220 Вольт в автомобиле

Переменное напряжение в автомобиле может понадобиться для зарядки аккумулятора ноутбука, камеры или ручного электроинструмента. Микроволновой печи, кофемашине, термопоту или мультиварке также требуется напряжение 220 Вольт. Но переменное напряжение 220 Вольт смертельно опасно. Оно может вызвать ток, который проходя через тело человека, убьет его.

Заземление в автомобиле

Чтобы уменьшить количество проводов, используемых трехфазным источником питания, концы фазных обмоток соединяют между собой в общей точке, которая называется нейтральной. Если фазы нагрузки соединены также, как и источника питания, то две общие точки можно связать нейтральным проводом. Нейтраль позволяет трем различным однофазным цепям работать от одного трехфазного источника питания, являясь общим проводом для всех фаз

Нейтральная точка источника питания и одна из точек электроустановки могут быть подключены к земле. Это подключение означает прямую физическую связь с Землей через вбитый в землю медный стержень, или как в случае автомобиля, связь с металлическим корпусом.

Связь с землей нужна по нескольким причинам. Во-первых, заземление создает для тока дополнительный путь с низким сопротивлением от корпуса устройства к источнику питания, и при замыкании, ток пойдет по этому пути, а не через тело человека. Во-вторых, соединение с землей шасси автомобиля, металлических трубопроводов, баков, двигателя, контактов заземления в розетках и корпусов устройств выравнивает их электрические потенциалы. Если этого не сделать, то разница напряжений в различных частях системы может стать причиной коррозии, электромагнитных помех или вызвать удар током. И наконец, связь с землей создает опорную точку относительно которой измеряются все напряжения в цепи.

Комбинированные устройства автоматически переключаются между двумя источниками питания-стационарной сетью 220 В и инвертором 

Существует несколько типов заземления электрических систем. В автомобилях используются две из них — TN-S и IT. В системе TN-S нейтральная точка источника питания заземлена, а все открытые проводящие части электрооборудования при помощи защитных PE проводников присоединены к заземляющей шине, которая соединена с заземленной точкой источника питания. В однофазной цепи переменного напряжения для создания системы заземления TN-S потребуется три провода — фаза, нейтраль и защитный проводник.

При типе заземления IT, нейтральная точка источника питания изолирована от земли. Но зато заземлены все открытые проводящие части электрооборудования.

Переменное напряжение в автомобиле

Источником переменного напряжения для электроустановки автомобиля может быть как стационарная электрическая сеть 220 Вольт, так и инвертор.

К стационарной сети автомобиль подключается в разных местах. Но почти всегда владелец машины мало осведомлен о том, в каком состоянии находится сеть в месте подключения. Так, он не знает какой там применяется тип заземления и заземлен ли используемый источник питания вообще. Он также не может быть уверен, что фаза и нейтраль «береговой» сети совпадут с фазой и нейтралью бортовой электроустановки.

Единственный способ избежать неприятностей при подключении к неизвестной сети – это так спроектировать систему переменного напряжения в автомобиле, чтобы она защищала пользователя в любых обстоятельствах.

Система TN-S

В автономном режиме источником переменного напряжения в автомобиле является инвертор. Чтобы создать систему заземления TN-S его нейтраль необходимо соединить с землей — кузовом автомобиля, а к точке заземления нейтрали подключить защитный PE проводник электроустановки.

На практике нейтральный и PE проводники соединяются внутри инвертора. В конструкции устройства может быть предусмотрена как жесткая связь между ними, тогда она выполняется в процессе изготовления, так и разъем, на который пользователь должен самостоятельно подключить нейтральный проводник. Иногда на корпусе инвертора устанавливают переключатель, который позволяет выбрать систему заземления TN. Во всех случаях после соединения корпуса инвертора с кузовом автомобиля нейтраль инвертора оказывается заземлена. Связь нейтрального и РЕ проводников есть далеко не во всех моделях инверторов, поэтому перед установкой устройства это необходимо проверить

AC-DC зарядные устройства необходимо подключать так, чтобы они работали только от сети 220 Вольт, но ни в коем случае ни от инвертора. Для таких устройств нужны отдельное УЗО и автоматический выключатель

Поскольку нейтраль инвертора в системе TN-S заземлена, а корпуса устройств, установленных в автомобиле, соединены с землей РЕ проводником, то пробой изоляции на корпус приводит к замыканию фазы на нейтраль. Возникающий в результате короткого замыкания ток, как правило настолько высок, что автоматический выключатель гарантированно отключает неисправную цепь менее чем за 0,1 секунды. Однако при малых токах замыкания, а также при обрыве защитного проводника автоматический выключатель может не сработать, поэтому в качестве дополнительной защиты системе TN-S применяют устройства дифференциального тока (УДТ) с номинальным дифференциальным током не более 30 мА.

Система IT

Инвертор – это устройство, создающее разность потенциалов 220 Вольт между двумя проводниками. В большинстве моделей эти проводники изолированы как от корпуса устройства, так и от входа постоянного напряжения. Это значит, нейтраль инвертора с землей не связана и, если инвертор является единственным источником питания, то для его подключения можно использовать систему IT.

Система заземления IT очень безопасна. В случае замыкания, напряжение, возникающее на проводящем корпусе устройства (напряжение прикосновения) не превышает нескольких Вольт, поэтому ток, текущий через человека настолько мал, что не представляет для него никакой опасности.

Единственную нагрузку подключить к инвертору очень просто. Для этого достаточно соединить корпус инвертора с кузовом автомобиля, а затем воткнуть вилку устройства в розетку на корпусе инвертора. Но если в машине установлено несколько расположенных в разных местах потребителей, то в системе IT необходимо использовать устройство контроля изоляции.

