Как потребляют энергию компьютеры
Итак, оборудование, питающееся переменным напряжением, может не всегда качественно потреблять электрическую энергию, из-за чего в системах электроснабжения переменного тока различают три основных вида мощности: активную, реактивную и полную. При этом качество потребления энергии определяется формой тока, потребляемого оборудованием, и существует три типа нагрузки: активная, индуктивная и емкостная, отличающиеся сдвигом фазы между напряжением и током.
Однако существует еще и четвертый тип нагрузки – нелинейная. У нелинейных нагрузок сдвиг фаз между напряжением и током отсутствует (φ = 0), однако форма тока является несинусоидальной. Такую форму тока имеют узлы, преобразующие переменное напряжение в постоянное.
Чаще всего эти узлы строятся на основе мостовых выпрямителей, работающих на емкостной сглаживающий фильтр (Рисунок 14). Особенностью работы этой схемы является то, что диоды выпрямителя пропускают ток, только когда абсолютное значение входного напряжения будет больше напряжения на конденсаторе, а это происходит лишь вблизи максимумов напряжения.
При таком характере потребления нагрузке за короткий промежуток времени необходимо потребить достаточно большое количество энергии, поэтому ток, забираемый ею из сети, имеет форму коротких импульсов с амплитудой, намного превышающей амплитуду синусоидального тока при той же активной мощности.
Нелинейный характер потребления обычно имеют приложения, в которых происходит преобразование переменного напряжения в постоянное. В их число входит вся электронная техника, в том числе компьютеры, телевизоры, мониторы и прочее информационное оборудование.
В перечне технических характеристик подобных приборов коэффициент мощности присутствует обязательно, однако чтобы не путать с нагрузкой с синусоидальным характером потребления, его обычно обозначают не cosφ, а PF (аббревиатура от «Power Factor). Типовое значение коэффициента мощности обычного компьютерного блока питания (монитора, телевизора и т.п.) находится в пределах 0.65…0.67.
Большое количество устройств с нелинейным характером потребления создает перегрузки в системах электроснабжения. Особенно критичен к этому нулевой провод. Как было показано выше, когда токи имеют синусоидальную форму, то они взаимно компенсируются, в результате чего действующее значение тока в нулевом проводе не превышает тока в фазных проводах.
При нелинейной нагрузке (а ее теперь часто называют «нагрузкой компьютерного типа») этого не происходит, поэтому действующее значение тока в нулевом проводе в самом худшем случае – когда все оборудование формирует ток несинусоидальной формы – может в три раза превышать допустимое значение (Рисунок 16). А энергетики, согласно ПУЭ, используют для него проводники такого же сечения, как и для фазных.
Поэтому неудивительно, что в помещениях, в которых установлено большое количество компьютеров, нулевой провод часто оказывается перегружен и отгорает. Происходит это обычно в распределительных щитах – в месте соединения его с другими проводниками (Рисунок 17).
Охрана труда и техника безопасности
Персональный компьютер — электроприбор. От прочих электроприборов он отличается тем, что для него предусмотрена возможность длительной эксплуатации без отключения от электрической сети. Кроме обычного режима работы компьютер может находиться в режиме работы с пониженным электропотреблением или в дежурном режиме ожидания запроса. В связи с возможностью продолжительной работы компьютера без отключения от электросети следует уделить особое внимание качеству организации электропитания.
Недопустимо использование некачественных и изношенных компонентов в системе электроснабжения, а также их суррогатных заменителей: розеток, удлинителей, переходников, тройников. Недопустимо самостоятельно модифицировать розетки для подключения вилок, соответствующих иным стандартам. Электрические контакты розеток не должны испытывать механических нагрузок, связанных с подключением массивных компонентов (адаптеров, тройников и т.п.).
Все питающие кабели и провода должны располагаться с задней стороны компьютера и периферийных устройств. Их размещение в рабочей зоне пользователя недопустимо.
Запрещается производить какие-либо операции, связанные с подключением, отключением или перемещением компонентов компьютерной системы без предварительного отключения питания.
Компьютер не следует устанавливать вблизи электронагревательных приборов и систем отопления.
