Опасность поражения электрическим током

3. Анализ опасности прикосновения к токоведущим частям эу

Основные причины поражения электрическим током можно свести к следующим:

  1. случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящихся под напряжением;

  2. появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки;

  3. появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования (корпусах, кожухах и т.п. в результате повреждения изоляции или других причин);

  4. появление шагового напряжения в результате замыкания провода на землю.

4. Виды электрических сетей. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) разрешается эксплуатировать два вида трехфазных электрических сетей (рисунок 1.1):

а) трехпроводные с изолированной нейтралью;

б) четырехпроводные с глухозаземленной нейтралью.

Трехпроводные сети с заземленной нейтралью и четырехпроводные с изолированной запрещены, как не обеспечивающие безопасности в аварийных режимах: первые — при замыкании фазы на корпус оборудования, у вторых нулевой провод при замыкании фазы на землю оказывается под напряжением фазы.

Схемы прикосновения человека к сети. Возможны два варианта прикосновения человека к сети: между двумя фазами — двухфазное и между фазой и нулевой точкой — однофазное (рисунок 1.2). По сути речь идет о включении человека в электрическую цепь, так как само по себе прикосновение становится опасным, если человек становится как бы элементом электрической цепи, обладающим определенным сопротивлением и пропускающим через себя ток определенной величины.

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к человеку непосредственно прикладывается наибольшее напряжение сети — линейное, а ток зависит только от сопротивления организма и имеет наибольше значение Ih, А.

(1.1)

б

а

где Uф- фазное, Uл — линейное напряжение сети, Rh — сопротивление организма человека. В расчетах принимают Rh = 1 кОм.

Рисунок 1.2 — Схемы прикосновения человека к сети: а — однофазное, б — двухфазное

Однофазное включение является менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток через человека ограничивается сопротивлением обуви и пола, а также сопротивлением изоляции фазных проводов, однако вероятность однофазных прикосновений на порядок выше. Поэтому однофазное включение является основной схемой, вызывающей поражение людей током в сетях любого напряжения.

Напряжение прикосновения. Напряжением прикосновения Uпр В называется разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или, другими словами, падение напряжения на сопротивлении тела человека Rh. Если пренебречь сопротивлением обуви и основания, на котором стоит человек, то Uпр = IhRh , где Ih — ток, проходящий через человека.

В устройствах защитных заземлений, занулений и т.п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя З, а другая — потенциал основания ос . Тогда

Uпр = 3 — ос = 3 (1 — ) илиUпр = 3  ,

где  — коэффициент напряжения прикосновения.

 = 1 —.

В зависимости от расстояния человека до заземлителя коэффициент напряжения прикосновения может принимать значения 0,1  1, однако в реальных условиях он близок к единице, поэтому в расчетах для одиночных заземлителей принимается  = 1.

Из рисунка 1.3 видно, что из двух случаев расположения заземлителей случай I оказывается более опасным, так как напряжение прикосновения получается более высоким (Uпр1 > Uпр2). Наиболее опасным будет прикосновение, когда человек находится на расстоянии  20 м от заземлителя.

Рисунок 1.3

Напряжение шага. Напряжением шага называется напряжение между двумя точками на поверхности грунта, находящимися одна от другой на расстоянии шага, которое принимается равным 0,8 м (рисунок 1.4),

Рисунок 1.4

Uш = IшRch ,

где Iш — ток, , проходящий по пути “нога-нога”, Rch — сопротивление цепи “человек-земля”. Если выразить напряжение шага через разность потенциалов, имеем:

Коэффициент  называется коэффициентом напряжения шага (коэффициентом шага) и учитывает форму потенциальной кривой. Значения  лежат в диапазоне 0,15  0,6.

Напряжение шага зависит, таким образом, от величины потенциала в точке заземления, формы заземлителя и сопротивления грунта. Однако на практике часто говорят о шаговом напряжении между условными точками поверхности, которых касаются ноги человека (а иногда, в случае его падения руки и ноги), расстояние между ними не обязательно 0,8 м. Вот почему, оказавшись в зоне растекания тока, выходить из нее следует, осторожно передвигаясь как можно более мелкими шажками или прыжками «ноги вместе».

Коэффициент напряжения шага играет большую роль в понимании механизма действия защитного заземления.

Напряжение прикосновения и шага

Стекание тока в землю происходит при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением, т.е. когда проводник нахо-дится в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае такой проводник называется заземлителем или элек-тродом. Любое случайное или преднамеренное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с землёй носит название замыкания на землю.

