Aparate electrocasnice și siguranța electrică

Pe plăcuța de identificare a unui aparat găsești tensiunea nominală, puterea și alte date de folosire. Puterea $P$ se măsoară în wați ($\mathrm{W}$), iar energia electrică preluată într-un interval $t$ se calculează cu $E=Pt$ dacă puterea rămâne constantă. Un fierbător de $1000\mathrm{W}$ folosit $10\min$ preia $E=600000\mathrm{J}=0,167\mathrm{kWh}$.

Un scurtcircuit apare când rezistența unei căi dintre două puncte cu tensiune diferită devine foarte mică, iar curentul crește foarte mult. Siguranța fuzibilă sau disjunctorul întrerupe circuitul la curent excesiv. Protecția la electrocutare include izolația intactă, împământarea corectă și un dispozitiv diferențial; niciunul nu justifică atingerea conductorilor sub tensiune.

Plăcuța de identificare dă datele de la care pornește orice calcul: tensiunea nominală (în România $230\mathrm{V}$, cu frecvența de $50\mathrm{Hz}$), puterea nominală în wați sau kilowați, uneori curentul nominal, clasa de protecție și gradul de protecție IP. Aparatele din clasa I au carcasa metalică legată la conductorul de protecție, cel galben-verde, prin fișa cu contact de protecție. Cele din clasa II au dublă izolare și nu se leagă la pământ. Clasa III folosește tensiune foarte joasă de securitate. Prima cifră din codul IP arată protecția împotriva corpurilor solide, a doua împotriva apei: la IPX4 aparatul rezistă la stropire.

Puterea nominală este puterea absorbită la tensiunea nominală: $P=UI$, iar pentru un rezistor $P=U^2/R$, deci $R=U^2/P$. Energia este $E=Pt$ și se exprimă în jouli sau în kilowatt-oră, cu $1\mathrm{kWh}=3,6\cdot 10^6\mathrm{J}$. Contorul măsoară energia, de aceea factura depinde de durata de funcționare, nu doar de puterea aparatului. Un frigider sau o mașină de spălat lucrează cu puteri diferite pe etape, iar energia totală este suma produselor putere × durată. La motoare și la alte receptoare cu bobine, puterea activă se calculează cu factorul de putere, ca în lecția despre energia și puterea în curent alternativ.

Scurtcircuitul apare când izolația dintre fază și nul se deteriorează și rezistența buclei scade la valori de ordinul zecimilor de ohm. Curentul este limitat doar de această rezistență mică, $I=U/R_b$, unde $R_b$ este rezistența buclei, iar căldura degajată $Q=R{I}^{2}t$ crește cu pătratul curentului: conductorul se încălzește rapid, iar izolația se poate aprinde. Siguranța fuzibilă are un fir calibrat care se topește la depășirea curentului nominal. Disjunctorul are un declanșator termic (o lamelă bimetalică) pentru suprasarcină și unul electromagnetic pentru scurtcircuit, care acționează în câteva milisecunde. Valoarea protecției se alege după secțiunea conductorului; o siguranță mai mare nu face circuitul mai sigur, ci lasă conductorul să se încălzească fără să declanșeze.

Pericolul electrocutării depinde de curentul prin corp, $I=U/R_{\mathrm{corp}}$, iar rezistența corpului scade mult pe piele umedă. Ordinele de mărime: în jur de $1\mathrm{mA}$ curentul se simte, de la $10\mathrm{mA}$ mușchii se contractă și mâna nu mai poate elibera conductorul, iar curenții de ordinul $100\mathrm{mA}$ prin trunchi pot produce fibrilația inimii. La un defect de izolație, împământarea ține carcasa la un potențial apropiat de cel al pământului și lasă să treacă un curent de defect suficient de mare ca să declanșeze protecția. Dispozitivul diferențial compară curentul din fază cu cel din nul și declanșează în mai puțin de $0,3\mathrm{s}$ când diferența, adică curentul de fugă prin pământ sau prin corp, atinge valoarea nominală de $30\mathrm{mA}$.

Exemplu rezolvat 1. Pe plăcuța unui uscător de păr scrie $230\mathrm{V}$ și $1800\mathrm{W}$. Cât curent absoarbe, ce rezistență are încălzitorul și cât costă folosirea lui $15\min$ pe zi, timp de $30$ de zile, la tariful de $1,30$ lei/kWh?

1. Curentul nominal este $I=P/U=1800/230\approx 7,83\mathrm{A}$.
2. Rezistența la temperatura de funcționare este $R=U^2/P=230^2/1800\approx 29,4\Omega$.
3. Timpul total este $t=15\min \cdot 30=450\min =7,5\mathrm{h}$, deci $E=Pt=1,8\mathrm{kW}\cdot 7,5\mathrm{h}=13,5\mathrm{kWh}$.
4. Costul este $13,5\cdot 1,30=17,55$ lei.

Rezistența unui conductor metalic crește cu temperatura, de aceea valoarea la rece a încălzitorului este mai mică decât $29,4\Omega$.

Exemplu rezolvat 2. Un circuit de priză este protejat cu un disjunctor de $16\mathrm{A}$. În bucătărie funcționează simultan un fierbător de $2000\mathrm{W}$, un prăjitor de pâine de $800\mathrm{W}$ și un aspirator de $1600\mathrm{W}$, toate la $230\mathrm{V}$.

1. Puterea maximă a circuitului este $P_{\max }=230\cdot 16=3680\mathrm{W}$.
2. Puterea cerută de cele trei aparate este $2000+800+1600=4400\mathrm{W}$.
3. Curentul total este $I=4400/230\approx 19,1\mathrm{A}$, mai mare decât $16\mathrm{A}$, deci disjunctorul declanșează prin protecția termică.
4. Fără aspirator, $P=2800\mathrm{W}$ și $I\approx 12,2\mathrm{A}$, valoare sub limită.

Declanșarea nu arată o defecțiune a aparatelor, ci o suprasarcină a circuitului.

La un scurtcircuit cu rezistența buclei $0,50\Omega$, curentul este $230/0,50=460\mathrm{A}$. Față de $8,7\mathrm{A}$ al unui încălzitor de $2000\mathrm{W}$, curentul este de $52,9$ ori mai mare, iar căldura degajată în același conductor crește de aproape $2800$ de ori.

Greșeli frecvente

• Greșit: puterea în $\mathrm{W}$ este aceeași mărime cu energia facturată în $\mathrm{kWh}$.
  Corect: energia este puterea înmulțită cu timpul.
• Greșit: o siguranță mai mare face orice aparat sigur.
  Corect: protecția se alege după circuit și curentul admis; una prea mare nu declanșează înainte ca firul să se supraîncălzească.
• Greșit: un aparat oprit la buton poate fi reparat fără deconectare.
  Corect: se scoate din priză și intervenția se face de personal calificat.
• Greșit: pericolul electrocutării depinde numai de tensiune, nu și de curent.
  Corect: efectul asupra corpului depinde de curentul care îl străbate, $I=U/R_{\mathrm{corp}}$; tensiunea contează prin curentul pe care îl produce, iar curenți de ordinul zecilor de miliamperi sunt deja periculoși.
• Greșit: dacă în tablou există disjunctor, conductorul gol de sub tensiune poate fi atins.
  Corect: disjunctorul protejează circuitul la supracurent și nu oprește un curent de câțiva miliamperi prin corp; protecția la atingere cere izolația intactă și dispozitiv diferențial.

Înainte și după