Недопустимо размещать на системном блоке, мониторе и периферийных устройствах посторонние предметы: книги, листы бумаги, салфетки, чехлы для защиты от пыли. Это приводит к постоянному или временному перекрытию вентиляционных отверстий.
Запрещается внедрять посторонние предметы в эксплуатационные или вентиляционные отверстия компонентов компьютерной системы.
Особенности электропитания монитора. Монитор имеет элементы, способные сохранять высокое напряжение в течение длительного времени после отключения от сети. Вскрытие монитора пользователем недопустимо ни при каких условиях. Это не только опасно для жизни, но и технически бесполезно, так как внутри монитора нет никаких органов, регулировкой или настройкой которых пользователь мог бы улучшить его работу. Вскрытие и обслуживание мониторов может производиться только в специальных мастерских.
Особенности электропитания системного блока. Все компоненты системного блока получают электроэнергию от блока питания. Блок питания ПК — это автономный узел, находящийся в верхней части системного блока. Правила техники безопасности не запрещают вскрывать системный блок, например при установке дополнительных внутренних устройств или их модернизации, но это не относится к блоку питания. Блок питания компьютера — источник повышенной пожарной опасности, поэтому вскрытию и ремонту он подлежит только в специализированных мастерских.
Блок питания имеет встроенный вентилятор и вентиляционные отверстия. В связи с этим в нем неминуемо накапливается пыль, которая может вызвать короткое замыкание. Рекомендуется периодически (один — два раза в год) с помощью пылесоса удалять пыль из блока питания через вентиляционные отверстия без вскрытия системного блока. Особенно важно производить эту операцию перед каждой транспортировкой или наклоном системного блока.
Система гигиенических требований. Длительная работа с компьютером может приводить к расстройствам состояния здоровья. Кратковременная работа с компьютером, установленным с грубыми нарушениям гигиенических норм и правил, приводит к повышенному утомлению. Вредное воздействие компьютерной системы на организм человека является комплексным. Параметры монитора оказывают влияние на органы зрения. Оборудование рабочего места влияет на органы опорно-двигательной системы. Характер расположения оборудования в компьютерном классе и режим его использования влияет как на общее психофизиологическое состояние организма, так и им органы зрения.
Требования к видеосистеме. В прошлом монитор рассматривали м основном как источник вредных излучений, воздействующих прежде всего на глаза. Сегодня такой подход считается недостаточным. Кроме вредных электромагнитных излучений (которые на современных мониторах понижены до сравнительно безопасного уровня) должны учитываться параметры качества изображения, а они определяются не только монитором, но и видеоадаптером, то есть всей видеосистемы в целом.
Монитор компьютера должен удовлетворять следующим между народным стандартам безопасности:
по уровню электромагнитных излучений — ТСО 95;
по параметрам качества изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства и др.) — ТСО 99.
Узнать о соответствии конкретной модели данным стандартам можно в сопроводительной документации. Для работы с мониторами, удовлетворяющими данным стандартам, специальные защитные экраны не требуется.
На рабочем месте монитор должен устанавливаться таким образом, чтобы исключить возможность отражения от его экрана в сторону пользователя источников общего освещения помещения.
Расстояние от экрана монитора до глаз пользователя должно составлять от 50 до 70 см. Не надо стремиться отодвинуть монитор как можно дальше от глаз, опасаясь вредных излучений (по бытовому опыту общения с телевизором), потому что для глаза важен также угол обзора наиболее характерных объектов. Оптимально, размещение монитора на расстоянии 1,5 D от глаз пользователя, где D — размер экрана монитора, измеренный по диагонали. Сравните эту рекомендацию с величиной 3.5 D, рекомендованной для бытовых телевизоров, и сопоставьте размеры символов на экране монитора (наиболее характерный объект, требующий концентрации внимания) с размерами объектов, характерных для телевидения (изображения людей, сооружений, объектов природы). Завышенное расстояния от глаз до монитора приводит к дополнительному напряжению органов зрения, сказывается на затруднении перехода от работы с монитором к работе с книгой и проявляется в преждевременном развитии дальнозоркости.
Важным параметром является частота кадров, которая зависит от свойств монитора, видеоадаптера и программных настроек видеосистемы. Для работы с текстами минимально допустима частота кадров 72 Гц. Для работы с графикой рекомендуется частота кадров от 85 Гц и выше.
Требования к рабочему месту. В требования к рабочему месту входят требования к рабочему столу, посадочному месту (стулу, креслу), Подставкам для рук и ног. Несмотря на кажущуюся простоту, обеспечить правильное размещение элементов компьютерной системы и правильную посадку пользователя чрезвычайно трудно. Полное решение проблемы требует дополнительных затрат, сопоставимых по величине со стоимостью отдельных узлов компьютерной системы, поэтому и биту и на производстве этими требованиями часто пренебрегают.
Несмотря на то, что школьники проводят в компьютерном классе сравнительно немного времени, обучить их правильной гигиене труда на достойном примере очень важно, чтобы полезные навыки закрепились на всю жизнь. Это не просто требование гигиены, а требование методики.
Монитор должен быть установлен прямо перед пользователем и не требовать поворота головы или корпуса тела.
Рабочий стол и посадочное место должны иметь такую высоту, чтобы уровень глаз пользователя находился чуть выше центра монитора. На экран монитора следует смотреть сверху вниз, а не наоборот. Даже кратковременная работа с монитором, установленным слишком высоко, приводит к утомлению шейных отделов позвоночника. Если при правильной установке монитора относительно уровня глаз выясняется, что ноги пользователя не могут свободно покоиться на полу, следует установить подставку для ног, желательно наклонную. Если ноги не имеют надежной опоры, это непременно ведет к нарушению осанки и утомлению позвоночника. Удобно, когда компьютерная мебель (стол и рабочее кресло) имеют средства для регулировки по высоте. В этом случае проще добиться оптимального положения.
Клавиатура должна быть расположена на такой высоте, чтобы пальцы рук располагались на ней свободно, без напряжения, а угол между плечом и предплечьем составлял 100° — 110°. При использовании обычных школьно-письменных столов добиться одновременно правильного » положения и монитора, и клавиатуры практически невозможно. Для работы рекомендуется использовать специальные компьютерные столы, имеющие выдвижные полочки для клавиатуры. Если такой полочки нет и клавиатура располагается на том же столе, что и монитор, использование подставки для ног становится практически неизбежным, особенно когда с компьютером работают дети.
При длительной работе с клавиатурой возможно утомление сухожилий кистевого сустава. Известно тяжелое профессиональное заболевание — кистевой туннельный синдром, связанное с неправильным положением рук на клавиатуре. Во избежание чрезмерных нагрузок на кисть желательно предоставить рабочее кресло с подлокотниками, уровень высоты которых, замеренный от пола, совпадает с уровнем высоты расположения клавиатуры.
При работе с мышью рука не должна находиться на весу. Локоть руки или хотя бы запястье должны иметь твердую опору. Если предусмотреть необходимое расположение рабочего стола и кресла затруднительно, рекомендуется применить коврик для мыши, имеющий специальный опорный валик. Нередки случаи, когда в поисках опоры для руки (обычно правой) располагают монитор сбоку от пользователя (соответственно, слева), чтобы он работал вполоборота, опирая локоть или запястье правой руки о стол. Этот прием недопустим. Монитор должен обязательно находиться прямо перед пользователем.
Требования к организации занятий. Экран монитора — не единственный источник вредных электромагнитных излучений. Разработчики мониторов достаточно давно и успешно занимаются их преодолением. Меньше внимания уделяется вредным побочным излучениям, возникающим со стороны боковых и задней стенок оборудования. В современных компьютерных системах эти зоны наиболее опасны.
Монитор компьютера следует располагать так, чтобы задней стенкой он был обращен не к людям, а к стене помещения. В компьютерных классах, имеющих несколько компьютеров, рабочие места должны располагаться по периферии помещения, оставляя свободным центр. При этом дополнительно необходимо проверить каждое из рабочих мест на отсутствие прямого отражения внешних источников освещения. Как правило, добиться этого для всех рабочих мест одновременно достаточно трудно. Возможное решение состоит в использовании штор на окнах и продуманном размещении искусственных источников общего и местного освещения.
Сильными источниками электромагнитных излучений являются устройства бесперебойного питания. Располагать их следует как можно дальше от посадочных мест пользователей.
В организации занятий важную роль играет их продолжительность, от которой зависят психофизиологические нагрузки. Для школьников старших классов продолжительность сеанса работы с компьютером не должна превышать 30 минут, для школьников младших классов — 20 минут. Остальное время урока информатики отводится общению с учителем и учебными пособиями.
В связи с нехваткой оборудования в компьютерных классах иногда проводят групповые занятия, во время которых двое-трое учащихся занимаются на одном рабочем месте. Этот организационный прием недопустим с гигиенической точки зрения. Некоторым учащимся приходится располагаться сбоку от монитора, что негативно сказывается как на органах зрения, так и на опорно-двигательной системе. Учебный процесс необходимо планировать так, чтобы каждый учащийся имел возможность освоить правильные приемы работы с компьютером.
Электротравма — поражение электрическим током, влекущее за собой болезненные расстройства человеческого организма или смерть. Различают поражения, вызываемые техническим током и действием атмосферного электричества — молнией. Большое практическое значение имеют первые, поскольку электрический ток широко используется на заводах и фабриках, шахтах и рудниках, железных дорогах, в сельском хозяйстве, в быту и пр.
Поражение током чаще всего происходит во время проведения и ремонта электрической и радиотелефонной сети, работы с радиоаппаратурой, а также при неправильном пользовании электроприборами и оборудованием (электродвигатели, трансформаторы, выпрямители и т.п.). Основными причинами несчастных случаев при этом являются незнание и несоблюдение правил техники безопасности, технические неисправности электрооборудования и т.п.).
Ток, проходя через организм, вызывает нарушение деятельности центральной нервной системы, органов кровообращения, дыхания и др. Степень этих нарушений и тяжесть поражения зависят от различных факторов: напряжения и силы тока, продолжительности его действия на организм, величины сопротивления ему тканей организма, физического и психического состояния человека. Болезненное состояние, опьянение, общая слабость, юный или престарелый возраст пострадавшего снижают сопротивляемость действию электрического тока.
Проходя через тело, ток действует двояко: во-первых, встречая сопротивление тканей, он превращается в тепло, которое тем больше, чем больше сопротивление. Наиболее велико сопротивление кожи, вследствие чего возникают её ожоги (от незначительных местных изменений до тяжёлых ожогов вплоть до обугливания отдельных участков тела); во-вторых, ток приводит мышцы, в частности, дыхательные и сердечные, в состояние длительного сокращения, что может вызвать остановку дыхания и прекращение сердцебиения. Проходя через головной и спинной мозг, ток вызывает нарушение их деятельности.
Нередко пострадавший гибнет на месте травмы. Симптомы поражения электрическим током: судорожное сокращение мышц, спазм голосовой щели, головокружение, тошнота, бледность, цианоз губ, холодный липкий пот, потеря сознания, нарушение или отсутствие дыхания, падение сердечной деятельности. Может быстро наступить мнимая смерть (остановка дыхания и сердца), но её нельзя рассматривать как истинную смерть. Общее действие электрического тока на организм может сказаться или сразу, или через несколько часов, даже через несколько дней. Поэтому во всех случаях после оказания первой медицинской помощи пострадавшего необходимо направлять в медицинское учреждение.
Первая и неотложная помощь при поражении электрическим током. Пострадавшего нужно немедленно освободить от действия тока. Самым лучшим является быстрое его выключение. Однако в условиях больших промышленный предприятий это не всегда возможно. Тогда необходимо перерезать или перерубить провод или кабель топором с сухой деревянной ручкой, либо оттащить пострадавшего от источника тока.
При этом необходимо соблюдать меры личной предосторожности: использовать резиновые перчатки, сапоги, галоши, резиновые коврики, подстилки из сухого дерева, деревянные сухие палки и т.п. При оттаскивании пострадавшего от кабеля, проводов и т.п. следует браться за его одежду (если она сухая), а не за тело, которое в это время является проводником электричества.
Меры по оказанию помощи пострадавшему от электрического тока определяются характером нарушения функций организма: если действие тока не вызвало потери сознания, необходимо после освобождения от тока уложить пострадавшего на носилки, тепло укрыть, дать 20-25 капель валериановой настойки, тёплый чай или кофе и немедленно транспортировать в лечебное учреждение.
Если поражённый электрическим током потерял сознание, но дыхание и пульс сохранены, необходимо после освобождения от действия тока на месте поражения освободить стесняющую одежду (расстегнуть ворот, пояс и т.п.), обеспечить приток свежего воздуха, выбрать соответственно удобное для оказания первой помощи место с твёрдой поверхностью — подложить доски, фанеру и т.п., подстелив предварительно под спину одеяло. Важно предохранять пострадавшего от охлаждения (грелки). Необходимо осмотреть полость рта; если стиснуты зубы, не следует прибегать к физической силе — раскрывать его рот роторасширителем, а надо сначала несколько раз кряду дать ему понюхать на ватке нашатырный спирт, растереть им виски, обрызгать лицо и грудь водой с ладони. Одновременно следует ввести подкожно 0,5 мл 1% раствора лобелина или цититона, 1 мл 10% раствора кофеина, 1 мл кордиамина. При открытии полости рта необходимо удалить из неё слизь, инородные предметы, если есть — зубные протезы, вытянуть язык и повернуть голову на бок, чтобы он не западал. Затем пострадавшему дают вдыхать кислород. Если поражённые пришёл в сознание, ему нужно обеспечить полный покой, уложить на носилки и поступать далее так, как указано выше в первом случае.
Но бывает и так, что состояние больного ухудшается — появляются сердечная недостаточность, частое прерывистое дыхание, бледность кожных покровов, цианоз видимых слизистых оболочек, а затем терминальное состояние и клиническая смерть. В таких случаях, если помощь оказывает один человек, он должен тут же приступить к производству искусственного дыхания «изо рта в рот» и одновременно осуществлять непрямой массаж сердца. делается это следующим образом: сначала оказывающий делает подряд 10 выдохов в лёгкие пострадавшего, затем быстро переходит к левой его стороне, становится на одно или оба колена и производит толчкообразное надавливание по центру грудины на её нижнюю треть. Массаж сердца прерывается каждые 15 секунд для проведения одного глубокого вдоха.
Если есть помощник, то оказание первой помощи проводят двое. Один производит искусственное дыхание, другой — непрямой массаж сердца. Эффективность этих мероприятий зависит от правильного их сочетания, а именно: во время вдоха надавливание на грудину пострадавшего производить нельзя. Во время выдоха на грудину следует ритмично нажимать 3-4 раза, делая паузу во время следующего вдоха и т.д. Таким образом, за одну минуту совершается 48 нажатий и 12 вдуваний. Непрямой массаж сердца частично обеспечивает вентиляцию лёгких. Для проведения массажа сердца надо надавливание производить не всей ладонью, а волярной (тыльной) поверхностью лучезапястного сустава. Давление на грудину усиливается другой ладонью, крестообразно располагаемой на дорзальной (ладонной) поверхности первой кисти. Оказывающий помощь при массаже сердца должен находиться в полусогнутом положении так, чтобы сила нажатия обеспечивалась и весом туловища. Надавливание должно быть таким, чтобы грудина смещалась к позвоночнику не менее, чем на 3-5 см. В этом случае происходит механическое сдавливание сердца, вследствие чего из него выталкивается кровь. При расправлении грудной клетки кровь из вен поступает в сердце.
Проведение массажа сердца у лиц в состоянии клинической смерти необходимо сочетать с применением не только искусственного дыхания, но и внутриартериального переливания крови или полиглюкина (250-500 мл), синкола и других средств.
Следует отметить, что при поражении электрическим током может развиться фибрилляция сердца (частые неэффективные сокращения сердечной мышцы, не обеспечивающие передвижения крови по кровеносным сосудам), завершающаяся остановкой сердца. В этом случае применяют раздражение сердечной мышцы с помощью специального аппарата — дефибриллятора.
Одновременно с массажем сердца и искусственным дыханием пострадавшему внутривенно вводят необходимые лекарственные вещества, в том числе 0,5 мл норадреналина (медленно!), 1 мл 10% раствора кофеина, 1 мл кордиамина, 1 мл 1% раствора мезатона или 0,3 мл 0,5% раствора эфедрина, 5 мл 10% раствора хлористого кальция, 30-40 мл 40% раствора глюкозы.
В связи с нарушением у пострадавшего кровообращения и ослабления всасывания из подкожного слоя вводить лекарственные вещества нужно внутривенно и по возможности медленно. При этом продолжают проводить искусственное дыхание и другие мероприятия по оказанию первой помощи.
Следует также проводить кожное раздражение — растирание тела и конечностей полотенцем, смоченным винным спиртом или 6% раствором уксуса.
У поражённых электрическим током меры оживления следует проводить очень тщательно и длительно вплоть до восстановления самостоятельного дыхания или появления безусловных признаков смерти — трупных пятен и окоченения.
Электрические процессы в нулевом проводе
Из предыдущей части цикла уже известно, что электрическая энергия к конечным потребителям поступает по четырем проводам, три из которых называются «фазными» (Фаза А, Фаза B и Фаза С), а четвертый – «нулевым». Напряжения между нулевым и любым из фазных проводов называются «фазными» и равны 230 В, а напряжения между любыми фазными проводами называются «линейными» и равны 400 В, из-за чего в этих сетях напряжения указывают через дробь (фазное/линейное)
– 230/400 В или, как часто делают энергетики, просто 0.4 кВ. Также уже известно, что в системах электроснабжения переменного тока удобно использовать действующие (или среднеквадратические) значения напряжений и токов, поэтому, несмотря на то, что на розетке написано «230 В», реальное напряжение между ее контактами 50 раз в секунду изменяется в диапазоне –325… 325 В по синусоидальному закону.
Наличие нескольких фаз и нескольких напряжений позволяет подключать оборудование различными способами (Рисунок 1). Все маломощные потребители (до 3 кВт), в числе которых светильники, компьютеры, бытовая и офисная электроника, подключаются к одной из фаз системы электроснабжения и работают от напряжения 230 B.
Мощные нагрузки подключаются сразу к трем фазам и, в общем случае, могут не соединяться с нулевым проводником (хотя такое подключение возможно), поэтому нас они мало интересуют. Мы же сейчас рассмотрим, что происходит в нулевом проводе при подключении однофазных нагрузок. Пусть это будут светильники, оборудованные лампами накаливания общей мощностью P = 230 Вт.
Если такой светильник подключить к одной из фаз, например, к фазе А, то при фазном напряжении V = 230 В в его цепи начнет протекать ток I:
Этот ток будет протекать по цепи: вторичная обмотка трансформатора, провод фазы А, светильник, нулевой провод, второй вывод обмотки трансформатора (Рисунок 2). Точно такие же процессы будут происходить, если подключить светильник к любой другой фазе.
То есть, независимо от того, к какой фазе мы подключим светильник, ток в нулевом проводе iN(t) (при отсутствии других потребителей) будет равен току в проводе, соединенном с фазой, к которой подключена нагрузка (iA(t), iB(t) или iC(t)).
Пока все просто и логично – сколько электронов «забежало» в фазный провод, столько же и «выбежало» через нулевой. А теперь подключим одновременно два светильника, но первый светильник подключим к фазе А, а второй – к фазе В (Рисунок 3). С токами, протекающими в проводах фаз А и B все просто – они будут равны 1 А, поскольку других путей для их протекания нет.
Но по нулевому проводу теперь будут протекать одновременно два тока: ток фазы А и ток фазы В. Первый закон Кирхгофа гласит, что в этом случае ток в нулевом проводе должен равняться сумме двух токов фаз А и В, то есть – 2 А. Однако если взять амперметр и измерить реальное значение тока, то окажется, что на любом участке нулевого провода он будет равен 1 А. Получается, что законы Кирхгофа неверны?
Это неправильно, поскольку амперметр нам покажет действующее (интегральное) значение тока, а законы Кирхгофа справедливы для мгновенных значений (для токов, протекающих в данный момент). Поскольку токи фаз А и В сдвинуты по фазе на 120°, их максимальные (амплитудные) значения наступают в разные моменты времени и когда, например, ток фазы А имеет максимальное положительное значение, то ток фазы B в этот момент может иметь некоторое отрицательное значение, и суммарный ток двух фаз будет меньше.
Если просуммировать в каждый момент времени мгновенные значение токов фаз A и B, то окажется, что результирующий ток будет иметь синусоидальную форму, сдвинутую по фазе и относительно тока фазы A, и относительно тока фазы B. Если амплитудные значения токов обеих фаз одинаковы, то сдвиг по фазе тока нулевого провода будет равен среднему значению фаз токов.
В данном случае он будет на 60° отличаться и от тока фазы A, и от тока фазы В. И если измерить действующее значение такого сдвинутого по фазе тока, то окажется, что оно будет равно 1 А. То есть, действующее значения тока, образованного сложением двух токов с действующими значениями 1 А, в итоге тоже будет равно 1 А.
Почему это так важно? Потому что закон Джоуля-Ленца, показывающий какое количество тепла выделится на проводнике с сопротивлением R при протекании через него тока I, оказывается, справедлив именно для действующих токов [1]:
Если подставить в формулу (1) сопротивления проводов системы электроснабжения, то можно прийти к выводу, что, поскольку по всем проводам протекает ток с одинаковым действующим значением, все провода будут одинаково нагреваться (при условии, что они имеют одинаковое сечение).
То есть, нулевой провод, который, если рассуждать логически, должен был нагреваться в два раза больше (ведь по нему протекает и ток фазы A, и ток фазы B) на самом деле греется точно так же, как и фазные проводники. При этом мгновенные значения токов во всех проводах разные, а действующее значение, определяющее нагрев проводов, будет одинаковым.
Если же фазные токи не равны, то по нулевому проводу будет протекать ток, фаза которого будет приближаться к току с большей амплитудой. Чем больше разница амплитуд, тем меньше будет отличие между током в нулевом проводе и током с большей амплитудой, однако действующее значение тока в нулевом проводе никогда не превысит действующих значений фазных токов (Рисунок 4). Вот таким замечательным свойством обладают трехфазные системы.
Еще более интересные процессы произойдут при подключении третьего светильника к фазе C. Если все три фазных тока одинаковы (за исключением сдвига по фазе на 120°), то токи в нулевом проводе взаимно компенсируют друг друга, и ток нулевого провода станет равен нулю (Рисунок 5).
Из этого следует очень важный вывод: в нормальном режиме работы системы электроснабжения действующее значение тока в нулевом проводе не может превышать действующих значений токов фазных проводов. Это значит, что нулевой провод будет нагреваться точно также как и фазные провода, следовательно, для нулевого провода можно (и нужно, согласно нормативным документам) выбирать провод такого же сечения, как и для фазных проводников.
Об этом свойстве прекрасно осведомлены не только электрики, но и производители электрических кабелей, которые выпускают для бытовой и промышленной электропроводки специальные четырехжильные кабели, все проводники которых имеют одинаковое сечение (Рисунок 6).
Более того, в книге «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), предписания которой обязаны выполнять все, кто работает с электрооборудованием, четко написано, что при проектировании домашней или офисной электропроводки сечение нулевого проводника должно быть не меньше сечения фазных проводников.
Фактически нулевой провод нужен только для подключения однофазных потребителей. Трехфазные нагрузки по своему принципу работы должны потреблять энергию из всех трех фаз в одинаковом количестве и, теоретически, если даже и подключить нулевой провод, то ток через него протекать не будет.
Однако на практике обеспечить равномерную нагрузку на все три фазы практически нереально, в том числе и из-за наличия однофазных потребителей. Это приводит к тому, что фазные напряжения никогда не бывают одинаковыми – всегда есть некоторое отклонение их от номинальных значений из-за неравномерной нагрузки.