При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения φз (В), равного произведению тока, стекающего в землю Iз (А) на сопротивление, которое этот ток встречает на своём пути Rз (Ом):

φз = Iз∙Rз .

Характер распределения потенциала на поверхности земли, т.е. изменение величины потенциала при изменениях расстояния до заземлителя, можно оценить, рассмотрев случай стекания тока Iз (А) в землю через наиболее простой заземлитель – полушар радиусом r (м) (рис. 7.4).

Рис. 7.4 Распределение потенциала на поверхности земли

вокруг полушарового заземлителя

Для упрощения принимают, что земля во всём своём объёме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ρ (Ом ∙ м). В данном случае ток по земле будет растекаться во все стороны по радиусам полушара и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя. На некотором расстоянии х от центра полушара плотность тока (А/м2) будет

q = Iз / 2π х2.

Наибольшее сопротивление току оказывают слои земли, расположенные вблизи заземли-теля, т.к. ток здесь проходит по малому сечению. Очевидно, что максимальное сопротивле-ние току будет оказано на заземлителе и здесь будет наибольшее падение напряжения. Более удалённые участки грунта имеют большее поперечное сечение и оказывают меньшее сопро-тивление току. Если точка А находится на значительном удалении от электрода, т.е. х→∞, то потенциал её равен нулю. По мере приближения точки А к центру электрода растёт потенциал и на поверхности электрода, где расстояние от центра равно хз = r заземлителя:

φз =Uз=Iз ρ/ 2π хз .

Около 68% полного напряжения расходуется на участке от центра заземлителя до х=1м. В объёме земли, где проходит ток, возникает так называемое «поле растекания тока». Тео-ретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, и поле растекания можно считать распространяющимся лишь на расстояние 20 м от заземлителя (см. рис. 7.4). Таким образом, минимальный потенциал, т.е. U = 0 имеет точка х = ∞. На практике х = 20м.

В идеале потенциал земли вокруг шарового заземлителя изменяется по закону гиперболы В действительности при неоднородном грунте распределение будет происходить по каким-то другим кривым. На практике распределение потенциалов определяют с помощью вольт-метра, заземлителя и щупа и получают действительную кривую (см. рис. 7.4).

Напряжение прикосновения.Во всех случаях контакта человека с частями нормально или случайно находящимся под напряжением, это напряжение прикладывается ко всей цепи че-ловека, куда входят сопротивление человека (Rч), пола или грунта и т.д.

Та часть напряжения, которая приходится в этой цепи непосредственно на тело человека называется напряжением прикосновения или – есть падение напряжения в сопротивлении те-ла человека Rч (Ом):

Uпр = Iч Rч,

где Iч – ток, проходящий через человека по пути рука-ноги, А.

Численно напряжение прикосновения (рис. 7.5 а) равно разности потенциалов корпуса φк и точек почвы, в которых находятся ноги человека φн , т.е. в случае пробоя на корпус в любом двигателе получаем кривую растекания потенциалов I. В случае прикосновения человека к любому из двигателей он окажется под напряжением прикосновения равным разности потенциалов :

на первом двигателе Uпр1 = (φк — φн) = Uз – Uн 1 ;

на втором двигателе Uпр2 = (φк — φн) = Uз – Uн 2 ;

на третьем двигателе Uпр3 = (φк — φн) = Uз – (Uн3 = 0) = Uз = Iч ∙ Rч — наиболее опасный

случай прикосновения.

Таким образом, получаем график напряжения прикосновения II, который симметричен графику растекания потенциалов, но повёрнут на 1800. Ток, протекающий через человека при прикосновении, Iч = Uпр / Rч . Главная задача заземления свести к минимуму разность Uз –Uн.

Предельно допустимая величина Uпр. правилами не нормируется, но в практике обычно для расчётов она принимается равной 36 В.

Напряжение шага.Напряжение между ступня-

ми человека на поверхности земли с разными по-

тенциалами, обусловленное током замыкания на

землю называется шаговым напряжением или на-

пряжением шага (рис. 7.5 б).

Величину шага принимают равной 0,8 м. Макси-

мальное значение Uш в непосредственной близос

ти от заземлителя, если одна нога на заземлителе,

а другая на расстоянии шага от него. Минималь-

ное значение Uш за пределами поля растекания, т.

е. х=20 м.

Напряжённость шага также увеличивается с уве-

личением ширины шага. Ток, обусловленный на-

пряжением шага, Iч = Uш / Rч . Напряжение шага

не должно превышать 40 В.