Подключение автомобиля к сети 220 Вольт

После подключения автомобиля к стационарной сети 220 Вольт он становится ее частью и нейтраль бортовой системы переменного напряжения получает связь с заземленной нейтралью сети.

Однако автомобиль не похож на подключенный к электрической сети загородный дом. Во-первых, автомобиль связан с сетью гибким кабелем, контакты которого могут окислится, коррозировать или ослабнуть. Во-вторых, защитного проводника в сетевой розетке может не быть совсем или он может быть обломан. И наконец, электроустановка автомобиля не имеет воткнутого в землю заземлителя и поэтому вынуждена целиком полагаться на заземление, обеспечиваемое сетью. Но, к сожалению, такая земля не всегда надежна — сетевые кабеля могут оказаться слишком длинными, а их сечение недостаточным.

Кроме того, если в автономном режиме устройства переменного напряжения в автомобиле работали от инвертора и нейтраль инвертора, как и положено для системы TN-S, была соединена с кузовом автомобиля, то после подключения к сети 220 Вольт, это соединение необходимо разорвать. Иначе небольшая разница в потенциале земли между стационарной сетью и автомобилем или сопротивление в защитном и нулевом проводнике могут привести к тому, что ток пойдет обратно к источнику питания (сетевому трансформатору) не по одному из этих проводников, а по какому-то другому пути. В худшем случае этот путь пройдет через человека открывающего дверь автомобиля.

Инверторы с байпасом и комбинированные инверторы-зарядные соединяют и разъединяют нейтральный и РЕ проводника автоматически.  Когда инвертор просто передает на борт сетевое напряжение, то его входное реле замкнуто, а реле заземления разомкнуто. А когда сеть отключена инвертор размыкает входное реле и замыкает реле заземления, соединяя таким образом нейтральный и РЕ проводники

Источником напряжения 220 Вольт в автомобиле чаще всего является инвертор. Инвертор потребляет большой ток и быстро разряжает сервисный аккумулятор. Заряд аккумулятора лучше всего восстанавливает DC-DC зарядное устройство

Вне зависимости от состояния реле заземления, РЕ проводник бортовой системы переменного напряжения через корпус инвертора остается соединен с металлическим кузовом машины. В результате, при утечке на землю у тока возникнет два пути. Первый по защитному проводнику кабеля берегового питания, а второй через кузов. Оба пути ведут к заземленной сетевой нейтрали, имеют одинаковый входной потенциал и работают параллельно. При этом больший ток потечет по РЕ проводнику кабеля, так как сопротивление пути кузов – земля окажется выше.

Но полагаться только на защитное заземление нельзя. При возникновении неисправности автомобиль необходимо быстро отключить от сети. Это должно сделать устройство контроля дифференциального тока с номинальным дифференциальным током не более 30 мА.

У отключенного от сети автомобиля схема электрической установки меняется. Машина больше не является частью стационарной сети и связи с заземленной сетевой нейтралью у бортового оборудования нет. Установленный в автомобиле инвертор вновь становится основным источником питания и вместе с нагрузкой образует собственную автономную электрическую цепь, поэтому никакой ток через кузов автомобиля на землю не течет

УЗО в автомобиле

В нормальных условиях от поражения током человека предохраняют корпуса устройств и изоляция токоведущих частей. Однако, эта защита не абсолютно надёжна. В процессе эксплуатации провода сгибаются и трутся из-за вибрации, изоляция изнашивается, а высокая влажность или погружение в воду делают ее еще менее надежной. Кроме того, по неосторожности или из-за невнимательности человек может случайно прикоснуться к токоведущим частям.  В таких условиях нужна дополнительная защита.

В системе питания от заземленного источника любая разность между током, входящим в цепь, и током, выходящим из нее, будет уходить на землю. Ток потечет или через поврежденную изоляцию, или через контакт заземленной части с проводом, находящимся под напряжением. Этот контакт может создать в том числе и тело человека. Устройство дифференциального тока (УДТ – это современное название УЗО) обнаруживает разность токов в фазном и нейтральном проводах и автоматически отключает источник питания. Ток отключения УЗО намного меньше, чем ток, при котором срабатывает автоматический выключатель

Короткие замыкания, как правило, развиваются в местах дефектной или поврежденной изоляции. Возникающий при этом ток утечки слишком мал, чтобы его могли обнаружить автоматические выключатели, но достаточен, чтобы вызвать пожар. УДТ, реагирует на утечку на землю и заранее, до развития короткого замыкания, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание. Перегрев также может возникнуть из-за того, что максимальный ток кабеля не согласован с номиналом автоматического выключателя. Во влажной среде это иногда приводит к возникновению электрической дуги

УЗО устанавливают на входе в систему переменного напряжения автомобиля, до места разделения нагрузки на разные группы. Если в автомобиле есть инвертор (инвертор с зарядным устройством), то УЗО устанавливают и после него. В противном случае в автономном режиме работы, при питании от инвертора, дифференциальной защиты не будет. Когда система спроектирована так, что одно или несколько бортовых устройств, должны работать только от стационарной сети, то для этих устройств устанавливают собственное УЗО.

Если нейтраль соединена с землей в нескольких точках, то из-за разности потенциалов земли устройство защитного отключения может срабатывать преждевременно. Непредсказуемое ложное отключение так же происходит, когда в системе установлены устройства, суммарный ток утечки которых в нормальных условиях больше порога срабатывания УДТ

Безопасная система — это та, в которой предусмотрена защита от короткого замыкания, перегрузки и токов утечки на землю. Но обнаружить такую утечку можно только тогда, когда нейтраль источника питания заземлена