Prosto o prądzie elektrycznym – jak się zabezpieczyć przed prądem?

Czas czytania w minutach: 7

Witajcie w drugiej części artykułu Prosto o prądzie elektrycznym. Dziś przeczytacie trochę więcej o tym, jak i dlaczego prąd może być niebezpieczny oraz jak minimalizujemy ryzyko – czy to pożarów, czy to śmiertelnego porażenia. Jak działają zabezpieczenia i dlaczego są takie ważne? Pozwól, że wyjaśnię!

Disclaimer: staram się przybliżać wiedzę, bazując na rzetelnych źródłach. Co powiedziawszy, nie jestem ani lekarzem, ani zawodowym elektrykiem. Jeśli poraził Cię prąd, skontaktuj się z tym pierwszym. Jeśli zastanawiasz się, jak bezpiecznie zrobić instalację elektryczną – z tym drugim. Nie przyjmujemy odpowiedzialności za samodzielne działanie Czytelników!

Niebezpieczny prąd

Przede wszystkim, przypomnijmy sobie, dlaczego tak właściwie prąd może być niebezpieczny. O jednym aspekcie już pisałem. Gdy prąd płynie przez przewodnik, ten stawia mu opór. Konsekwencją “przełamywania” oporu przez prąd jest wydzielanie się ciepła. Przewodnik potrafi się rozgrzać i to dość solidnie, o czym doskonale wiedzą ci z nas, którzy pamiętają w akcji tradycyjne żarówki. Świeciły one dlatego, że przez drucik wewnątrz żarówki płynął prąd, a więc drucik się rozgrzewał do temperatury rzędu dwóch tysięcy stopni – i zaczynał się żarzyć biało-żółtą barwą. Jeśli spojrzeć na sytuacje z czysto ekonomicznego punktu widzenia, było to straszliwe marnotrawstwo. Około 1% energii było wykorzystywane do produkcji światła, reszta marnowała się jako ciepło. Ale istotniejsza jest teraz inna kwestia.

Żarnik w żarówce jest otoczony niereaktywnym gazem, na przykład argonem. Całość zamknięta jest w szklanej bańce, która zresztą też się nagrzewa do temperatury nawet 150℃. Jednak w razie pęknięcia szklanej bańki do wnętrza żarówki dostaje się powietrze, a więc również tlen. To powoduje, że żarnik się przepala, a prąd przestaje płynąć. Co, jednak jeśli przez jakiś inny przewodnik, nie tak dobrze odcięty od wszystkiego innego, zaczyna płynąć zbyt duży prąd? Ten też się zaczyna grzać. W zależności od tego, jaki to przewodnik, gdzie umieszczony i jaki prąd jak długo przez niego płynie, może dojść do bardzo wysokich temperatur. I wywołać pożar.

Prosto o prądzie elektrycznym

Porażenie prądem

To jeden z problemów, ale jest jeszcze drugi. Mianowicie – wpływ prądu na organizmy żywe. Oczywiście, to o czym pisałem w poprzednich akapitach, jest istotne również tutaj. Ciało, czy to człowieka, czy też zwierzęcia, stawia prądowi opór, i to dość spory. Co za tym idzie, gdy przez ciało przepływa prąd, ono zaczyna się grzać i w końcu gotować od środka. Chyba nie muszę tłumaczyć, dlaczego bycie – dosłownie – ugotowanym od środka jest niekompatybilne z dalszym życiem? Jednak nie to jest główną przyczyną problemów związanych z przepływem prądu przez ludzkie ciało.

Już od dawna wiemy, że impulsy nerwowe, przepływające przez nasze neurony i pobudzające do pracy nasze mięśnie, są impulsami elektrycznymi. Innymi słowy – prąd sprawia, że mięśnie się kurczą. Ale żeby ciało dobrze działało, mięśnie muszą się kurczyć i rozkurczać w sposób kontrolowany! Warto tutaj pamiętać w szczególności o tym, że serce również jest mięśniem. A co, jeśli zostaniemy porażeni prądem “z zewnątrz”? Otóż nasze mięśnie będą się kurczyć w sposób niekontrolowany – i generalnie nie będą się mogły rozkurczyć tak długo, jak długo prąd płynie. A tu do śmiertelnego porażenia dużo nie trzeba – wystarczy krótkotrwały przepływ prądu rzędu 70 miliamperów lub nawet mniejszy, około 20 miliamperów – ale trwający przez dłuższą chwilę.

Kiedy powstaje zwarcie?

Jak więc się przed takimi wypadkami zabezpieczamy? Na wiele sposobów. Można stwierdzić, że sposób działania przypomina trochę taktykę sera szwajcarskiego, o której pisałem przy okazji pandemii COVID-19. Spójrzmy na przykład na zabezpieczenia przeciwpożarowe. Podstawowa kwestia to dobór odpowiedniego przewodnika. Dla konkretnego materiału – przewody elektryczne dziś wykonuje się głównie z miedzi – obowiązuje prosta zasada: im grubszy przewodnik, tym mniejszy opór. Co za tym idzie, można przez niego bezpiecznie “przepchnąć” większy prąd. I tak na przykład przewód o przekroju 1.5 mm² wytrzymuje długotrwale prąd o natężeniu około 15 amperów. Jeśli weźmiecie grubszy przewód, 2.5 mm², to możecie już przesyłać nim około 20 amperów. I tak dalej, i tak dalej. Co się jednak stanie, jeśli spróbujecie przepchnąć zbyt duży prąd zbyt cienkim przewodem?

Na skutek oporu przewód będzie się grzał. Może nawet grzać się bardzo mocno. Aż się stopi. Pół biedy, jeśli stopi się sam. Wtedy obwód zostanie przerwany, prąd przestanie płynąć, i przynajmniej użytkownik będzie miał motywację, żeby sprawdzić, co się dzieje. Gorzej, jeśli stopi najpierw izolację – swoją oraz przewodu, którym prąd wraca. A potem się zetkną. Wtedy powstaje tzw. zwarcie: wprawdzie prąd nie płynie tam, gdzie powinien wykonać użyteczną pracę, ale obwód zostaje zamknięty… Tylko dużo mniejszy. A opór samego przewodu jest dużo mniejszy niż opór zamierzonego odbiornika. Co za tym idzie, płynąć zaczyna bardzo duży prąd… A to powoduje wydzielanie się dużego ciepła i wracamy do tematu pożaru. I właśnie w celu uniknięcia takich problemów stosuje się bezpieczniki.

O bezpiecznikach

Bezpiecznik ma za zadanie, jak nazwa wskazuje, zabezpieczyć coś przed czymś. W tym wypadku – całą okolicę przed skutkami przepływu nadmiernego prądu przez przewody. Czy to użytkownik podpiął zbyt wiele odbiorników, które “ciągną” dużą moc, czy zwarcie się zrobiło – to zadanie dla bezpiecznika. A jak takie coś działa? Najpopularniejsze dziś są dwa typy. Pierwszy, z którym może się jeszcze zetknęliście, to bezpieczniki topikowe. Mają one w środku drucik czy inną blaszkę, która jest dobrana tak, żeby przy zbyt dużym przepływie prądu się stopiła – stąd nazwa. Dookoła drucika wsypany jest piasek, który ma zgasić powstający łuk elektryczny, i gotowe: jest bezpiecznik. Rozwiązanie jest proste, skuteczne – wykorzystujemy naturalne zjawisko, żadnych ruchomych części… Po prostu dobieramy drucik tak, żeby stopił się, zanim stopi się coś gdzieś dalej. Problem? Takie bezpieczniki są jednorazowego użytku. Jeśli się przepali, to koniec – trzeba mieć nowy, żeby go wymienić¹. Do dziś takich bezpieczników używa się przy dużych prądach – są to tak zwane bezpieczniki mocy (BM).

Natomiast w instalacjach domowych stosowane są powszechnie wyłączniki nadprądowe. O ile nie macie w domu instalacji pamiętającej króla Ćwieczka, to prawdopodobnie możecie je zobaczyć u siebie. Mają małą dźwigienkę, która pozwala wyłączony bezpiecznik – popularnie zwany “esem” – włączyć z powrotem. Co ciekawe, łączą one dwa bezpieczniki – czy raczej dwa tryby pracy – w jeden. Jeden z nich, to tryb “zwarciowy” – bezpiecznik wyczuwa duży prąd i działa natychmiast. W jaki sposób? W środku jest mały elektromagnes. Elektromagnes wytwarza tym silniejsze pole magnetyczne, im większy prąd przez niego płynie. Przy odpowiednio dużym prądzie elektromagnes przesuwa mały pręcik na tyle daleko, że ten mechanicznie otwiera obwód – jak przy włączniku światła na przykład.

Co dalej?

Bardziej interesujący jest drugi tryb. W tym trybie bezpiecznik pozwala prądowi, który jest nieco większy, niż znamionowy, ale nie dużo większy, płynąć przez przynajmniej krótką chwilę. Dlaczego? Ponieważ wiele odbiorników – na przykład silniki – w chwili uruchomienia przez krótki moment pobiera prąd znacząco wyższy niż znamionowy. Więcej niż podczas normalnej pracy. Chodzi więc o to, żeby bezpiecznik nie wyłączył się w chwili rozruchu urządzenia, tylko pozwolił mu się normalnie włączyć, a zareagował dopiero wtedy, kiedy będzie ono próbowało “na stałe” pobierać zbyt dużo prądu. W tym trybie działa druga część bezpiecznika: kawałek bimetalu, czyli blaszki złożonej z dwóch blaszek, które w różnym tempie rozszerzają się pod wpływem temperatury. Im większy prąd płynie przez taki bezpiecznik, tym cieplejsza robi się ta blaszka i tym bardziej się wygina… Aż otworzy układ.

Mamy więc dwa tryby: natychmiastowe wyłączenie przy dużo za dużym prądzie i nienatychmiastowe przy trochę za dużym. Ale co to znaczy trochę albo dużo? To zależy od charakterystyki bezpiecznika. Widzicie ten napis “B16” na zdjęciu bezpiecznika? 16 to liczba amperów, które ten bezpiecznik powinien przepuszczać “w nieskończoność”. Przy wyższym prądzie powinien się wyłączyć. A litera mówi nam o tym, kiedy i jak. Bezpieczniki serii B muszą się wyłączyć natychmiast, gdy popłynie przez nie przynajmniej pięciokrotność prądu znamionowego, czyli w tym wypadku 80 amperów. Z kolei, jeśli prąd nie przekroczy trzykrotności – 48 amperów – nie może się wyłączyć natychmiast. Dodam tutaj, że bezpieczniki B są chyba najpowszechniej wykorzystywane w warunkach domowych, ale widuje się również bezpieczniki A i C². Ale jakiego bezpiecznika użyć?

Metoda sera szwajcarskiego

Tu trzeba zwrócić uwagę na dwie kwestie. Pierwsza to żeby bezpiecznik wytrzymywał wszystko, co ma być za nim podłączone. Druga – żeby zadziałał, zanim przetopi się przewód. Co z kolei oznacza, że przewód musimy dobrać do przewidywanego obciążenia… Nikt nie mówił, że będzie łatwo! Innymi słowy: najpierw liczymy, jakiej mocy planujemy w danym miejscu użyć. Następnie dzieląc moc w watach przez 230 woltów³ obliczamy, ile to będzie amperów. Dobieramy do tego bezpiecznik, którego prąd znamionowy jest wyższy – i przewód, który może przepuścić prąd większy, niż bezpiecznik. I gotowe?

Nie gotowe, bo nie mamy jeszcze drugiej części zabezpieczeń. Mówiliśmy o zabezpieczeniu przed zwarciem i pożarem. Ale co jeśli użytkownika prąd kopnie? Owszem, jest to forma zwarcia, ale jeśli przez człowieka popłynąłby prąd, który spowoduje zadziałanie wyłącznika nadprądowego, to tego człowieka już nie uratujemy. Potrzebna jest inna forma ochrony – i znów, stosujemy tu metodę sera szwajcarskiego. Przede wszystkim, wszystkie przewodniki staramy się trzymać daleko od użytkowników. Solidnie zaizolowane. Do naprawiania ich, a więc rozkręcania, zasadniczo dopuszczamy tylko wykwalifikowane osoby, a i one nie powinny grzebać w obwodach pod napięciem. Używają też do tego zaizolowanych narzędzi, noszą odzież izolującą⁴, wreszcie starają się pilnować, żeby przewodów dotykać tylko zewnętrzną częścią dłoni – jakby jednak był pod napięciem, to wywołane przez prąd zaciśnięcie dłoni nie zaciśnie jej na przewodzie, uniemożliwiając wypuszczenie go. Ale i tak pozostaje jeszcze jedno zabezpieczenie, które powinno nas uratować, gdyby wszystko zawiodło. Wyłącznik różnicowoprądowy.

Czym jest różnicówka?

Popularna różnicówka bazuje na bardzo prostej obserwacji, o której pisałem w poprzednim odcinku. Obwód prądu musi być zamknięty. Ile prądu do układu wpływa, tyle też musi wypłynąć. Powinno wpłynąć przewodem “fazowym”, a wypłynąć – “neutralnym”. Mamy więc zabezpieczenie, przez które przechodzą obydwa przewody, a ono przez cały czas mierzy i sprawdza, czy jednym przewodem wypływa tyle samo prądu, ile drugim wpłynęło. Jeśli nie, to znaczy, że gdzieś się nam ten prąd gubi. Ucieka bokiem. Na przykład przez nieostrożnego użytkownika, który wsadził łapkę, gdzie nie trzeba. I w takim wypadku – natychmiast przerywa obwód. Zabezpieczenie to powinno zadziałać przy prądzie, który nie powinien zabić przy krótkotrwałym kontakcie.

Ale różnicówka potrafi nas zabezpieczyć jeszcze zanim dojdzie do porażenia! I tu wyjaśnia się rola tajemniczego trzeciego przewodu w domowej instalacji. Widzicie, jedną z powszechniejszych awarii prowadzących do porażenia jest tzw. przebicie. Czyli napięcie pojawiające się na obudowie. Dlaczego? Ot, przyczyna prozaiczna: gdzieś przetarła się izolacja, albo gdzieś pojawiła się przewodząca prąd woda – i między przewodem fazowym a obudową pojawił się kontakt. Dotknięcie obudowy teraz grozi śmiercią…

Albo groziłoby, gdyby nie trzeci przewód. Przewód zabezpieczający albo uziemiający. Jest on połączony z obudową urządzenia, a następnie z – nomen omen – ziemią, ale, co istotne, nie przechodzi przez różnicówkę. Jeśli więc przewód fazowy zetknąłby się z obudową, prąd zacznie odpływać przewodem uziemiającym zamiast neutralnego, co różnicówka wykryje – i wyłączy obwód. Tym samym nie dopuszczając do porażenia. Jeśli więc w domu zdarzy się wam, że różnicówka nie pozwoli się włączyć, to, zamiast kląć na nią, cieszcie się – działa jak należy, ratując Wam życie. Można tu jeszcze dodać, że z przewodu uziemiającego nie muszą korzystać urządzenia, których cała obudowa jest izolująca – na przykład ładowarki telefoniczne w obudowie plastikowej – albo takie, w których prąd jest za mały, żeby wywołać porażenie – na przykład instalacje LEDowe.

I to tyle, co warto wiedzieć na temat prądu do codziennego użytku. Jeśli czujecie niedosyt, jeśli coś Was zainteresowało i chcielibyście, żeby jakiś wątek rozwinąć, dajcie znać w komentarzach!

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!