Следует отметить, что условия поражения челове

ка напряжением прикосновения и напряжением

шага различны, т.к. ток протекает по разным пу-

тям: через грудную клетку – от напряжения при-

косновения и по нижней петле – от напряжения

шага.Значительные напряжения шага вызывают

Рис. 7.5 Напряжение прикосновения (а) судорогу в ногах, человек падает, после чего цепь

и напряжение шага (б) замыкается вдоль всего тела человека.

Классификация помещений по опасности поражения током

Окружающая среда и окружающая обстановка усиливают или ослабляют опасность пора-жения током. Исходя из этого «Правилами устройства электроустановок» все помещения делятся по степени опасности поражения людей электрическим током на следующие три класса :

П о ме щ е н и я б е з п о в ы ш е н н о й о п а с н о с т и – сухие, беспыльные помещения с нормальной температурой воздуха и с изолирующими полами.

К таким помещениям относятся обычные конторские помещения, инструментальные, лаборатории, а также некоторые производственные помещения, в том числе цехи приборных заводов, размещённые в сухих, беспыльных помещениях с изолирующими полами и нормальной температурой.

П о м е щ е н и я с п о в ы ш е н н о й о п а с н о с т ь ю характеризуются наличием одного из следующих условий, создающих повышенную опасность :

сырости, когда относительная влажность воздуха длительно превышает 75 % ; такие помещения называют сырыми;

высокой температуры, когда температура воздуха длительно превышает + 300 С ; такие помещения называют жаркими ;

токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токо-проводящая технологическая пыль (угольная, металлическая и т.д.), в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т.п.; такие помещения назы-ваются пыльными с токопровоящей пылью;

токопроводящих полов – металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и т.п. ;

возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землёй металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам, корпусам электро-оборудования и т.п.

Примером таких помещений являются лестничные клетки зданий с проводящими пола-ми, складские неотапливаемые помещения (даже если они размещены в зданиях с изолирую-щими полами и деревянными стеллажами) и т.п.

П о м е щ е н и я о с о б о о п а с н ы е характеризуются наличием одного из следующих трёх условий, создающих особую опасность :

Особой сырости, когда относительная влажность близка к 100 % (стены, пол и предме-ты помещения покрыты влагой); такие помещения называются особо сырыми;

Химически активной среды, когда по условиям производства в помещениях содержатся пары и образуются отложения, действующие разрушающе на изоляцию и токоведущие части электрооборудования; эти помещения называют помещениями с химически активной средой;

Одновременного наличия двух и более условий, свойственных помещениям повышенной опасности.

К особо опасным помещениям относится большая часть производственных помещений различных отраслей, работы с электричеством в металлических ёмкостях, кранах, экскаваторах, в мастерских, гальванических цехах, на земле под открытым небом или по навесами.

В процессе работы с электроустановками в цепи переменного тока нельзя полностью исключать вероятность ощущения его воздействия. Причиной может быть случайное прикосновение к токоведущим элементам или косвенные факторы. Об одном из них (шаговом напряжении) мы уже подробно рассказывали на страницах нашего сайта. В этой статье пойдет речь о другом виде косвенного воздействия электрического тока на человека, получившее название напряжение прикосновения.

Что такое “напряжение прикосновения”?

В электробезопасности под этим термином подразумевается разность потенциалов между двух точек электроцепи, возникающая в момент одновременного прикосновения к ним человека. Такая ситуация может возникнуть в результате нарушения изоляции токоведущих элементов цепи, их замыкания на электропроводящие поверхности, что приводит к образованию опасных зон растекания тока. Контакт с такой поверхностью называется косвенным прикосновением к корпусу или электропроводящим элементам (в зависимости от устройства электроустановки).

Рис. 1. Пример косвенного прикосновения

В таких случаях степень воздействия электрическим током зависит как от сопротивления тела человека (R) и величины (Uпр). Допустим в данном случае R = 800 Ом, Uпр близкое к фазному напряжению (230 В). Применяя закон Ома несложно вычислить величину тока в образовавшейся электрической цепи: Iпр=Uпр/R= 220/800 = 287,5 мА. Это значение в несколько раз превышает допустимые нормы.

В большинстве случаев косвенное прикосновение является однополюсным, то есть в данном случае угрозу несет фазное, а не линейное напряжение, которое в 1,73 раза выше. Но это слабое утешение, поскольку поражение током может все равно стать фатальным.

