Сейчас, в 21 веке, электричество есть практически в каждом доме. И почти каждый гражданин знает, что электричество может убить. Новость о том, что где-то кого-то убило током для нас уже обыденная, и в СМИ об этом пишут только если случай особенный — или убило известную личность, или раздолбайство совсем уж вопиющее. Но в конце XIX — начале XX века каждая смерть от удара током была в центре внимания: электричество было в диковинку. Вот немного заметок, которые попались мне на глаза:
Тысячи разобранных случаев, когда кто-то был убит электричеством, позволили инженерам выяснить некоторые закономерности и предпринять меры. А именно:
Выяснилось, что случаев смерти, когда человек умер от общения с напряжениями менее 50В почти нет. Низкое напряжение (с кучей оговорок) вполне себе безопасно. Кто лизал крону в детстве для определения заряда?) Использование низкого напряжения (12В, 24В, 36В и т.д.) хоть и дает практически полную безопасность, например в бассейне, для повсеместного использования не подходит. Если бы мы жили в альтернативной вселенной, где в домах вместо 230В всего 12В, то чайник бы кушал не 16А тока, а почти 300А, и подключался бы в розетку толстенным кабелем. А все потому что при снижении напряжения придется повышать ток, чтобы мощность прибора оставалась прежней. А большой ток требует толстых кабелей.
Второе важное наблюдение. Ток течет в замкнутой цепи, если Земля часть этой цепи — то человек всегда в опасности. А вот если человека подключить к разным цепям, изолированным друг от друга, например если коснуться одной рукой одного изолированного от земли генератора, а второй — другого изолированного генератора — то ничего не произойдет. Цепь не замкнута — ток не течет. Так появилась гальваническая развязка и развязывающие трансформаторы. Я не настолько стар, чтобы видеть это живьём, но встречал упоминания, о том что в домах устанавливали развязывающий трансформатор с розеткой в санузле, с подписью «для электробритвы». Электробритвой на 220В включенной в эту розетку можно было безопасно пользоваться, касание до проводника под напряжением, даже стоя в заземленной ванной, не могло убить. Правда маленький трансформатор мог потянуть только несколько десятков ватт мощности нагрузки, включение в такую розетку фена или обогревателя просто бы его сожгло. Поэтому в быту способ не прижился, у вас же нет отдельной комнаты под трансформатор гальванической развязки?)
Ну и наконец, усреднив индивидуальные особенности, составили вот такой график зависимости силы тока, времени воздействия и последствий для человека. Да простят меня авторы, я его немного упростил для понимания:
UPD: картинка исправлена
Оказалось, что убивает не напряжение само по себе, а протекающий через тело ток. При токах менее 0,5 мА (светло-зеленая область) человек ничего не чувствует. При токах 0,5-20 мА (темно-зеленая область) ток уже неприятно щиплет, кусает. При токах 20-100 мА (желтая область) уже конкретно трясет, сводит мышцы (руку не отдернешь) и причиняет боль. При токах более 100 мА уже некоторые могут умереть. Из графика можно понять откуда взялась величина 30 мА (зеленая линия) — при токах меньше человек вряд ли умрет и может сам принять меры, если чувствует, что его бьет током. А вот при токах больше — нужно срочно спасать, иначе помрет.
Защита все-таки нужна
Применение низкого напряжения или использование гальванической развязки не очень удобный способ защиты человека, поэтому применяются только в узких областях, там где иначе никак. А как же защитить человека от поражения электрическим током не сильно изменяя существующие электросети? Идея проста и гениальна — нужно анализировать дифференциальный ток.
Дифференциальный ток — это разница в токах меж двух проводников, например меж фазным, уходящим в нагрузку и нулевым, возвращающимся из нагрузки. Появление ощутимого дифференциального тока в цепи чаще всего ненормально, и лучше отключить цепь, вдруг ток утекает в землю через человека? Это как сравнивать расход теплоносителя в батарею и из батареи отопления. Если в батарею уходит 100 л/мин и возвращается 100 л/мин то система герметична. Если в батарею подается 100 л/мин, а возвращается по какой то причине только 98 л/мин, то 2 литра куда-то вытекает!
В идеальном мире, нам достаточно Устройство защитного отключения купить и поставить, контролирующее сам факт появления дифференциального тока. Если все в порядке — то дифференциального тока нет. Если же ток появился — отключаем нагрузку. Но в реальном мире, к сожалению, дифференциальный ток (ток утечки) появляется в устройствах даже если все исправно, поэтому придется пойти на компромисс и выбрать некоторую пороговую величину дифференциального тока, превышение которой будет вызывать отключение.
Поставим себя на место инженеров начала 20 века и попробуем изобрести устройство обнаружения дифференциального тока. Нам нужно обнаружить появление утечки величиной 30 мА, поскольку при меньших утечках, даже если она проходит через человека, особой опасности для жизни нет.