влажную почву в качестве электролита. Блуждающие постоянные токи в почве могут противодействовать антикоррозионному эффекту системы катодной защиты . Проектирование систем передачи постоянного тока высокого напряжения должно быть осторожным, чтобы ток, текущий в земле, не вызывал нежелательную коррозию подземных объектов, таких как трубопроводы.
Блуждающие токи от железных дорог создают или ускоряют электролитическую коррозию металлических конструкций, расположенных вблизи транзитной системы. Металлические трубы, кабели и заземляющие сетки, проложенные в земле вблизи путей, могут иметь гораздо более короткий срок службы и безопасности.
Небольшие паразитные напряжения могут никогда не быть замечены и могут быть обнаружены только вольтметром . Более крупные паразитные напряжения могут иметь ряд последствий, от едва заметных до опасных электрических ударов или непреднамеренного электрического нагрева, приводящего к пожарам. Обычно металлические корпуса электрооборудования соединяются с землей, чтобы предотвратить опасность поражения электрическим током, если находящиеся под напряжением проводники случайно коснутся корпуса. Если такое соединение не предусмотрено или вышло из строя, возникает серьезная опасность поражения электрическим током или электротравмы при контакте проводников цепи с корпусом.
В любой ситуации, когда находящееся под напряжением оборудование находится в тесном электрическом контакте с человеком или животным (например, бассейны, хирургические кабинеты, электрические доильные аппараты, автомойки, прачечные и многие другие), особое внимание следует уделять устранению паразитных напряжений. Сухая неповрежденная кожа имеет более высокое сопротивление, чем влажная кожа или рана, поэтому напряжения, которые в противном случае остались бы незамеченными, становятся значительными в мокрой или хирургической ситуации. Разность потенциалов между водой в бассейне и перилами или душевыми и заземленными сливными трубами является обычным явлением из-за напряжения нейтрали относительно земли (NEV). Разность потенциалов может быть серьезной неприятностью, но обычно не опасна для жизни. Однако токопроводящий проводник с поврежденной изоляцией может привести к контактному напряжению в неожиданных местах. Контактное напряжение на металлических деталях под напряжением может быть очень опасным и может привести к удару током или поражению электрическим током. Состояние контактного напряжения может возникать спонтанно из-за механического, термического или химического воздействия на изоляционные материалы или из-за непреднамеренного повреждения при земляных работах, заклинивании от замерзания, коррозии и обрушении кабелепровода или даже из-за проблем с качеством изготовления.
Контактное напряжение активирует объекты, которые обычно безопасны — металлические заборы, металлические телефонные будки, металлические уличные знаки и т. д. Везде, где есть подземная электропроводка, в ней может произойти сбой и создать условия, которые позволят электричеству течь в непосредственное окружение. Некоторые системы схем имеют защитные устройства, такие как автоматические выключатели или прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI), предназначенные для изоляции такой неисправности. Однако при отсутствии защитных устройств неисправность останется незамеченной, пока она не приведет к неисправности или инциденту с разрядом энергии.
Блуждающее напряжение может иметь пагубные последствия для здоровья и производительности животных. [16] Некоторые фермеры, занимающиеся молочным хозяйством, заявляли об ущербе, причиненном им урожайности или скоту. [17]
Доктор Дуглас Дж. Райнеманн, профессор кафедры биологической системной инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон , в 2003 году сообщил о паразитных напряжениях на молочных фермах. [18] При расследовании заявлений о паразитных напряжениях необходимо также учитывать другие проблемы со здоровьем животных.
В 2003 году Верховный суд Висконсина подтвердил решение о выплате 1,2 млн долларов электроэнергетической компании Висконсина WEPCO в деле Хоффман против компании Wisconsin Electric Power Company . Семья Хоффман, фермеры-молочники недалеко от Нью-Лондона , подали в суд на WEPCO после нескольких лет снижения производства. WEPCO измерила на ферме токи из-за паразитного напряжения <1 мА , «уровня беспокойства», установленного Комиссией по коммунальным услугам Висконсина , но суд постановил на процессуальных основаниях, что предприятие может быть признано небрежным в соответствии с общим правом, даже если оно соответствовало государственному стандарту. По словам суда, Хоффманы представили жизнеспособную альтернативную теорию о том, что паразитное напряжение нанесло им экономический ущерб. [19]
В 2017 году присяжные встали на сторону фермеров Пола и Лин Халдерсон, чтобы урегулировать иск против Xcel Energy на сумму 4,5 млн долларов . Халдерсоны утверждали, что блуждающее напряжение от высоковольтных линий электропередач нанесло вред их стаду из 1000 коров и снизило производство молока. Присяжные пришли к выводу, что дочерняя компания Xcel — Northern States Power Company — проявила «небрежность в отношении предоставления электроснабжения». Присяжные присудили 4,09 млн долларов за экономический ущерб и еще 409 000 долларов за «неудобства, раздражение и потерю возможности пользоваться и получать удовольствие» от собственности. [20]
В мегаполисах проблемы паразитного напряжения стали проблемой в 1990-х годах. Во многих из этих районов имеется большое количество устаревшего подземного и надземного электрораспределительного оборудования в многолюдных общественных местах. Даже низкий уровень отказов изоляции или утечки тока может привести к опасному воздействию на население.