Опасность косвенного прикосновения заключается в том, что риск его возникновения, в большинстве случаев, не зависит от действий человека, в отличие от прямого касания, которое может возникнуть по неосторожности, в результате ошибки или несоблюдения ТБ.

Расчет

Приведенный выше пример (на рис. 1) сильно упрощен, чтобы ознакомиться с основными особенностями напряжения прикосновения (Uпр) необходимо посмотреть на проблему с точки зрения защитного заземления и зануления. Для этого рассмотрим пример, представленный на рисунке ниже.

Рисунок 2. Особенность напряжения прикосновения в случае одиночного заземления

На рисунке изображено три двигателя А, В, С (это могут быть и любые другие электроустановки), разно удаленных от единого заземлителя D и соединенных с ним защитным проводниками. Если вследствие аварии произошло замыкание фазы сети на корпус, то на нем образуется потенциал, уровень которого будет практически таким же, как на заземлителе (ⱷзм). При этом на основании появится зона растекания тока, потенциал которой (ⱷос) зависит от удаления от заземлителя (график зависимости приведен на рисунке).

В случае касания корпуса двигателя B уровень напряжения прикосновения будет определяться следующей формулой: Uпр=ⱷзм-ⱷос=ⱷзм*(1-ⱷос/ⱷзм). В данном выражении игнорируется электрическое сопротивление грунта, влияющее на растекание тока основания, в расчет принимается только характер изменения потенциала (потенциальная кривая – E). Это позволяет рассматривать потенциал основания ⱷoc в виде коэффициента прикосновения α = 1 – (ⱷос/ⱷзм) ≤ 1.

Учитывая тот факт, что на уровень напряжения влияет как потенциал заземлителя, так и коэффициент прикосновения, то очевидно, что характер опасности различен при использовании одиночного или группового заземления. Рассмотрим отдельно каждый из вариантов.

Одиночное заземление

Вернемся к рисунку 2. Как уже упоминалось выше, в случае замыкания фазы на корпус электроустановки, на всех ее токопроводящих элементах установиться потенциал ⱷзм. При этом на поверхности возле заземлителя образуется зона с уровнем потенциала, зависящим от коэффициента прикосновения. То есть, в случае случайного прикосновения к корпусу B уровень напряжения касания будет зависеть от расстояния Х1 и кривой Е.

Теперь рассмотрим, вариант прикосновения к электроприбору C. В этом случае расстояние Х2 превышает 20,0 метров, что равносильно тому, что Х2 стремится к бесконечности. В результате коэффициент прикосновения α будет увеличиваться, стремясь к единице, соответственно, Uпр станет равным ⱷзм Этот вариант с наибольшим потенциалом самый опасный.

В завершении разберем случай прикосновения к металлическому корпусу устройства A, то есть, практически находится над заземлителем. Здесь α будет стремиться к нулю, следовательно, Uпр будет также равным нулю.

Исходя из этого, можно констатировать, что чем дальше находится установка от одиночного заземлителя, тем выше напряжение прикосновения. На расстоянии от 20 метров и более оно будет практически равно фазному.

Групповое заземление

При применении групповой схемы заземления происходит накладывание зон растекания тока, в результате этого в любой точке между заземлителями потенциал будет выше нуля. Соответственно, коэффициент α будет меньше единицы, а ⱷзм– превышать напряжение прикосновения.

Для наглядности приведем пример, в котором делают два заземлителя в виде полусфер определенного радиуса r, вкопанных на расстоянии h друг от друга.

Рисунок 3. Напряжение прикосновения при групповом заземлении

В данном случае потенциальная кривая будет описываться следующим уравнением: ⱷос = ⱷгз*(r*(h-r)/(х*(h-х)), где ⱷгз– потенциал группы заземлителей, r – радиус полусферы электрода, h –– расстояние между заземлителями, х – расстояние между точкой касания и ближайшим заземлителем.

Теперь можем рассчитать напряжение прикосновения: Uпр = ⱷгз – ⱷос = ⱷгз*(r*(h-r)/(х*(h-х)), соответственно, коэффициент прикосновения для группового заземления будет α = (r*(h-r)/(х*(h-х)):

Учитывая приведенные выше выражения, можно утверждать, что наибольший уровень напряжения и значение коэффициента прикосновения будут в том случае, когда точка основания будет располагаться между заземлителями, то есть, при x=h/2. Соответственно αмакс = 1- 4r * (h-r)/h2, откуда получаем UПРмакс = ⱷгз * αмакс.

