Опасность включения человека в эл цепь. Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях
К таким заболевания, отягощающим исход электротравмы относятся: повышение функции щитовидной железы, многие заболевания нервной системы, стенокардия. Особенно надо отметить влияние алкогольного опьянения. Кроме того, что человек в состоянии алкогольного опьянения чаще совершает ошибки и получает электротравму, у него, вследствии алкогольной интоксикации, центральная нервная система утрачивает свою регулирующую роль в управлении дыханием и кровообращением, что значительно отягощает исход поражения.
Включение человека в цепь электрического тока
Причины включения. Человек включается в цепь электрического тока при непосредственном контакте тела с токоведущей частью электроустановки, находящейся под напряжением. Обычно это происходит по халатности или в результате ошибочных действий человека, а также из-за неисправности электроустановок и технических средств защиты. К таким случаям, например, относятся следующие:
Прикосновение к токоведущим частям, находящимся под напряжением, в предположении, что они обесточены;
Прикосновение во время ремонта, чистки или осмотра к ранее обесточенным токоведущим частям, но на которые посторонним лицом ошибочно подано напряжение или произошло самопроизвольное включение неисправного пускового устройства;
Прикосновение к металлическим частям электроустановок, которые обычно не находятся под напряжением, но оказались под напряжением относительно земли из-за повреждения электрической изоляции или других причин (замыкание на корпус);
Возникновение шагового напряжения на поверхности токопроводящего основания (пола), по которому проходит человек; и др.
Схемы включения. Человек может включиться в цепь электрического тока, прикоснувшись к одной фазе электроустановки, находящейся под напряжением, одновременно к двум фазам или к нулевому защитному проводнику и фазе. Соприкосновение с нулевым защитным проводником безопасно (рис.2, а, I), остальные случаи влекут за собой серьезные последствия.
Рис. 2. Схемы путей прохождения электрического тока через тело человека: а – прикосновение к проводам; б – возникновение напряжения прикосновения; в – Возникновение шагового напряжения; I-прикосновение к нулевому проводу; II – прикосновение к фазовому проводу; III – прикосновение к фазовому и нулевому проводам; IV – прикосновение к фазовым проводам; 0 – нулевой провод; 1, 2, 3 – фазные провода; 4 – нейтральная точка; 5- одиночный заземлитель (электрод); А, Б, В- электроустановки
Однофазное (однополюсное) прикосновение (рис.2, а, II и III) происходит наиболее часто при замене ламп и уходе за светильниками, смене предохранителей и обслуживании электроустановок и т.п. В системе с заземленной нейтрально человек окажется под фазным напряжением Uф (в В), которое меньше линейного Uл:
Соответственно меньше будет и величина фазного тока, проходящего через тело человека. Если же человек при этом надежно изолирован от земли (обут в диэлектрические калоши, пол сухой и нетокопроводящий), то однофазное прикосновение опасности не представляет.
Двухфазное (двухполюсное прикосновение) прикосновение более опасно, потому что человек попадает под линейное напряжение (рис. 2, а, IV). Даже при напряжении 127 В и расчетной величине сопротивления тела человека 1000 Ом величина тока в цепи окажется смертельной (127 мА). При двухфазном прикосновении опасность поражения не уменьшится и в том случае, если человек надежно изолирован от земли (пола).
Двухфазные пркосновения происходят редко, обычно при выполнении работ под напряжением, которые строго запрещены.
При повреждении изоляции токоведущих частей и замыкании их на корпус электрооборудования может появиться значительный потенциал. Человек, прикоснувшийся в этом случае к корпусу электроустановки (рис.2, б), окажется под напряжением прикосновения Uп (в В)
где Iч – величина тока, проходящего через человека по пути «рука-нога», А; Rч – сопротивление тела человека, Ом.
Напряжением прикосновения называют разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек, или падение напряжения в сопротивлении тела человека.
Напряжение прикосновения будет расти по мере увеличения расстояния между электроустановкой и заземлителем, достигая максимума на расстоянии 20 м и более. При падении фазного провода на поверхности земли возникает зона растекания тока (рис.2, в).
Человек, проходящий через эту зону, окажется под шаговым напряжением (разность потенциалов) между двумя точками цепи тока, находящихся один от другой на расстоянии шага (0,8 м). Наибольшее шаговое напряжение будет около точки замыкания и, постепенно уменьшаясь, на расстоянии 20 м снизится до нуля.
Не следует приближаться к упавшему проводу ближе чем на 6-8 м. В случае необходимости подхода следует обесточить провод или надеть диэлектрические галоши (боты).
Психо-эмоциональная настороженность – «фактор внимания» при работе с электротоком
Формирование у работающих психо-эмоциональной настороженности, «фактор внимания» при работе с электротоком – важнейшие условие личной профилактики электротравматизма. Этот фактор основывается на знаниях физиологического действия электрического тока на организм при попадании пострадавшего в электрическую цепь.
В частности, решающую роль во многих случаях поражений играет «фактор внимания», т. е., по существу, тяжесть исхода поражения обуславливается в значительной степени состоянием нервной системы человека в момент поражения.
Необходимо, чтобы человек был «собран», что позволяет ожидать какого-либо события во время работы, требующей внимания.
Подобное утверждение правомерно в основном при поражении электрическим током напряжением 220-300 В. При больших напряжениях тяжелый исход чаще всего наступает от ожогов дугой. Здесь уже есть основания полагать, что опасность ожога растет практически линейно в зависимости от значения напряжения.
Фактор внимания, несомненно, вызывает мобилизацию защитных систем организма, усиливает через гипофизарно-адреналовую систему кровообращение сердечной мышцы, мозгового кровотока и делает их более устойчивыми к внешним раздражителям (электротравме).
При факторе внимания расстроить биосистему автоматического регулирования важнейших систем организма (центральной нервной системы, кровообращения, дыхания) значительно труднее.
Однако следует отметить, что роль фактора внимания пока еще не находит достаточного отражения в защитных мероприятиях при электробезопасности.
Но есть уверенность в том, что новые взгляды на электробезопасность живой ткани, дальнейшее изучение природы электрической активности организма человека позволяет раскрыть биофизику механизма поражения человека, что будет учтено в разработке мер по защите от действия электрического тока.
Мероприятия, обеспечивающие безопасную эксплуатацию электрооборудования
Технические способы и средства защиты, обеспечивающие электробезопасность, указываются с учетом: источника питания электроэнергией номинального напряжения, рода и частоты тока; режима нейтрали, вида исполнения; условий внешней среды; возможности снятия напряжения с токоведущих частей; характера возможного прикосновения человека к элементам цепи тока.
Анализ условий электробезопасности
Анализ условий электробезопасности заключается в определении величины тока через тело человека (I h) для конкретного случая.
Сравнивая полученные расчетным путем величины тока через тело человека с величиной условно безопасного тока (10мА) делают вывод об опасности данного случая. Если величина тока через тело человека превышает величину условно-безопасного тока - случай считают опасным. Если нет - не опасным. Так как человек в большинстве случаев пользуется сетью до 1000В, а эти сети, как правило, имеют небольшую протяженность, емкостью фазных проводов относительно земли можно пренебречь, считая, что сопротивление изоляции проводов (R из) относительно земли чисто активным.
Определить величину тока через тело человека можно так:
I h = U пр / R h
Сложность расчета заключается в нахождении напряжения прикосновения (U пр). Для нахождения этой величины прибегают к такому приему: определяют путь тока через тело человека, из которого и находят источник напряжения и сопротивления, через которые протекает ток.
Наиболее характерным бывают две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей.
Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую однофазным.
9.1.1. Двухфазное включение
Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека пойдет большой ток (рисунок. 9.1.).
Рисунок 9.1. Двухфазное включение человека в сеть.
где, I h – ток через тело человека
U пр - напряжение прикосновения
Для сети 380/220
Ток опасный для жизни человека
9.1.2. Однофазное включение.
Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, т.к. напряжение под которым оказывается человек не превышает фазного. Кроме того, на значение тока через тело человека влияет также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление обуви человека и другие факторы.
9.1.2.1. Однофазная сеть.
Рисунок 9.3. Схема включения
Рисунок 9.4. Схема замещения
Ток через тело человека можно найти как:
Из выражения можно сделать выводы:
1. Чем больше сопротивление изоляции относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу
2. Прикосновение человека к проводу с большим сопротивлением изоляции более опасно, т.к. напряжение прикосновение будет больше.
9.1 1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:
Рассмотрим два режима сети:
а) Нормальный режим работы (сопротивление изоляции имеют большое (нормированное) значение.
Рисунок 9.5. Однофазное включение в 3 х фазную сеть
с изолированной нейтралью
При равенстве сопротивлений изоляцииR из1 =R из2 =R из3 , величина тока через тело человека определяется выражением
В таких сетях опасность для человека, прикоснувшегося к проводу, при нормальном состоянии сети, зависит от сопротивления изоляции. Чем оно больше, тем меньше опасность. Поэтому, очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.
Согласно ПЭУ сопротивление изоляции проводов относительно земли в установках до 1000В не должно быть менее 500к.
б) При аварийном режиме - замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление замыкания - R зм.(рисунок 9.6.)
Рисунок 9.6 Аварийный режим в сети
Обычно R зм лежит в пределах от 50 до 200Ом.
Ток через тело человека, как и в нормальном режиме будет протекать и через сопротивления изоляции проводов относительно земли, но его величина будет значительно меньше, чем ток, протекающий через малое сопротивление замыкания. Поэтому величиной тока, протекающего через сопротивление изоляции, можно пренебречь и считать, что ток протекает только через сопротивление замыкания и тело человека.
Это очень опасно.
9.1.2.3. Трехфазная трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью:
Глухозаземленной называется нейтраль трансформатора или генератора присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока).
а) Нормальный режим работы
Рисунок 9.7.
Сопротивление заземления нейтрали R о нормируется в зависимости от максимального напряжения сети.
При U л =660В, R о =2Ом, при U л =380В, R о =4Ом, при U л =220В, R о =8Ом
Током, протекающим через тело человека и сопротивлением изоляции проводов можно пренебречь, по сравнению с током, протекающим через тело человека и малое сопротивление заземления нейтрали. Величина этого тока определяется из выражения:
Из выражения видно, что в сети с глухозаземленной нейтралью в период нормальной работы сети прикосновение к одному из проводов более опасно, чем прикосновение к проводу нормально работающей сети с изолированной нетралью.
б) При аварийном режиме работы - когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое сопротивление R зм (рисунок 9.8.).
Рисунок 9.8.
Если провести анализ этого случая, то можно сделать следующие выводы:
2. Если принять R о равным 0, то человек окажется под фазным напряжением.
В реальных условиях R зм и R о всегда больше нуля, следовательно, человек, касаясь провода в аварийном режиме сети, попадает под напряжение меньше линейного, но больше фазного.
Анализ опасности поражения практически сводится к определению значения тока, протекающего через тело человека в различных условиях, в которых он может оказаться при эксплуатации электроустановок, или напряжения прикосновения. Опасность поражения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, емкости токоведущих частей относительно земли и т. п.
Каковы схемы включения человека в электрическую цепь?
Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя фазами электрической сети, между одной фазой и землей. Кроме того, возможно прикосновение к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, а также включение человека под шаговое напряжение.
Что называется нейтралью трансформатора (генератора) и каковы режимы ее работы?
Точка соединения обмоток питающего трансформатора (генератора) называется нейтральной точкой, или нейтралью. Нейтраль источника питания может быть изолированная и заземленная.
Заземленной называется нейтраль генератора (трансформатора), присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).
Изолированной называется нейтраль генератора или трансформатора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление (приборы сигнализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы).
Что положено в основу выбора режима нейтрали?
Выбор схемы сети, а следовательно, и режима нейтрали источника тока производят исходя из технологических требований и условий безопасности.
При напряжении до 1000 В широкое распространение получили обе схемы трехфазных сетей: трехпроводная с изолированной нейтралью и четырехпроводная с заземленной нейтралью.
По технологическим требованиям предпочтение часто отдается четырехпроводной сети, она использует два рабочих напряжения - линейное и фазное. Так, от четырехпроводной сети 380 В можно питать как силовую нагрузку - трехфазную, включая ее между фазными проводами на линейное напряжение 380 В, так и осветительную, включая ее между фазным и нулевым проводами, т. е. на фазное напряжение 220 В. При этом становится значительно дешевле электроустановка за счет применения меньшего числа трансформаторов, меньшего сечения проводов и т. п.
По условиям безопасности выбирают одну из двух сетей исходя из положения: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети более безопасной является сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период - сеть с заземленной нейтралью. Поэтому сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции сети и когда емкость сети относительно земли незначительна. Это могут быть мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети небольших предприятий, передвижные установки.
Сети с заземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию электроустановок (из-за высокой влажности, агрессивной среды и пр.) или нельзя быстро отыскать и устранить повреждение изоляции, когда емкостные токи сети вследствие значительной ее разветвленности достигают больших значений, опасных для жизни человека. К таким сетям относятся сети крупных промышленных предприятий, городские распределительные и пр.
Существующее мнение о более высокой степени надежности сетей с изолированной нейтралью недостаточно обоснованно.
Статистические данные указывают, что по условиям надежности работы обе сети практически одинаковы.
При напряжении выше 1000 В вплоть до 35 кВ сети по технологическим причинам имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ - заземленную.
Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов относительно земли, для человека одинаково опасно прикосновение к проводу сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Поэтому режим нейтрали сети выше 1000 В по условиям безопасности не выбирается.
Какова опасность двухфазного прикосновения?
Под двухфазным прикосновением понимается одновременное прикосновение к двум фазам электроустановки, находящейся под напряжением (рис. 1).
Рис. 1. Схема двухфазного прикосновения человека к сети переменного тока
Двухфазное прикосновение более опасно. При двухфазном прикосновении ток, проходящий через тело человека по одному из самых опасных для организма путей (рука-рука), будет зависеть от прикладываемого к телу человека напряжения, равного линейному напряжению сети, а также от сопротивления тела человека:
- U л - линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами сети;
- R чел - сопротивление тела человека.
В сети с линейным напряжением U л = 380 В при сопротивлении тела человека R чел = 1000 Ом ток, проходящий через тело человека, будет равен:
Этот ток для человека смертельно опасен. При двухфазном прикосновении ток, проходящий через тело человека, практически не зависит от режима нейтрали сети. Следовательно, двухфазное прикосновение одинаково опасно как в сети с изолированной, так и с заземленной нейтралью (при условии равенства линейных напряжений этих сетей).
Случаи прикосновения человека к двум фазам происходят сравнительно редко.
Чем характеризуется однофазное прикосновение?
Однофазным прикосновением называется прикосновение к одной фазе электроустановки, находящейся под напряжением.
Оно происходит во много раз чаще, чем двухфазное прикосновение, но менее опасно, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного. Соответственно меньше оказывается и ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на этот ток большое влияние оказывают режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов сети относительно земли, сопротивление пола (или основания), на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.
Какова опасность однофазного прикосновения в сети с заземленной нейтралью?
Рис. 2. Схема прикосновения человека к одной фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью
В сети с заземленной нейтралью (рис. 2) цепь тока, проходящего через тело человека, включает в себя сопротивления тела человека, его обуви, пола (или основания), на котором стоит человек, а также сопротивление заземления нейтрали источника тока. С учетом указанных сопротивлений ток, проходящий через тело человека, определяется из следующего выражения:
- U ф - фазное напряжение сети, В;
- R чел - сопротивление тела человека, Ом;
- R об - сопротивление обуви человека, Ом;
- R п - сопротивление пола (основания), на котором человек стоит, Ом;
- R o - сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.
При наиболее неблагоприятных условиях (человек, прикоснувшийся к фазе, имеет на ногах токопроводящую обувь - сырую или подбитую металлическими гвоздями, стоит на сырой земле или на проводящем основании - металлическом полу, на заземленной металлоконструкции), т. е. когда R об = 0 и R п = 0, уравнение принимает вид:
Поскольку сопротивление нейтрали R o обычно во много раз меньше сопротивления тела человека, то им можно пренебречь. Тогда
Однако при этих условиях и однофазное прикосновение, несмотря на меньший ток, весьма опасно. Так, в сети с фазным напряжением U ф = 220 В при R чел = 1000 Ом ток, проходя через тело человека, будет иметь значение:
Такой ток смертельно опасен для человека.
Если человек имеет на ногах непроводящую обувь (например, резиновые галоши) и стоит на изолирующем основании (например, на деревянном полу), то
- 45 000 - сопротивление обуви человека, Ом;
- 100 000 - сопротивление пола, Ом.
Ток такой силы не опасен для человека.
Из приведенных данных видно, что для безопасности работающих в электроустановках большое значение имеют изолирующие полы и непроводящая ток обувь.
Каковы особенности однофазного прикосновения в сети с изолированной нейтралью?
В сети с изолированной нейтралью (рис. 3) ток, проходящий через тело человека в землю, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.
С учетом сопротивлений обуви R об и пола или основания R п, на котором стоит человек, включенных последовательно сопротивлению тела человека R чел, ток, проходящий через тело человека, определяется уравнением:
где R из - сопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом.
Рис. 3. Схема прикосновения человека к одной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью
При наиболее неблагоприятном случае, когда человек имеет проводящую ток обувь и стоит на токопроводящем полу, т. е. при R об = 0 и R п = 0, уравнение значительно упростится:
Для этого случая в сети с фазным напряжением U ф = 220 В и сопротивлением изоляции фазы R из = 90 000 Ом при R чел = 1000 Ом ток, проходящий через человека, будет равен:
Этот ток значительно меньше тока (220 мА), вычисленного нами для случая однофазного прикосновения при аналогичных условиях, но в сети с заземленной нейтралью. Он определяется в основном сопротивлением изоляции проводов относительно земли.
Какая сеть является более безопасной - с изолированной или заземленной нейтралью?
При прочих равных условиях прикосновение человека к одной фазе сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сети с заземленной нейтралью. Однако этот вывод справедлив лишь для нормальных (безаварийных) условий работы сетей, при наличии незначительной емкости относительно земли.
В случае же аварии, когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с изолированной нейтралью может оказаться более опасной. Объясняется это тем, что при такой аварии в сети с изолированной нейтралью напряжение неповрежденной фазы относительно земли может возрасти с фазного до линейного, в то время как в сети с заземленной нейтралью повышение напряжения окажется незначительным.
Однако современные электрические сети ввиду их разветвленности и значительной протяженности создают большую емкостную проводимость между фазой и землей. В этом случае опасность прикосновения человека к одной и двум фазам практически одинакова. Каждое из этих прикосновений весьма опасно, так как ток, проходящий через тело человека, достигает очень больших значений.
Что такое напряжение шага?
Под напряжением шага понимается напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Величина шага обычно принимается равной 0,8 м.
Для некоторых животных (лошади, коровы) величина напряжения шага больше, чем для людей, и путь тока захватывает грудную клетку. По этим причинам они более подвержены поражениям шаговым напряжением.
Шаговое напряжение возникает вокруг места перехода тока от поврежденной электроустановки в землю. Наибольшая величина будет около места перехода, а наименьшая - на расстоянии более 20 м, т. е. за пределами, ограничивающими поле растекания тока в грунте.
На расстоянии 1 м от заземлителя падение напряжения составляет 68% полного напряжения, на расстоянии 10 м - 92%, на расстоянии 20 м потенциалы точек настолько малы, что практически могут быть равны нулю.
Такие точки поверхности почвы считаются находящимися вне зоны растекания тока и называются «землей».
Опасность напряжения шага увеличивается, если человек, подвергшийся его воздействию, падает. И тогда напряженйе шага возрастает, так как путь тока проходит уже не через ноги, а через все тело.
Случаи поражения людей из-за воздействия напряжения шага относительно редки. Они могут произойти, например, вблизи упавшего на землю провода (в такие моменты до отключения линии нельзя допускать людей и животных на близкое расстояние к месту падения провода). Наиболее опасны напряжения шага при ударе молнии.
Оказавшись в зоне шагового напряжения, выходить из нее следует небольшими шагами в сторону, противоположную месту предполагаемого замыкания на землю, и в частности лежащего на земле провода.
Все случаи поражения человека током в результате электрического удара -- следствие прикосновения не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми существует разность потенциалов. Опасность такого прикосновения во многом зависит от особенностей электрической сети и схемы включения в нее человека. Определив силу тока /ч, проходящего через человека с учетом этих факторов, можно выбрать соответствующие защитные меры для снижения опасности поражения.
Двухфазное включение человека в цепь тока (рис. 8.1, а). Оно происходит довольно редко, но более опасно по сравнению с однофазным, так как к телу прикладывается наибольшее в данной сети напряжение -- линейное, а сила тока, А, проходящего через человека, не зависит от схемы сети, режима ее нейтрали и других факторов, т. е.
I = Uл/Rч = v 3Uф/Rч,
где Uл и Uф --линейное и фазное напряжение, В; Rч -- сопротивление тела человека, Ом (согласно Правилам устройства электроустановок в расчетах Rч принимают равным 1000 Ом).
Случаи двухфазного прикосновения могут произойти при работе с электрооборудованием без снятия напряжения, например, при замене сгоревшего предохранителя на вводе в здание, применении диэлектрических перчаток с разрывами резины, присоединении кабеля к незащищенным зажимам сварочного трансформатора и т. п.
Однофазное включение. На ток, проходящий через человека, влияют различные факторы, что снижает опасность поражения по сравнению с двухфазным прикосновением.
Рис. 1. Схемы возможного включения человека в сеть трехфазного тока:а -- двухфазное прикосновение; б-- однофазное прикосновение в сети с заземленной нейтралью; в -- однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью
В однофазной двухпроводной сети, изолированной от земли, силу тока, А, проходящего через человека, при равенстве сопротивления изоляции проводов относительно земли r1 = r2 = r, определяют по формуле
Iч = U/(2Rч + r),
где U-- напряжение сети, В; r -- сопротивление изоляции, Ом.
В трехпроводной сети с изолированной нейтралью при r1 = r2 = r3 = rток пойдет от места контакта через тело человека, обувь, пол и несовершенную изоляцию к другим фазам (рис. 8.1, б). Тогда
Iч = Uф/(Ro + r/3),
где Rо -- общее сопротивление, Ом; RO = Rч + Rоп + Rп; Rоб -- сопротивление обуви, см: для резиновой обуви Rоб? 50 000 Ом; Rn -- сопротивление пола, Ом: для сухого деревянного пола, Rп = 60 000 Ом; г -- сопротивление изоляции проводов, Ом (согласно ПУЭ должно быть не менее 0,5 МОм на фазу участка сети напряжением до 1000 В).
В трехфазных четырехпроводных сетях ток пойдет через человека, его обувь, пол, заземление нейтрали источника и нулевой провод (рис. 8.1, в). Сила тока, А, проходящего через человека,
Iч=Uф(Rо + Rн),
где RH -- сопротивление заземления нейтрали, Ом. Пренебрегая сопротивлением RH, получим:
На предприятиях сельского хозяйства в основном применяют четырехпроводные электрические сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В. Их преимущество состоит в том, что посредством их можно получить два рабочих напряжения: линейное Uл = 380 В и фазное Uф = 220 В. К таким сетям не предъявляют высоких требований к качеству изоляции проводов и их применяют при большой разветвленности сети. Несколько реже используют трехпроводную сеть с изолированной нейтралью при напряжении до 1000В --более безопасную, если сопротивление изоляции проводов поддерживается на высоком уровне.
Напряжение прикосновения. Оно возникает в результате касания находящихся под напряжением электроустановок или металлических частей оборудования.
Если электрический ток течет через стержневой заземлитель, погруженный в землю так, что его верхний конец расположен на уровне земли, то напряжение прикосновения, В,
где I3 -- сила тока замыкания на землю, А; с -- удельное сопротивление основания (грунта, пола и т. д.), на котором находится человек, Ом*м; l и d -- длина и диаметр заземлителя, м; х -- расстояние от человека до центра заземлителя, м; а -- коэффициент напряжения прикосновения.
б = Rч/(Rч + Rоб + Rn) = Rч/Rо.
Пренебрегая сопротивлением обуви (когда она мокрая или при ее отсутствии), можно записать для следующих случаев:
ступни ног удалены одна относительно другой на расстоянии шага
б=1/(1 + 1,5с/Rч);
ступни ног находятся рядом
б=1/(1 + 2с/Rч).
Шаговое напряжение. Это напряжение Uш на теле человека при положении ног в точках поля растекания тока с заземлителя или от упавшего на землю провода, где находятся ступни, когда человек идет в направлении заземлителя (провода) или от него (рис. 8.2).
Если одна нога находится на расстоянии х от центра заземлителя, то другая -- на расстоянии х + а, где а -- длина шага. Обычно в расчетах принимают а = 0,8 м.
Максимальное напряжение в этом случае возникает в точке замыкания тока на землю, а по мере удаления от нее оно снижается по закону гиперболы. Считают, что на расстоянии 20 м от места замыкания потенциал земли равен нулю.
Шаговое напряжение, В,
Рис. 2.
Даже при небольшом шаговом напряжении (50...80 В) может возникнуть непроизвольное судорожное сокращение мышц ног и, как следствие этого -- падение человека на землю. При этом он одновременно касается земли руками и ногами, расстояние между которыми больше, чем длина шага, поэтому действующее напряжение увеличивается. Кроме того, в таком положении человека образуется новый путь прохождения тока, затрагивающий жизненно важные органы. При этом создается реальная угроза смертельного поражения. При уменьшении длины шага шаговое напряжение снижается. Поэтому, для того чтобы выбраться из зоны действия шагового напряжения, следует передвигаться прыжками на одной ноге или на двух сомкнутых ногах или как можно более короткими шагами (в последнем случае допустимым считают напряжение не более 40 В).
Многие из нас еще с детства помнят о том, что оголенный оборванный провод, упавший на землю, - это очень опасно. Помнятся различные страсти-мордасти про мокрую погоду и про несчастных жертв, даже не имевших «счастья» прикоснуться к металлу, находящемуся под напряжением и ставшему причиной их травмы. Всего-то их и угораздило пройти в опасной близости от поврежденной линии - и этого оказалось более чем достаточно.
Но что же это за явление, благодаря которому провод, «невинно» полеживающий в стороне становится смертельной угрозой? Всем известно, что электротравму человеку может нанести только проходящий через его тело электрический ток. А электрическому току нужен свободный путь. Необходимо, как минимум, две точки приложения на теле того, кому не повезло: одна из них - фаза, откуда ток может прийти, а вторая - ноль, куда он может свободно уйти.
Но позвольте, какая «фаза»? Ну, «ноль» - еще понятно, но откуда «фаза», если человек спокойно шагает себе по земле и никаких проводов даже не трогает? Ничего ведь такого, кажется, и нет - просто влажная земля. Тропинка, например. Ну да, фазный оборванный провод лежит неподалеку в кустах. Но он же непосредственно на землю и замкнулся - цепь не включает в себя прогуливающегося пешехода и ток через него идти не должен. Но это только так кажется.
Бояться было бы нечего, если бы земля была отличным проводником с сопротивлением, близким к сопротивлению металла. Тогда обрыв провода и падение его на землю завершались бы банальным коротким замыканием.
Срабатывала бы максимально-токовая защита, или сгорал бы оборванный провод, но в любом случае долго бы это не продолжалось. А на самом же деле удельное электрическое сопротивление грунта составляет минимум 60 Ом*м, а чаще всего и больше, даже если погода влажная и идет дождь. Поэтому при обрыве повода и замыкании его на землю для электрического тока просто возникает новая цепь: фазный провод - земля - заземленная нейтраль трансформатора.
Из-за не очень-то высокой проводимости земли току приходится изрядно потрудиться, чтобы пройти по этой цепи, но вариантов у него нет. Ток «с удовольствием воспользовался бы» какой-нибудь еще другой, «параллельной дорогой», которая позволила бы ему сократить путь. И такой дорогой может стать тело пешехода.
Говоря по-научному, на единственном существенном сопротивлении цепи провод-земля-нейтраль - влажном грунте - происходит падение напряжения (изменение электрического потенциала) от 220 вольт возле упавшего провода до нуля у нейтрали трансформатора.
Падение это происходит нелинейно, но суть сводится к тому, что чем ближе к проводу - тем стремительнее возрастает потенциал земли. Значит, чем ближе к месту обрыва - тем большая разность потенциалов между двумя точками поверхности, расположенными на определенном расстоянии. А несчастный прохожий может стоять одной ногой на первой из этих точек и другой ногой - на второй из них. При этом он, конечно, воспримет на себя возникшую разность потенциалов, а это может оказаться практически все фазное напряжение, если провод близко.
Разумеется, там, где появилось напряжение, - там и ток не заставит себя ждать. Вот и все. Не успев осознать тяжесть своего положения, прохожий получает удар током, возможно смертельный.
Напряжение, возникающее в таких случаях между ступнями человека, называется«шаговым напряжением» или «напряжением шага», и для борьбы с ним есть некоторые меры.
Самая надежная из этих мер - выравнивание потенциалов. При этом участок поверхности грунта, где возможна авария с фазным замыканием на землю, оснащается сеткой из заземленных проводников, заложенных прямо под поверхностью.
Работает это очень просто: потенциал проводника во всех точках всегда одинаков, поэтому находясь на такой сетке попасть под напряжение просто невозможно. Выравнивание потенциалов производят на территории открытых распределительных устройств (ОРУ) и в других потенциально опасных местах.
Но, к сожалению, оснастить каждую опору ЛЭП сеткой выравнивания потенциалов невозможно. Поэтому каждому человеку, даже не являющемуся электриком, необходимо проявлять бдительность: обращайте внимание на состояние линий электропередач вокруг вас, особенно в дождливую погоду. Обращайте внимание на свои ощущения: если вас «пощипывает», а то и «потряхивает» при ходьбе - это достаточно верный признак воздействия шагового напряжения.
Поняв, что вы находитесь в зоне возможного воздействия шагового напряжения, нужно постараться из нее выйти. Но делать это надо гусиным шагом - приставляя пятку ноги, которой шагаете, к носку ноги, на которой стоите. Таким образом, при ходьбе обе ноги будут находиться практически в одной точке с одним электрическим потенциалом - напряжение между ними не возникнет.
Включение человека в электрическую сеть может быть однофазным и двухфазным. Однофазное включение представляет собой подключение человека между одной из фаз сети и землей. Сила поражающего тока в этом случае зависит от режима нейтрали сети, сопротивлений человека, обуви, пола, изоляции фаз относительно земли. Однофазное включение возникает значительно чаще и часто служит причиной электрических травм в сетях любого напряжения. При двухфазном включении человек прикасается к двум фазам электрической сети. При двухфазном включении сила тока, протекающего через тело (поражающий ток), зависит лишь от напряжения сети и сопротивления тела человека и не зависит от режима нейтрали питающего трансформатора сети. Электрические сети делят на однофазные и трехфазные. Однофазная сеть может быть изолирована от земли или иметь заземленный провод. На рис. 1 изображены возможные варианты подключения человека к однофазным сетям.
Таким образом, если человек прикоснется к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, то он окажется практически под фазным напряжением (R3≤ RЧ) и сила тока, проходящего через человека при нормальной работе сети, практически не изменится с изменением сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.
Воздействие электрического тока на организм человека
Проходя через организм, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие.
Термическое действие проявляется в ожогах кожного покрова или внутренних органов.
При электролитической действия вследствие прохождения тока происходит разложение (электролиз) крови и другой органической жидкости, сопровождающееся разрушением эритроцитов и нарушением обмена веществ.
Биологическое действие выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что сопровождается самопроизвольным судорожным сокращением мышц, в том числе сердца и легких.
Различают два основных вида поражения электрическим током:
§ электрические травмы,
§ электрические удары.
Электрические удары могут быть условно разделены на четыре степени:
1. судорожные сокращения мышц без потери сознания;
2. с потерей сознания, но с сохранением дыхания и работы сердца;
3. потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);
4. клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.
Клиническая смерть - это переходный период между жизнью и смертью, начинается с момента остановки деятельности сердца и легких. Человек, находящийся в состоянии клинической смерти, не проявляет никаких признаков жизни: у нее отсутствуют дыхание, сердцебиение, реакции на болевые ощущения; зрачки глаз расширены и не реагируют на свет. Однако следует помнить, что в этом случае организм еще можно оживить, если правильно и своевременно подать ему помощь. Продолжительность клинической смерти может составлять 5-8 мин. Если помощь не будет подана своевременно, то наступает биологическая (истинная) смерть.
Результат поражения человека электрическим током зависит от многих факторов. Важнейшими из них являются величина и продолжительность действия тока, род и частота тока и индивидуальные свойства организм
Определение сопротивления растекания тока одиночных заземлителей и порядок расчета защитного контура заземления для стационарного технологического оборудования (ГОСТ 12.1.030-81. CCБТ. Защитное заземление, зануление)
Выполнение заземляющих устройств. Различают заземлители искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – сторонние проводящие части, находящиеся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемые для целей заземления.
Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.
В качестве естественных заземлителей могут использоваться: проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов); обсадные трубы артезианских колодцев, скважин, шурфов и т. п.; металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле; металлические шпунты гидротехнических сооружений и т. п.
Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжения прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземленный корпус не превышают допустимых значений.
Для расчета заземления необходимы следующие сведения:
1) характеристика электроустановки - тип установки, виды основного оборудования, рабочие напряжения, способы заземления нейтралей трансформаторов и генераторов и т. п.;
2) план электроустановки с указанием основных размеров и размещения оборудования;
3) формы и размеры электродов, из которых предусмотрено соорудить проектируемый групповой заземлитель, а также предполагаемая глубина погружения их в землю;
4) данные измерений удельного сопротивления грунта на участке, где должен быть сооружен заземлитель, и сведения о погодных (климатических) условиях, при которых производились эти измерения, а также характеристика климатической зоны. Если земля принимается двухслойной, то необходимо иметь данные измерений удельного сопротивления обоих слоев земли и толщина верхнего слоя;
5) данные о естественных заземлителях: какие сооружения могут быть использованы для этой цели и сопротивления их растеканию тока, полученные непосредственным измерением. Если по каким-либо причинам измерить сопротивление естественного заземлителя невозможно, то должны быть представлены сведения, позволяющие определить это сопротивление расчетным путем;
6) расчетный ток замыкания на землю. Если ток неизвестен, то его вычисляют обычными способами;
7) расчетные значения допустимых напряжений прикосновения (и шага) и время действия защиты, в случае если расчет производится по напряжениям прикосновения (и шага).
Расчет заземления производится обычно для случаев размещения заземлителя в однородной земле. В последние годы разработаны и начали применяться инженерные способы расчета заземлителей в многослойном грунте.
При расчете заземлителей в однородной земле учитывается, сопротивление верхнего слоя земли (слоя сезонных изменений), обусловленное промерзанием или высыханием грунта. Расчет производят способом, основанным на применении коэффициентов использования проводимости заземлителя и называемым поэтому способом коэффициентов использования. Его выполняют как при простых, так и при сложных конструкциях групповых заземлителей.
При расчете заземлителей в многослойной земле обычно принимают двухслойную модель земли с удельными сопротивлениями верхнего и нижнего слоев r1, и r2 соответственно и толщиной (мощностью) верхнего слоя h1. Расчет производится способом, основанным на учете потенциалов, наведенных на электроды, входящие в состав группового заземлителя, и называемым поэтому способом наведенных потенциалов. Расчет заземлителей в многослойной земле более трудоемкий. Вместе с тем он дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей, которые обычно имеют место в электроустановках с эффективно заземленной нейтралью, т. е. в установках напряжением 110 кВ и выше.
При расчете заземляющего устройства любым способом необходимо определить для него требуемое сопротивление.
Определение требуемого сопротивления заземляющего устройства производят в соответствии с ПУЭ.
Для установок напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей в системе типа IT должно соответствовать условию:
где Rз - сопротивление заземляющего устройства, ом; Uпр.доп – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 в; Iз – полный ток замыкания на землю, А.
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность трансформаторов и генераторов, питающих сеть, не превышает 100 кВА, в том числе суммарная мощность трансформаторов и (или) генераторов, работающих параллельно.
Для установок напряжением выше 1 кВ выше 1 кВ сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать:
0,5 Ом при эффективно заземленной нейтрали (т. е. при больших токах замыкания на землю);
250/Iз, но не более 10 Ом при изолированной нейтрали (т. е. при малых токах замыкания на землю) и условии, что заземлитель используется только для электроустановок напряжением выше 1000 В.
В этих выражениях Iз - расчетный ток замыкания на землю.
В процессе эксплуатации может произойти повышение сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного значения, поэтому необходимо периодически контролировать значение сопротивления заземлителя.
Контур заземления
Контур заземления классически представляет собой группу соединенных горизонтальным проводником вертикальных электродов небольшой глубины, смонтированных около объекта на относительно небольшом взаимном расстоянии друг от друга.
В качестве заземляющих электродов в таком заземляющем устройстве традиционно использовали стальной уголок либо арматура длинами 3 метра, которые забивали в грунт с помощью кувалды.
В качестве соединительного проводника использовали стальную полосу 4х40 мм, которая укладывалась в заранее подготовленную канаву глубиной 0,5 - 0,7 метра. Проводник присоединялся к смонтированным заземлителям электро- или газосваркой.
Контур заземления для экономии места обычно «сворачивают» вокруг здания вдоль стен (по периметру). Если взглянуть на этот заземлитель сверху, можно сказать, что электроды смонтированы по контуру здания (отсюда и название).
Таким образом контур заземления - это заземлитель, состоящий из нескольких электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг здания по его контуру.