В компании Consolidated Edison в Нью-Йорке часто случались инциденты с блуждающим напряжением, [21] [22] включая смерть Джоди С. Лейн от удара током в 2004 году во время прогулки с собакой в Манхэттене . [21] В 2009 году Фонд общественной безопасности Джоди С. Лейн [23] объявил о создании общедоступного веб-сайта с картами, на которых показаны тысячи зарегистрированных мест блуждающего напряжения в Нью-Йорке. Кроме того, Фонд спонсирует «Конференцию по обнаружению, смягчению и предотвращению блуждающего напряжения Джоди С. Лейн», ежегодную встречу, в которой принимают участие коммунальные службы и регулирующие органы со всей страны для обсуждения программ обнаружения блуждающего напряжения. Фонд также инициировал и пропагандирует регулярное мобильное сканирование коммунальными службами на предмет опасностей блуждающего напряжения.
В Бостоне у компании NSTAR Electric (ранее Boston Edison ) также были проблемы с опасными блуждающими напряжениями, которые убили несколько собак в 1990-х годах. [24] В результате правительство города Бостон начало программу по обнаружению, сообщению и устранению опасностей, связанных с блуждающими напряжениями. [25]
Toronto Hydro отстранила всех сотрудников от выполнения обычных обязанностей в выходные 30 января 2009 года, чтобы справиться с продолжающимися проблемами с блуждающим напряжением в городе. [26] Это произошло после того, как пять детей получили удары током [27] , хотя никто из них не получил серьезных травм. Проблема с блуждающим напряжением унесла жизни двух собак за предыдущие несколько месяцев. [28]
В марте 2013 года жительница Калифорнии Симона Уилсон выиграла иск на 4 миллиона долларов против своей энергетической компании после того, как паразитное напряжение от электрической подстанции около ее дома неоднократно поражало ее и членов ее семьи, когда они принимали душ. [29]
Администрация социального обеспечения США, судья по административным делам Эдвард Бергтольдт, в решении от 17 августа 2000 года присудил Майклу Ганнеру постоянную инвалидность из-за воздействия блуждающего напряжения. [ необходима ссылка ]
Паразитное напряжение обычно обнаруживается во время обычных электромонтажных работ или в результате жалобы клиента или инцидента с ударом током. Все большее число коммунальных служб в городских районах теперь проводят регулярные периодические и систематические активные испытания на паразитное напряжение (или, более конкретно, контактное напряжение) в целях общественной безопасности. Некоторые зарождающиеся электрические неисправности также могут быть обнаружены во время обычных работ или программ проверки, которые не сосредоточены специально на паразитном напряжении.
Оборудование, используемое для обнаружения паразитного напряжения, различается, но распространенными устройствами являются электрические тестеры или детекторы электрического поля с последующим тестированием с использованием вольтметра с низким импедансом. Электрические тестеры — это ручные устройства, которые обнаруживают разность потенциалов между рукой пользователя и тестируемым объектом. Они обычно указывают при контакте с объектом под напряжением, если разность потенциалов превышает порог чувствительности устройства. Надежность теста может быть затронута, если пользователь сам находится под повышенным потенциалом или если пользователь не обеспечивает надежный контакт голой рукой с контрольным выводом тестера.
Емкостная связь — это механизм, используемый электрическими тестерами-ручками. Поскольку емкость между объектом и источником тока обычно мала, только очень малые токи могут течь от источника под напряжением к связанному объекту. Высокоомные цифровые или аналоговые вольтметры могут измерять повышенные напряжения от не находящихся под напряжением объектов из связи и, по сути, давать вводящие в заблуждение показания. По этой причине необходимо проверять высокоомные измерения напряжения обычно не находящихся под напряжением объектов.
Проверка показаний напряжения выполняется с помощью вольтметра с низким импедансом , который обычно имеет шунтирующий резистор, шунтирующий клеммы вольтметра. Поскольку очень небольшой ток может протекать от сопряженной поверхности через небольшое сопротивление шунта или счетчика, емкостно-связанные напряжения будут падать до нуля, указывая на безвредную «ложную тревогу». Напротив, если проверяемый объект находится в контакте с источником тока или соединен очень большой емкостью (возможно, но маловероятно в этом контексте), напряжение упадет лишь незначительно, как предписано законом Ома . В этом последнем случае подается реальная мощность, указывая на потенциально опасную ситуацию.
Детекторы электрического поля определяют напряженность электрического поля относительно тела пользователя или монтажной платформы. Ощущая градиенты электрического поля на расстоянии, они могут обнаруживать объекты под напряжением без прямого контакта, что делает эти приборы полезными для сканирования или проверки больших площадей на предмет потенциальных электрических опасностей. Низкое показание электрического поля также дает определенное указание на то, что в пределах проверяемой области нет объектов под напряжением. Детекторы электрического поля реагируют на все источники поля, и любые положительные показания должны быть проверены с помощью вольтметра с низким импедансом для исключения ложных срабатываний. Датчики приближения электрического поля также имеют другие промышленные применения от производства до безопасности зданий.
Поскольку паразитное напряжение невозможно увидеть, понюхать или услышать, у общественности нет простого способа узнать, когда возникает опасное состояние. Периодическое тестирование является важной мерой предосторожности, но возможно, что опасное состояние может возникнуть без предупреждения.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )