Ноль в электротехнике — самое простое объяснение

Ноль в розетке — что это на примере однофазного генератора

Начнем самого простого — того, что мы видим и чем пользуемся каждый день, с обычной электрической розетки. Что мы знаем о розетке? В ней два контакта (заземление мы не рассматриваем). К одному контакту подводиться фазный проводник, к другому — рабочий нулевой проводник (N). Включая какой-либо электроприбор (например лампочку) мы замыкаем цепь, и по ней течет ток (лампочка начинает светиться). Здесь все понятно — для протекания тока в цепи она обязательно должна быть замкнута. При этом важно учитывать чем мы замыкаем. Лампочка обладает определенным сопротивлением (сотни Ом). И не трудно в этом случае посчитать силу тока в цепи по закону Ома — делим напряжение (220 — 230 В) на сопротивление. Получаем силу тока в пределах одного ампера. Чем больше сила тока, тем быстрее электроны упорядочено двигаются в цепи и тем сильнее ее разогревают. Именно поэтому если замкнуть фазный провод с нулевым без нагрузки (с минимальным сопротивлением) — будет короткое замыкание. При больших токах короткое замыкание сопровождается громким хлопком и яркой вспышкой. Если не сработает автоматика, то провода разогреются до высокой температуры, начнет гореть изоляция и все что ее окружает.

Теперь рассмотрим фазный и нулевой контакт в розетке по отдельности. И естественно нас интересует, что произойдет, если человек прикоснется к ним. Начнем с фазы, прикосновение к которой не сулит ничем хорошим (вплоть до летального исхода). Почему же прикосновение к фазе опасно? Все просто — мы замыкаем цепь, и через тело начинает течь ток. Объясним это сначала на примере с однофазным генератором (важно не путать с трехфазной системой электроснабжения).

Итак, мы имеем однофазный генератор с двумя выводами. По сути здесь нет ни фазы ни нуля. Если работающий генератор изолировать от земли, то можно смело прикасаться к любому из его выводов (только не к двум одновременно). В этом случае цепь никаким образом не замыкается, и ток по ней не течет. Хотя, конечно существует емкостная связь с землей. Но она в данном случае настолько мала, что принимать ее во внимание не стоит. Покажем это:

Далее для наглядности смоделируем ситуацию в программе Multisim:

Как видно цепь у нас замкнулась через конденсатор, образованный вторым выводом генератора, воздухом и землей. Но емкость такого конденсатора очень мала. И в нашем примере ток протекающий в такой цепи имеет силу 6,9 микроампер (мкА или µA) или 0,0069 миллиампер (мА или mA). Для справки приведем таблицу воздействия на организм переменного и постоянного тока:

Теперь рассмотрим следующую ситуацию:

В данном случае мы заземлили второй вывод генератора (сопротивление заземлителя 30 Ом). Ко второму выводу генератора прикоснулся человек. Примем условно, что человек контактируя с землей образовал заземлитель с сопротивлением растеканию тока 5000 Ом. Цепь замкнулась и с учетом последовательного соединения нагрузок от сопротивлений 30 и 5000 Ом сила тока 0,044 А или 44 мА (миллиампер). Данное значение тока согласно приведенной выше таблицы приведет к нарушению сердечной деятельности, параличу конечностей и дыхательного центра.

С фазой мы закончили. Теперь рассмотрим, что произойдет при прикосновении к так называемому нулю. На самом деле это не ноль, а заземленный вывод однофазного генератора. Ноль в электротехнике имеет иной смыл и функцию, но об этом чуть позже. А пока рассмотрим первую ситуацию:

Что мы видим на схеме? Во-первых цепь уже замкнута через нагрузку сопротивлением 30 Ом. Без нагрузки нет смысла рассматривать, так как просто повторим предыдущие примеры. Чтобы было понятно, представьте, что к генератору подключены две розетки. В одну розетку включен электрочайник, а к заземленному выводу второй розетки мы прикасаемся. В этом случае многие ошибочно могут предположить, что так как вывод заземлен и человек прикасающийся к этому проводу имеет контакт с землей, никакого тока через образовавшееся ответвление не потечет. Но это не так. Провод имеет определенное сопротивление. А раз он имеет сопротивление, то потенциал на всем его протяжении меняется. На схеме сопротивление участка между точкой заземления вывода генератора и точкой, в которой происходит контакт человека, условно 0,01 Ом. Соответственно мы имеем разность потенциалов, и через человека пройдет ток силой 0,015 мА. Это не большое значение, но важно об этом знать. И чем больше сопротивление участка между точкой заземления вывода генератора и точкой, в которой происходит контакт человека, тем большая разность потенциалов образуется, и соответственной увеличивается сила тока в ответвлении. На следующем примере мы увеличили сопротивление R4 в 10 раз, получив увеличение силы тока U2 в 10 раз:

Давайте еще раз рассмотрим данную ситуацию, но уже более детально с понятной иллюстрацией. Примем, что каждый провод, подключенный к выводам однофазного генератора имеет сопротивление 0,05 Ом и условно разделим его на пять частей. Получим 10 равных участков и суммарное сопротивление двух проводов 0,5 Ом. Пока заземлять один из выводов и включать в цепь дополнительную нагрузку не будем. Посмотрим как распределились потенциалы на наших 10 участках:

Чтобы увидеть потенциалы на участках цепи мы воспользовались осциллографом. Важно понимать, что напряжение у нас переменное. Соответственно и потенциалы изменяются со временем и отрисовывают синусоиды. Поэтому берем только конкретные амплитудные (максимальные на пике графика) значения. Теперь рассмотрим показания осциллографа:

1. Амплитудные значения потенциалов на выводах генератора +155 В и -155 В. Чтобы было сразу понятно — разность потенциалов между выводами генератора получается +155-(-155) = +310 В. Это амплитудное значение напряжения. Чтобы получить привычное многим действующее значение 220 В, нужно амплитудное значение поделить на корень из двух.
2. Цепь мы разделили на 10 равных частей с сопротивлением 0,05 Ом. Суммарная нагрузка создается сопротивлением 0,5 Ом. Нетрудно посчитать силу тока в цепи I = U/R = 220/0,5 = 440 А (значение большое, но это всего лишь пример). Зная силу тока в цепи по правилу последовательного соединения находим напряжение между выводами каждого резистора UR = R1×I = 0,05×440 = 22 В (важно — это действующее значение). Зная падение напряжения на резисторах, нетрудно определить потенциалы на участках цепи. Найдем X — амплитудное значение потенциала в точке между резистором R9 и R10. Известно, что амплитудное значение потенциала на выводе генератора +155 В. Амплитудное напряжение на каждом резисторе +31 В (действующее значение 22 В умножили на корень из двух). Напряжение — это разность потенциалов. Соответственно +31 = +155-X. Отсюда искомый потенциал X = +155-(+31) = +124 В. Проверяем по осциллографу (канал C) — значения совпадают. Аналогично мы можем просчитать или посмотреть через осциллограф потенциалы в каждой точке цепи.

Какой можно сделать промежуточный вывод из приведенной выше иллюстрации? В однофазном генераторе нет как таковых фазы и нуля. Два вывода генератора выполняют одинаковые функции и являются частью одной фазы. В любой момент времени потенциалы на выводах равны по модулю, но имеют разный знак.

Теперь рассмотрим эту же схему, но с одним заземленным выводом:

По сути ничего кардинально не изменилось. Ток в цепи как протекал от одного вывода генератора к другому меняя направление 100 раз в секунду (частота 50 Гц), так и продолжил протекать. Изменился только потенциал в точке соединения с землей в моменте с -155 В до 0 В. А это в свою очередь привело к перераспределению потенциалов во всей цепи:

Важно отметить — мы получили точку с нулевым потенциалом и при этом ток в полном объеме протекает от одного вывода генератора к другому. К этому моменту мы вернемся, когда будем рассматривать трехфазную систему. И там нам станет понятно, почему заземлив один из выводов генератора, мы не получаем ноль.

Продолжим рассматривать пример. Включим в цепь электрочайник (R3 = 30 Ом): 

Увеличив нагрузку мы снизили силу тока в цепи. Соответственно снизились и напряжения на участках цепи, изменились потенциалы в выбранных нами точках. Покажем это перераспределение потенциалов:

Потенциалы в точках мы перераспределили с учетом амплитудной силы тока в цепи 10 А (310 В/30,5 Ом ≈ 10 А). Это значение для удобства округлили. В связи с этим более точные значения из осциллографа могут немного отличаться (но это не принципиально).

Теперь представим, что человек прикасается к так называемому нулевому проводу (заземленному выводу генератора) в некоторой точке. На схеме эта точка расположена между резисторами R6 и R7. В этой точке амплитудный потенциал +1,5 В. Через человека, землю и заземленный вывод генератора замыкается параллельная цепь. В точке заземления вывода генератора потенциал 0 В. Получаем амплитудную разность потенциалов 1,5 В.

Важно помнить — когда мы работаем с осциллографом, то все значения показываются мгновенные или амплитудные. Если нам нужно перевести в привычные нам действующие значения, то амплитудные делим на корень из двух.

Просчитаем амплитудную силу тока в параллельной цепи: 1,5 В/5030 Ом = 0,00029821 А или 0,29821 мА. Поделим полученное значение на корень из двух и получим действующую силу тока 0,21086 мА. Как видно вольтметр в программе показывает почти такое же значение. Это не большая сила тока. Но она есть, и есть именно благодаря тому, что данный вывод, к которому мы прикоснулись, заземлен. Не нужно ошибочно полагать, что если мы заземляем один из выводов однофазного генератора, то он превращается в ноль, а ноль в розетке якобы не бьет током. В домашней розетке у нас совсем другой ноль, который в определенных случаях тоже может неплохо шандарахнуть.

Подведем итог:

• У однофазного генератора нет ни нуля ни фазы.
• У однофазного генератора есть два равнозначных вывода, являющихся частью одной фазы.
• Заземляя любой из выводов генератора мы получаем только нулевой потенциал в точке. При этом сам вывод не превращается в нулевой. Почему это важно? Я не против называть заземленный вывод однофазного генератора нулем. Ведь я понимаю как работает такая цепь. Но некоторых такое название может ввести в заблуждение. Примером такого заблуждения является ситуация, когда требуется запитать фазозависимый газовый котел к однофазному генератору. Об этом я напишу в отдельной публикации.
• Пока же вернемся к теме публикации и разберемся, что такое на самом деле ноль в электротехнике.

Ноль в трехфазной системе электроснабжения

Возвращаемся к розетке, но только сейчас уже будем рассматривать не однофазный генератор, а полноценную трехфазную систему электроснабжения. Подробно на ней останавливаться не будем — в предыдущих публикациях трехфазная система подробно расписана. С ней можно также ознакомится, просмотрев следующие ролики:

Сейчас же перейдем к самой сути. В трехфазной системе источником электроэнергии выступает трехфазный генератор. Всю цепочку транспортировки от электростанции до конечного потребителя мы рассматривать не будем. Остановимся на участке последний распределительный трансформатор — потребители. Трансформатор в схемах можно заместить трехфазным генератором 220 В.

Разберемся с трехфазным генератором 220 В. По сути это три однофазных генератора, у которых один из выводов соединен в общей точке, а фазные обмотки смещены друг относительно друга на 120°. Для простоты восприятия начнем с одного однофазного генератора, который мы уже ранее рассматривали.

Первое, что нужно отметить — потенциалы на выводах генератора изменяются во времени, равны по модулю, но имеют противоположный знак. Покажем это наглядно:

Давайте проанализируем потенциалы на одном из выводов генератора. Будем рассматривать красный график-синусоиду. Что мы видим:

• Потенциалы со временем изменяются.
• В начале потенциал на выводе 0 В.
• Далее он начинает плавно нарастать с максимальным амплитудным значением на вершине графика. В нашем случае амплитудный потенциал +155 В.
• Пройдя вершину графика потенциал начинает уменьшаться вплоть до нуля. Электроны начинают движение в противоположную сторону.
• После нуля снижение потенциала продолжается и доходит до амплитудного значения -155 В.
• Далее электроны опять меняют направление и потенциал начинает увеличиваться, доходит до нуля и заканчивает период. Так как частота 50 Гц, то таких периодов в секунду 50.

На втором выводе генератора график изменения потенциалов такой же, только зеркально отражен.

Приведем упрощенную модель генератора и объясним, почему происходит изменение потенциалов на выводах:

Если сравнить с нашим моделированием в программе мультисим, то приведенная на схеме модель генератора соответствует моменту, когда потенциалы на выводах +155 и -155 В. То есть полюса магнита находятся непосредственно под витками. Вращая магнит, мы удаляем полюса от витков, электроны в витках изменяют направление и скорость движения. Тем самым происходит постоянное изменение потенциалов на выводах генератора и формируется синусоида.

Более подробно с принципом работы генератора можно ознакомиться в следующем ролике:

Трехфазный генератор — это три однофазных генератора со смещенными друг относительно друга фазными обмотками на 120°. Что это значит? Мы рассмотрели однофазный генератор. Давайте возьмем еще один однофазный генератор, но расположим его обмотку под углом 120° относительно обмотки первого генератора:

На рисунке a и x — выводы одного генератора, b и c — выводы второго генератора. Потенциал на выводе а +155 В (это мы уже отмечали выше). Каков же потенциал в этот момент времени на выводе b второго генератора? Его можно просчитать, но давайте не будем этим заниматься, так как в нашем распоряжении имеется программа. Отметим лишь важное — для того, чтобы потенциал на выводе b был максимальным +155 В, магнит должен провернуться на 120°. А это займет некоторое время. Соответственно, чтобы получить синусоиду потенциалов вывода b, достаточно взять синусоиду потенциалов вывода а и сместить ее на время, которое затратит магнит при вращении на 120°. Покажем это в программе мультисим:

Красная синусоида показывает изменение потенциала на выводе первого генератора, а зеленая — второго. Как видно, графики идентичные, просто смещены друг относительно на 120° (2π/3). С помощью программы мы видим, что в выбранный нами момент времени потенциал на выводе первого генератора +155,5 В, на выводе второго -75,6 В.

Добавим в схему третий генератор со смещением обмотки 240° или -120°:

Получаем потенциал на выводе третьего генератора в выбранный нами момент времени -79,9 В. В этот же момент времени потенциалы на других выводах такие же, только с противоположным знаком: -155,5 В, +75,6 В и +79,9 В. Соединим выводы с этими потенциалами по схеме звезда:

Мы получили точку с нулевым потенциалом. В самом деле путем сложения потенциалов получаем -155,5 В+(+75,6 В)+(+79,9 В) = 0 В. А с учетом нуля в общей точке соединения изменяются  потенциалы на оставшихся выводах (получаем +311 В, -151,2 В и -159,8 В). Причем в любой момент времени, если сложить потенциалы на выводах генераторов со смешенными друг относительно друга фазными обмотками на 120°, всегда получим 0 В. Таким образом мы показали, как образуется ноль в электротехнике.

Чтобы было немного понятнее, представьте, что точка соединения фазных обмоток звездой — это нейтраль трансформатора, и она уже имеет нулевой потенциал. Многие ошибочно считают, что нулевой потенциал в общей точке образуется за счет ее заземления. Но это не так, и заземление выполняет совсем иную функцию.

Нулевую точку мы нашли, а теперь разберемся с нулевым проводом в трехфазной системе электроснабжения. Для этого опять применим программу мультисим, и отрисуем в ней простую схему:

Что мы видим на схеме:

• Нейтраль трансформатора — нулевую точку соединения выводов генератора по схеме звезда.
• К оставшимся выводам подсоединены желтый, зеленый и красный провод — это соответственно три фазы.
• К трем фазам подключены резисторы по 30 Ом каждый. Упростим трехфазную систему электроснабжения и представим, что резисторы это три дома по улице в которых включены по чайнику. То есть резистор — это чайник.
• Чтобы подключить чайник нужна фаза и ноль. Фазы есть, но нулевой провод от трансформатора не вывели. Поэтому представим, что чайники соединены с фазой и нулем. Сам нулевой провод проложен по опорам на улице, но к трансформатору не подключен.
• Как вы могли заметить, чайники в домах прекрасно работают и без нуля от трансформатора. А все это благодаря симметричной нагрузке по фазам (30 Ом = 30 Ом = 30 Ом). Ранее мы уже выделяли потенциалы на фазных выводах +311 В, -151,2 В и -159,8 В в некоторый момент времени. Пусть потенциал на первой фазе +311 В, на выводе второй фазы -151,2, на выводе третьей фазы -159,8. Потенциалы второй и третьей фазы в сумме дают -311 В. Соответственно в выбранный момент времени электроны начинают движение от первой фазы и в полном объеме беспрепятственно возвращаются через вторую и третью фазу. По сути мы подучаем аналогию однофазного генератора, где в роли одного из выводов поочередно выступают любые две фазы. И в данном случае будет глупо утверждать, что заземлив один из выводов, мы получим ноль.
• Так как электроны за счет симметричной нагрузки беспрепятственно циркулируют в трехфазной цепи, то потенциалы в нулевых точках равны 0 В. Здесь следует отметить, что помимо нейтрали трансформатора есть еще один ноль — общая точка соединения фазных нагрузок. Соединяя две нулевые точки мы получаем нулевой или нейтральный провод.

Добавим в схему нулевой провод:

Как видно по нему не проходит ток, и при симметричной нагрузке от него можно вовсе отказаться. Но добиться идеально симметричной нагрузки при электроснабжении частных домов, квартир и иных потребителей невозможно. Покажем, что происходит при несимметричной нагрузке и отсутствии нулевого провода:

Увеличив нагрузку (уменьшив сопротивление с 30 до 20 Ом) на второй фазе мы получили разброс в напряжениях на нагрузках. В домах, запитанных от первой и третьей фазы напряжение 237 В. А на второй фазе напряжение 188 В. По сути мы рассмотрели аварийную ситуацию отгорания нуля. Но почему же без нулевого провода и несимметричной нагрузке происходит такое? Все просто. Уменьшив сопротивление на второй фазе мы создали небольшой барьер для беспрепятственного перемещения электронов в цепи. Теперь в моменте электроны вылетевшие через сопротивление 30 Ом первой фазы не успевают полностью вернуться через сопротивления 20 и 30 Ом второй и третьей фазы. Некоторое количество остается в нулевых точках, изменяет их потенциалы. Отличные от нуля потенциалы нулевых точек трехфазной цепи в свою очередь изменяют напряжения на нагрузках.

Поэтому самая важная роль нулевого провода в электротехнике — устранение перекоса системы при несимметричной нагрузке. Сейчас мы добавим нулевой провод, и вы наглядно увидите, как выровняются напряжения на фазных нагрузках:

После добавления нулевого провода появился дополнительный путь для прохождения электронов. Электроны перестали накапливаться в нулевых точках и напряжения фазных нагрузок выровнялись.

По нулевому проводу пошла часть тока. При этом основные токи продолжили циркулировать между фазами. Это важно отметить, так как многие ошибочно считают что весь ток по нулю возвращается в трансформатор.

Вспомним важное из предыдущего пункта про однофазный генератор: «Заземлив один из выводов мы получили точку с нулевым потенциалом и при этом ток в полном объеме протекает от одного вывода генератора к другому».

Надеюсь теперь понятно, почему у однофазного генератора не может быть нуля даже при заземлении одного из выводов. У него два равнозначных вывода, по которым ток циркулирует беспрепятственно в полном объеме. Ноль в электрике (нулевые точки генератора и потребителя) — это точки соединения фазных обмоток генератора и потребителя по схеме звезда. А по самому нулевому проводу, соединяющему эти точки, вообще может не протекать ток, а если и протекает, то только некоторая часть (в зависимости от размера несимметрии потребления).

Заземлим нулевую точку трансформатора:

Как видно, ничего кардинально не изменилось. Заземление никак не влияет на ноль в электротехнике. Оно нужно лишь для безопасности при использовании системы.

Учитывая, что из-за несимметричного потребления по нулевому проводу как правило всегда протекает некоторый ток, то по аналогии с однофазным генератором посмотрим, что произойдет при прикосновении к нему в разных точках. Для начала разделим его на пять равных участка с сопротивлением 0,05 Ом: 

Амплитудный потенциал заземленной нейтрали 0 В. Амплитудный потенциал в предполагаемой точке прикосновения 755 мВ. Разность потенциалов хоть небольшая, но есть. Значит через человек пройдет ток. Рассчитывать и переводить из амплитудного значения в действующее не будем. Просто посмотрим, что покажет программа:

А показывает она силу тока 0,1 мА. Для сравнения, в примере с однофазным генератором мы получали значение 0,2 мА. То, что значения отличаются — это не принципиально. Принцип действия один и тот же. Только важно понимать, что в случае с однофазным генератором мы прикасались к проводу, идущему от заземленного вывода, а в случае с трехфазным генератором — к нулевому проводу идущему от заземленной нейтрали.