Снижение напряжения вплоть до минимального, как и в предыдущем примере, будет при максимальном приближении к заземлению.

Заметим, что при большом числе электродов заземления рассчитать высокий электрический потенциал (максимальное напряжение) практически нереально, поэтому применяется метод прямых измерений.

Измерения

Данный вид измерений предписывается проводить в производственных помещениях, где установлено технологическое оборудование и имеются устройства выравнивающие потенциал. Последние положено устанавливать на оборудование, для которого характерен высокий ток замыкания на землю. Выравнивание потенциала также производится на объектах с протяженным токопроводящим оборудованием, где возможно возникновение потенциала вследствие нарушения изоляции фазных проводов.

Перед тем, как приступить к проверке, измеряются сопротивления заземления и нулевых защитных подключений. Далее отключают ввод и подключают схему, наподобие той, что представлена ниже.

Схема для измерения напряжения прикосновения

Обозначения:

  • Tr1 – Автотрансформатор.
  • R- Резистор, с сопротивлением, соответствующим телу человека (как правило 1,0 кОм).
  • SW – Выключатель.
  • V1, V2 – Измерительные приборы.
  • А – Заземлитель корпуса оборудования.
  • B – Токопроводящая пластина, имитирующая ступню человека.

Алгоритм измерений следующий:

  1. На собранную схему подается питание от источника тока, используя при этом вольтметр V1 для контроля напряжения.
  2. По показаниям второго прибора определяют Uпр путем измерения напряжения между заземлителем корпуса оборудования (A) и металлическим щупом, погруженным (забуренным) в основание на глубину 30,0 см на удалении 25 и более метров от заземляющего электрода. Данный показатель покажет UПРмакс.
  3. После этого делают измерение величины напряжения на пластине имитаторе ступни (UB).
  4. Включают выключатель SW и измеряют величину напряжения (U1) между имитатором ступни и заземляющим электродом.
  5. Рассчитывают напряжение прикосновения по формуле Uпр = 2/(1/UB+1/U1):

Обратим внимание, что в настоящее выпускаются приборы, позволяющие снять необходимые для электробезопасности показатели и другие важные характеристики.

Меры защиты

Наиболее эффективный способ защиты от пагубного воздействия высокого напряжения прикосновения – установка заземлителей в непосредственной близости от электроустановок. Не менее эффективно действует выравнивание потенциала покрытия, это также снижает величину шагового напряжения. В этом случае применяется схема контурного заземления, ее пример приведен на рисунке.

Пример контурного заземления

Как видно из приведенного примера, групповые заземлители расположены сеткой. При этом вертикальные электроды размещены таким образом, чтобы расстояние между ними было меньше длины заземляющего стержня. В случае замыкания фазного провода на токопроводящую поверхность одного из электроприборов, за счет соединения с другими заземлителями, ток будет растекаться таким образом, что уровень потенциала будет примерно одинаков в любой точке основания.

Таким образом, разность потенциалов между основанием и корпусом электроприбора будет стремиться к нулю, соответственно, таким же будет и напряжение шага и прикосновения.

Обратите внимание, что вне поверхности защищенной контуром наблюдается резкий спад уровня потенциала заземления, увеличивая опасность поражения. Сделать падение напряжения более пологим можно при помощи металлических шин, размещенных за периметром контура.

Профилактика

В число профилактических мер для снижения вероятности поражения от косвенного прикосновения входит:

  • Проверка сопротивления изоляции кабелей, обмоток электромашин и других токоведущих элементов. В случае снижения сопротивления изоляции или ее повреждения, во избежание линейного или однофазного замыкания, проблемная электрическая сеть должна быть отключена.
  • Измерение сопротивления заземления, оно не должно превышать допустимую величину.
  • Проверка надежности заземления нейтрали (нулевого провода).
  • Регулярная поверка устройств защитного отключения на предмет срабатывания от тока замыкания и соответствие другим параметрам.
  • Поскольку человеческое тело обладает малым сопротивлением, то при работе с электроприборами следует использовать, как минимум, резиновые коврики. Учитывая непредсказуемость появления напряжения прикосновения на корпусе оборудования, такая мера предосторожности не будет лишней.
  • Отслеживание режимом электроустановок, чтобы не допустить их нештатной работы и т.д.

Рекомендуем прочитать:

  • Что такое статическое электричество?
  • Требования к переносным заземлениям
  • Назначение и отличие друг от друга заземления и зануления

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *