книги / Методы и средства защиты человека от опасных и вредных производственных факторов

7.2. УСЛОВИЯ ПОПАДАНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПОД ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Поражение человека электрическим током может быть при одновременном касании двух точек электрической части электроустановки, между которыми существует напряжение, и при этом образуется замкнутая электрическая цепь, через его тело проходит ток. Величина этого тока зависит от схемы прикосновения, т. е. каких частей электроустановки касается человек, а также от параметров электрической сети, режима нейтрали источника питания.

Степень опасности поражения электрическим током при эксплуатации электрических сетей и электроустановок зависит от величины тока, проходящего через человека в различных условиях, а также сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли, рода и частоты тока, пути и длительности воздействия тока, условий эксплуатации и др.

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различными. Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя фазами – двухфазное прикосновение и между одной фазой и землей – однофазное прикосновение.

7.2.1. ДВУХФАЗНОЕ ПРИКОСНОВЕНИЕ К ТОКОВЕДУЩИМ ЧАСТЯМ

Двухфазное прикосновение более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное (рис. 7.10), а ток, проходящий через человека, оказываясь независимым от схемы сети, режима нейтрали и других факторов, имеет наибольшее значение:

где Uл– линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами сети,

В,U л = 3U ф .

Uф – фазное напряжение, В;

Рис. 7.10. Двухфазное прикосновение к трехфазной сети с изолированной нейтралью

81

Rч – сопротивление цепи человека, Ом; Rч = Rh + 2Rод, Rh – сопротивление тела человека, Ом (принимается при расчетах равным 1000 Ом);

Rод – сопротивление одежды, Ом.

Случаи двухфазного прикосновения происходят очень редко (обычно в установках до 1 кВ) и не могут служить основанием для оценки сетей по условиям безопасности. Они являются результатом работы под напряжением, применения неисправных защитных средств, а также эксплуатации оборудования с неогражденными неизолированными токоведущими частями (открытые рубильники, незащищенные зажимы сварочных трансформаторов и т. п.).

7.2.2. ОДНОФАЗНОЕ ПРИКОСНОВЕНИЕ К ТОКОВЕДУЩИМ ЧАСТЯМ

Однофазное прикосновение является, как правило, менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток, проходящий через человека, ограничивается влиянием многих факторов. Однако однофазное прикосновение возникает значительно чаще и является основной причиной поражения людей током в сетях любого напряжения.

Степень поражения человека током при однофазном прикосновении в значительной мере будет зависеть от режима нейтрали, т. е. от того, изолирована или заземлена нейтраль источника питания (трансформатора или генератора).

Рассмотрим случаи однофазного прикосновения применительно к сетям трехфазного тока напряжением до 1 кВ: четырехпроводной с глухозаземленной нейтралью и трехпроводной с изолированной нейтралью.

Однофазное прикосновение человека в четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема однофазного прикосновения человека к четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью

При прикосновении человека, например, к фазе L3 через него будет протекать ток

82

Rч = Rh + Rоб + 0,5 (Rоп + Rоб),

где Rч, R0 – соответственно сопротивления цепи человека и заземления нейтрали трансформатора;

R0 = 2 Ом при U = 660/380 В, 4 Ом при U = 380/220 В, 8 Ом при U = 220/127 В (согласно требованиям правил устройства электроустановок);

Rоп – сопротивления опорной поверхности одной ноги; Rоб – сопротивление обуви (одной подошвы).

Поскольку Rч >> R0, то значением R0 можно пренебречь, и выражение (7.2) может быть представлено в виде

I ч = U ф . Rч

Следовательно, при однофазном прикосновении в сети с заземленной нейтралью в период ее нормальной работы человек попадает под фазное напряжение и через него протекает ток, определяемый только сопротивлением цепи человека. Этот ток безусловно опасен, так как в трехфазных сетях с линейным напряжением 220, 380 и 660 В его значения превышают величины фибрилляционных токов.

Однофазное прикосновение человека в трехпроводной сети с изолированной нейтралью (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Схема однофазного прикосновения человека к трехпроводной сети с изолированной нейтралью

При прикосновении человека к одной из фаз сети в период ее нормальной работы, например к фазному проводнику L3, через него по цепи фаза L3 – сопротивление человека – земля – активное и емкостное сопротивление изоляции фаз L2 и L1 относительно земли – фазные проводники L2 и L1 будет протекать ток, который определяется следующим выражением в комплексной форме:

83

где Z – комплекс полного сопротивления одной фазы относительно земли, Ом,

где r – активные сопротивления изоляции провода соответствующей фазы относи-

тельно земли, Ом, r = r1 = r2 = r3;

с– емкостьпроводасоответствующейфазыотносительноземли, Ф, c = c1 = c2 = c3; ω – угловая частота, рад/с, ω = 2πf ;

f – частота, Гц.

Из выражения (7.3) видно, что ток, протекающий через человека, зависит от Rч так, как и от Z. При этом возможны следующие случаи:

1. Если сеть короткая, то емкости фаз относительно земли малы: c1 = c2 = c3 ≈ 0, активные сопротивления изоляции фаз относительно земли равны: r1 = r2 = r3 = r. При этом протекающий через человека ток

Активное сопротивление изоляции фаз относительно земли превышает на 2 порядка и более сопротивление тела человека (согласно «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей» r участка силовой или осветительной сети должно быть не менее 500 кОм на фазу), т. е. Rч много меньше r и в выражении (7.5) Rч можно пренебречь.

Тогда

В этом случае ток, протекающий через человека, определяется только активным сопротивлением изоляции r и равен однофазному току замыкания на землю Iз.

При Uф = 220 В, r = 500 кОм

Iч = 500000220 3 = 0,00132 А =1,32 мА.

Это с точки зрения электробезопасности наиболее благоприятный случай,

ивероятность поражения человека током наименьшая.

2.Если сеть значительной протяженности, то она имеет большую емкость относительно земли, и, следовательно, малое емкостное сопротивление, которое

84

шунтирует активное сопротивление изоляции. Тогда можно принять: c1 = c2 = c3 = с; r1 = r2 = r3 = r = ∞ и из выражения (7.4) видно, что полное сопротивление фазы относительно земли будет равно емкостному сопротивлению:

Z= X c = ω1с ,

асила тока, проходящего через тело человека,

Величина тока, протекающего через человека, будет зависеть в основном от емкостного сопротивления фаз относительно земли. Например, человек прикоснулся к фазе кабельной линии с линейным напряжением 380 В, имеющей длину 1 км, сечение жилы кабеля 25 мм2, емкость фазы относительно земли с = 0,2 мкФ. По выражению (7.7)

Ток, равный 45 мА, является неотпускающим током и, безусловно, опасен для жизни.

Анализ выражений (7.3)–(7.7) показывает, что в сети с изолированной нейтралью в период нормальной работы сети опасность поражения током зависит от сопротивления проводов относительно земли. Наименьшей является опасность при коротких линиях, имеющих большое емкостное сопротивление (малую емкость фаз относительно земли); наибольшая опасность возникает при прикосновении к фазному проводу линии большой протяженности, имеющей малое значение Xс (обычно кабельные линии).

В сети с изолированной нейтралью при нормальной работе прикосновение человека к фазному проводу всегда менее опасно, чем в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью. В первом случае ток, протекающий через человека, определяется сопротивлением цепи человека Rч и сопротивлением сети Z, которое на один-два порядка больше, чем Rч, и значительное ограничение величины Iч достигается за счет большого значения сопротивления Z (7.4). Во втором случае человек попадает под фазное напряжение и ток, проходящий через него, зависит только от Rч.

85

На практике, как правило, для неэлектротехнического персонала, однофазное прикосновение происходит при касании человеком корпуса электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз и замыкании фазы на корпус. Поэтому ниже рассматривается только этот случай.

7.2.3. ПРИКОСНОВЕНИЕ К ОТКРЫТЫМ ПРОВОДЯЩИМ ЧАСТЯМ, ОКАЗАВШИМСЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

Металлические открытые проводящие части электроустановки (например, корпуса машин и аппаратов, оболочки кабелей, металлические трубы электропроводок и др.) обычно не находятся под напряжением. Они могут оказаться под напряжением лишь в результате повреждения изоляции (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Прикосновение к открытым проводящим частям

В этом случае при наличии заземления корпуса происходит глухое замыкание на землю и прикосновение к заземленному корпусу, имеющему контакт с одной из фаз, вызывает появление параллельной ветви, по которой проходит некоторая часть тока замыкания на землю через тело человека, т. е. ток, проходящий через тело человека, зависит от тока замыкания на землю:

Если человек касается незаземленного корпуса, оказавшегося под напряжением, то через человека проходит весь ток замыкания на землю Iч = Iз. Таким образом, этот случай равноценен однофазному прикосновению к токоведущим частям.

7.2.4. НАПРЯЖЕНИЕ ПРИКОСНОВЕНИЯ

Во всех случаях контакта человека с частями, в нормальном режиме или случайно находящимися под напряжением, это напряжение прикладывается ко всей электрической цепи человека, куда входят сопротивление тела человека, обуви, по-

ла или грунта, на котором он стоит. Напряжение между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека или животного называется напряжением прикосновения:

86

Напряжение прикосновения определяется как падение напряжения в сопротивлении тела человека.

В случае двухфазного прикосновения к токоведущим частям напряжение прикосновения равно рабочему напряжению электроустановки, а в трехфазной сети – линейному напряжению. При однофазном прикосновении к токоведущим частям напряжение прикосновения определяется фазным напряжением относительно земли и параметрами сети. При прикосновении к заземленным проводящим частям электроустановки напряжение прикосновения зависит от напряжения корпуса относительно земли.

7.2.5. НАПРЯЖЕНИЕ ШАГА

Если человек находится вблизи заземлителя или вблизи места контакта оборванного провода с землей, с которого стекает ток в землю, то часть тока может ответвляться и проходить через ноги человека по нижней петле.

Напряжение шага – напряжение между двумя точками на поверхности земли в зоне растекания тока замыкания, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека.

Величина тока, проходящего через человека, как и в случае прикосновения к заземленным частям, зависит от величины тока замыкания на землю:

Во всех случаях, кроме двухфазного прикосновения, в цепи тока через человека участвует грунт, поскольку одна из точек касания (или обе) находится на поверхности грунта, и, следовательно, ток, проходящий через человека, зависит от величины тока замыкания на землю.

Чтобы выявить эту зависимость и определить ток, проходящий через человека,

надо провести анализ явлений при прохождении тока в грунте в месте замыкания на землю.

Замыкание на землю – это случайный электрический контакт между токоведущими частями, находящимися под напряжением, и землей.

Токоведущая часть – проводящая часть электроустановки, находящаяся в процессе ее работы под рабочим напряжением, в том числе нулевой рабочий проводник (но не PEN-проводник).

Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом или конструктивными частями оборудования, при падении на землю оборванного провода, при повреждении электрической изоляции оборудования и т. п. Во всех этих случаях ток от источника питания (от токоведущих частей) проходит в землю через электрод, который осуществляет контакт с грунтом.

Проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, называется заземлителем.

87

Потенциал произвольно выбранной точки А φA, т. е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, UA найдется из выражения

Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника – земли, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземления.

Точки, лежащие на поверхности земли, имеют тем меньше потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю.

Часть земли, находящейся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю, называется зоной нулево-

го потенциала или относительной землей. Плотность тока в относительной земле также может быть принята равной нулю.

Зона земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала называется зо-

ной растекания или локальной землей.

Принято считать, что относительная земля в зависимости от свойств грунта начинается с расстояния 10–20 м от заземлителя, так как на этом расстоянии и далее потенциал грунта не превышает нескольких процентов от потенциала заземлителя.

Таким образом, при полушаровом заземлителе потенциал точек на поверхности земли изменяется по гиперболе. Если пренебречь точками, расположенными в непосредственной близости от заземлителя, полученная зависимость может быть с некоторым приближением использована для изучения поля растекания и при других заземлителях (стержень, уголок или труба).

Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель. На поверхности заземлителя, где расстояние от центра равно rз, потенциал φз или напряжение заземлителя Uз относительно земли определяются по формуле

89

где Rз – сопротивление растеканию тока.

Так как материал заземлителя (металл) имеет удельное электрическое сопротивление значительно меньше, чем грунт, падение напряжения на нем несоизмеримо мало и поверхность заземлителя является эквипотенциальной. Поэтому, если какая-либо точка электрической цепи оказывается в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток Iз, потенциал заземлителя φз сообщается и данной точке, если пренебречь сопротивлением соединительных проводов. Это обстоятельство, благодаря которому в результате контакта с заземлителем любая точка электрической цепи снизит свой потенциал (напряжение относительно земли) до величины Iз · Rз, используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.

Сопротивление заземлителя растеканию тока (сопротивление растеканию) можно определить как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до любой точки с нулевым потенциалом (земли). Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном и изотропном грунте, сопротивление растеканию можно определить из рис. 7.14:

Исходя из полученных простых выражений следует, что потенциал заземлителя и сопротивление заземлителя будут тем меньше, чем меньше сопротивление грунта (земли) и чем больше радиус заземлителя. Распространяя последний вывод на заземлители другой конфигурации, можно сказать, что чем больше площадь сопротивления заземлителя с грунтом (землей) или чем объемней конструкция многоэлементного заземлителя, тем меньше сопротивление заземлителя.

Соединяя отдельные заземлители вместе, что соответствует параллельному соединению их сопротивлений, можно получить заданное нормативное значение, т. е.

где R1, R2, …, Rn – сопротивления отдельных заземлителей

За пределами поля растекания грунт представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления току. Поэтому сопротивление растеканию не зависит от расстояния между заземлителями, если они включены в цепь последовательно.

Выражение (7.19) справедливо только для полусферического заземлителя. Сопротивление растеканию для заземлителей других форм определяется по формулам, приведенным ниже в табл. 7.1.

90