Узнайте о возможных опасностях, представляемых конденсаторами, и отом, как принять меры для их безопаснойработы. Вэтойстатье мы проанализируем все возможные предупреждения исоветы по безопасности.
Конденсатор как основной элемент электрических схем при определенных условиях может угрожать здоровью и даже жизни человека. Прежде всего это опасность поражения электрическим током при разряде заряженного конденсатора.
Отключенный от сети или устройства конденсатор может сильно "ударить" спустя довольно значительный промежуток времени и после его отключения. Особенно "коварны" герметичные конденсаторы с пленочным или бумажно-пленочным диэлектриком, имеющие очень большую постоянную времени саморазряда.
Более того, можно почувствовать удар от конденсатора, который некоторое время назад был разряжен. Причина в том, что при малых временах разряда в конденсаторе не успевает произойти полная деполяризация диэлектрика и он как бы подзаряжает сам себя, перераспределяя заряды в толще диэлектрика.
Опаснее ли конденсаторы как источники электрической энергии, чем, например, сеть переменного или постоянного тока? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, что обусловливает опасность, почему она возникает, от чего зависит.
Считается, что опасные величины токов при длительном воздействии составляют около (15 - 20)·10-3 А для переменного частотой 50 Гц и (60 - 80)·10-3 А для постоянного тока.
Переменный ток больше 50 · 10-3 А считается смертельным, хотя известны случаи, когда человек оставался живым после воздействия токов гораздо больших значений.
Таким образом, опасен ток — его величина, а опасное напряжение зависит от сопротивления пути, по которому этот ток замыкается.
Величина опасного напряжения зависит от физического и эмоционального состояния человека и ряда других факторов, например, времени суток, погоды, а также от сопротивления изоляции (в основном обуви), если на человека действует потенциал относительно Земли.
Величина сопротивления человека, большая часть которого сосредоточена в наружном слое его кожи, колеблется в очень широких пределах и составляет для разных людей от нескольких сотен ом до десятков тысяч ом.
Очень большой разброс для разных людей имеет и величина опасного тока, которая вдобавок не постоянна у одного и того же человека, а так же, как и его сопротивление, может меняться в зависимости от разных факторов, в частности от возраста и др.
Опасная величина тока зависит и от длительности его протекания, частоты, формы (в гораздо меньшей степени) при переменном токе.
Численные характеристики всех этих влияний известны приближенно, так как основные данные по ним получены из печального и не всегда ясного опыта практически.
Влияние импульсного разряда конденсаторов на человека
Опасные и безопасные характеристики импульсного разряда конденсаторов на человека известны в самых общих чертах, поскольку статистика случаев из практики очень незначительна, а специальные эксперименты опасны для жизни и здоровья человека.
Качественные связи следующие: опасность поражения со смертельным исходом электрическим током при разряде конденсатора тем больше, чем выше напряжение и емкость конденсатора. Другими словами, вероятность поражения растет с увеличением энергии конденсатора.
Но учитывая, что чем меньше продолжительность воздействия, тем выше опасное значение величины тока, небезразлично, как достигается одна и та же энергия разряда: увеличением напряжения или увеличением емкости конденсатора.
Так, если конденсатор заряжен до напряжения, являющегося безопасным при постоянном воздействии, например до 4,5 В (напряжение батарейки), то при любой емкости конденсатора, при которой его энергия может быть очень велика, разряд на человека не опасен.
Если разряжается конденсатор малой емкости, большая энергия заряда которого достигнута за счет высокого напряжения, то опасность для жизни человека будет также ничтожной.
Несмотря на большую амплитуду импульса разрядного тока (при малых емкостях ее безопасная величина может составлять десятки ампер), его действие на человека сильно ослабляется с уменьшением длительности разряда.
Это происходит вследствие того, что организм реагирует на электрический ток по-разному при разной длительности, тем более, что ток быстро уменьшается по величине, а также из-за того, что при малых длительностях разряда (порядка миллионных долей секунды и менее) ток не проходит через жизненно важные центры, а распространяется в поверхностном слое кожи.
Уникальные "невольные" эксперименты на людях с разрядом лейденской банки позволили узнать безопасные соотношения энергии, емкости и напряжения.
Как уже упоминалось, тяжесть поражения и опасная величина тока зависят от пути, по которому он протекает. Наиболее опасен путь тока через левую руку к правой руке или ногам (в этом случае ток проходит близко к сердцу).
Импульсный разряд конденсатора высокого напряжения в район расположения сердца применяется в медицинской практике для принудительного восстановления нормальной работы сердечной мышцы, находящейся в состоянии фибрилляции (хаотическое сокращение).
В этом случае разряд конденсатора подавляет на короткое время беспорядочную деятельность мышцы, после чего восстанавливается ее нормальное управление импульсами, поступающими из мозга.
Однако, если даже путь разряда таков, что не угрожает жизни человека, например по участку руки, то разряд большой энергии может привести к сильной травме вследствие импульсного нагрева небольших участков тела, в основном в месте контакта. Может возникнуть ожог и даже эрозия в результате воздействия электрической дуги или быстрого парообразования в коже.
Тяжесть травмы уменьшается при большой емкости и низких напряжениях, т. к. энергия при больших емкостях и более низких напряжениях конденсаторов выделяется постепенно, и тепло успевает рассеяться, не причинив вреда.
Почему взрываются и горят конденсаторы
Некоторые конденсаторы могут взрываться и гореть, т. е. быть причиной механических разрушений и пожаров. Взрываться могут только конденсаторы с герметичными корпусами. Причина их взрывов — накопление газов внутри корпуса из-за сильного нагрева.
Малогабаритные конденсаторы не могут накопить много газов и поэтому взрываются эффектно (звук напоминает пистолетный выстрел), но без особых разрушений. Особенно опасны взрывы силовых крупногабаритных конденсаторов, корпуса которых прочны, из-за чего они разрываются при большом давлении, достигающем единиц, а иногда десятков атмосфер, т. е. давление здесь достигает единиц и десятков кг/см2.
Особенно ужасны последствия взрыва конденсатора, когда он пробивается и через него протекает ток короткого замыкания мощной питающей сети, а также ток разряда параллельно включенным конденсаторам батареи.
Этот ток может достигать десятков и сотен тысяч ампер. Из-за большого тепловыделения (в конденсаторе при коротком замыкании "горит" дуга) происходит очень интенсивное газообразование.
В результате термического разложения диэлектрика внутреннее давление повышается чрезвычайно быстро. Затем конденсатор механически разрушается, разрывается, что сопровождается сильным звуком и разбрасыванием материалов и деталей конденсатора в радиусе до нескольких сот метров.
Возможно вы были свидетелями взрывов электролитических конденсаторов, которые происходят при их пробое или перегреве.
Масштабы разрушений, конечно, значительно меньше, чем при взрыве силовых конденсаторов: корпус конденсатора обычно отрывается от крышки, а хлопья бумаги, пропитанной электролитом, разбрасываются по аппаратуре.
Взрывы таких конденсаторов опасны при наладке аппаратуры, когда они могут причинить серьезную травму.
"Выстреливать" вследствие сильного перегрева могут также пленочные конденсаторы, в том числе и маленькие. При высокой температуре пленочный диэлектрик образует большое количество газов.
Цилиндрические конденсаторы "выстреливают" в осевом направлении, обычно некоторой (меньшей) частью секции.
Конденсаторы могут "взорваться" только при большой подводимой мощности, т. е. если ее достаточно для нагрева диэлектрика до температуры термического разложения. Это обусловливает большую вероятность взрывов силовых конденсаторов.
Так как при взрыве образуются газы, пары пропитывающей жидкости, если конденсатор пропитан, электрическая дуга "поджигает" эти вещества, в результате сразу же после взрыва возникает пожар, который трудно погасить.
Гореть может также твердый диэлектрик органического происхождения. При этом некоторые диэлектрики (например, фторопласт, хлордифенилы и другие) дают токсичные продукты горения.
Взрывы конденсаторов наносят механические повреждения окружающим их элементам и оборудованию.
К счастью, взрывы и пожары конденсаторов — редкое явление. При разработке конструкции конденсаторов принимаются меры по обеспечению их пожаро- и взрывобезопасности.
Однако такие случаи еще встречаются на практике из-за многочисленности и распространенности конденсаторов, особенно в электронной аппаратуре. Иногда взрывы и пожары силовых конденсаторов вызываются ошибками при эксплуатации.
В основном силовые конденсаторы изолированы от человека: в закрытом помещении, в шкафах, на открытой и удаленной от людей подстанции. И вероятность непосредственной угрозы для жизни человека очень низка (гораздо ниже, чем, например, от автомобиля на улице).
Опасность природных конденсаторов
Опасность разряда "природного" конденсатора "облако — Земля" известно человечеству давно, горький опыт научил его борьбе с линейной молнией с помощью молниеотводов.
Молниеотвод в виде заземленного стержня с заостренным концом, укрепляемого на самой верхней точке здания, для защиты от ударов молнией предложил Бенджамен Франклин в 1753 году.
Такие молниеотводы используются и теперь в виде одиночных и групповых конструкций. Высоковольтные линии электропередач защищаются от прямых ударов молнии специальными грозозащитными тросами, располагаемыми над проводами ЛЭП.
Защиту от шаровых молний люди до сих пор не придумали ввиду редкости этого явления.
Опасность естественных конденсаторов
Чем опасны "естественные" конденсаторы? Влияние "естественных" конденсаторов на работу оборудования и опасность, которую они подчас создают для него, рассмотрены в статье Что такое емкость в электротехнике. Остановимся подробнее на некоторых аспектах опасности, возникающей для жизни человека из-за "естественных" конденсаторов.
Большинство "естественных" конденсаторов имеет незначительную емкость и энергию, в связи с чем они практически безопасны. Их разряд на человека приводит к легкому и мгновенному уколу или потрясению.
"Паразитные" емкости катушек индуктивностей и трансформаторов и электрических машин после их отключения от источников питания очень быстро разряжаются на обмотки этих устройств.
Однако некоторые "естественные" конденсаторы не столь безобидны. Так, ненагруженная кабельная линия, обладающая значительной емкостью, отключенная выключателем, может долго сохранять значительный заряд и опасное для жизни напряжение.
Лишь постепенно эти заряды могут нейтрализоваться за счет тока утечки изоляции. И чем выше качество изоляции и соответственно меньше ток утечки, тем дольше остается заряженным и, следовательно, опасным конденсатор.
Величина остаточного напряжения зависит от момента и характера процесса выключения: при отключении кабеля с колебательным процессом наибольшее напряжение, которое возникает, может почти в два раза превысить номинальное.
То же возникает при отключении ненагруженной воздушной линии электропередач. Чтобы предотвратить поражение электрическим током разряда, достаточно разрядить конденсатор с помощью разрядного устройства. Пренебрежение этим правилом может привести к тяжелым последствиям.
Известны случаи поражения со смертельным исходом при прикосновении к отключенному, но "неразряженному" кабелю высокого напряжения. К счастью, эти случаи очень редкие.
Другой, более серьезной опасностью, является возможность взрыва и пожара взрывоопасных сред при пробое "естественных" конденсаторов.
Так как емкость их очень мала, то небольшие количества электричества, или заряд, могут развить на них высокое напряжение, достаточное для пробоя. Возникающая при этом искра может "поджечь" взрывоопасную смесь.
Виновниками многих первоначально "беспричинных" взрывов и пожаров, как выяснилось, были "естественные" конденсаторы.
Так как в большинстве случаев они накапливают заряды, возникающие в результате электризации пыли, причем чем меньше влажность, тем быстрее и до большего потенциала они заряжаются, то для предотвращения пробоев этих конденсаторов необходима хорошая вентиляция и увлажнение среды, где это допустимо.
Во влажной среде сопротивление утечки "естественных" конденсаторов мало и мощности "источника зарядов" не хватает для повышения их потенциала до опасного уровня.
Как сделать обращение с конденсаторами безопасным?
Обеспечение электробезопасности при работе с электрическими устройствами предусматривается специальными инструкциями и правилами.
Особенность конденсаторов в том, что даже при отключении их от источника питания или установки от питающей сети на них длительное время может существовать опасный заряд.
Для обеспечения электробезопасности схемным путем создают условия для быстрого разряда конденсатора или батареи конденсаторов после их отключения от питающей сети. Наиболее простой способ обеспечения разряда — это установка параллельно конденсаторам резисторов.
Сопротивление разрядного резистора зависит от емкости конденсатора и необходимого времени разряда. За это время конденсаторы должны успеть разрядиться до безопасного уровня напряжения. Величина его определяется условиями, в которых находятся конденсаторы и эксплуатационный персонал.
Согласно международным нормам, время разряда конденсаторов до напряжения в 50 В должно составлять не более одной минуты при номинальном напряжении конденсаторов не выше 660 В и не более пяти минут при более высоких номинальных напряжениях.
Разрядные сопротивления бывают внешними — подключаемыми снаружи к конденсатору или батарее, и внутренними — встроенными в корпус конденсатора.
Система обеспечения разряда с внутренними резисторами надежнее при параллельном включении нескольких конденсаторов, так как в случае отказа одного из резисторов разряд будет обеспечен через резисторы других конденсаторов. Однако встроенные резисторы дополнительно греют конденсаторы, и такой способ применяется обычно в высоковольтных конденсаторах.
Несмотря на указанные меры, каждый конденсатор должен быть разряжен с помощью разрядного стержня, укрепленного на изоляционной штанге.
Напомним, что конденсаторы с высоким значением коэффициента абсорбции (отношения величины восстанавливающегося на обкладках конденсатора напряжения после их размыкания к величине напряжения до их замыкания), такие, например, как бумажные, керамические, электролитические и другие, обладают способностью после кратковременного разряда восстанавливать напряжение.
Особенно существенная величина напряжения восстанавливается на конденсаторе, который длительное время (десятки минут — часы) находился под воздействием постоянного напряжения, а разряжался кратковременно. На практике могут иметь место случаи восстановления напряжения до нескольких десятков процентов от номинального.
Постоянный потенциал может также возникнуть на выводах конденсатора в электрическом поле за счет электризации в насыщенной электричеством атмосфере.
Поэтому при транспортировке, монтаже, ремонте и других работах рекомендуется соединять выводы конденсаторов вместе с корпусом гибким многожильным проводником — перемычкой.
Для обеспечения пожаро- и взрывобезопасносги рекомендуется обычно устранять из эксплуатации конденсаторы со вздувшимися корпусами, со следами течи пропитывающей жидкости и т. д.
Локализация последствий взрывов конденсаторов может производиться конструктивными мерами, например созданием защитных сетчатых оболочек, которые не препятствуют охлаждению конденсаторов и задерживают "осколки" при взрыве.
Однако основные мероприятия, обеспечивающие пожаро- и взрывобезопасность конденсаторов, реализуются путем создания соответствующих конструкций применением различных предохранителей, материалов, корпусов и т. д., а также с помощью внешней защиты конденсаторов от перенапряжений, перегрузок по току и др.
Смотрите также: Перегрев и пожароопасность конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности