Опасность включения человека в электрическую цепь. Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Схемы включения человека в электрическую цепь
Случаи поражения человека током возможны лишь при замыкании электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение.
Опасность такого прикосновения, оцениваемая значением тока, проходящего через тело человека, или же напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, качества изоляции токоведущих частей от земли, а также от значения емкости токоведущих частей относительно земли и т. п.
Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Однако наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей (рисунок 13.5). Разумеется, во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей.
Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую - однофазным.
Двухфазное включение, т. е. прикосновение человека одновременно к двум фазам, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение - линейное, поэтому через тело человека пойдет больший ток (А):
I h = 1,73U ф /R h = U л /R h , 7)
где U л - линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами сети, равное , В; U ф - фазное напряжение, т. е. напряжение между началом и концом одной обмотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевым проводами, В.
Нетрудно представить, что двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралями. При двухфазном включении опасность поражения не уменьшится и в том случае, если человек надежно изолирован от земли, т. е. если он имеет на ногах диэлектрические галоши или боты, либо стоит на изолирующем полу или на диэлектрическом коврике.
Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного. Соответственно меньше оказывается ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на значение этого тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции и емкость проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и другие факторы.
Втрехфазной трехпроводной сети с изолированнойнейтралью силу тока (А), проходящего через тело человека, при прикосновении к одной из фаз сети в период ее нормальной работы (рисунок 6) определяют следующим выражением:
где Z - комплекс полного сопротивления одной фазы относительно земли, Ом, Z = r/(l + jwCr), r и С - соответственно сопротивление изоляции провода (Ом) и емкость провода (Ф) относительно земли (приняты для упрощения одинаковыми для всех проводов сети).
Ток в действительной форме составит, А:
. (9)
Если емкость проводов относительно земли мала, т. е. С » 0, что обычно имеет место в воздушных сетях небольшой протяженности,то уравнение (15) примет вид
Если же емкость велика, а проводимость изоляции незначительна, т. е. r » ¥, что обычно имеет место в кабельных сетях, то согласно выражению (5) сила тока (А), проходящего через тело человека, будет равна
, (11)
где х с - емкостное сопротивление, равное 1/wС, Ом; w - угловая частота, рад/с.
Из выражения (6) следует, что в сетях с изолированной нейтралью, обладающих незначительной емкостью между проводами и землей, опасность для человека, прикоснувшегося к одной из фаз в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается, поэтому очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей. Однако в сетях с большой емкостью относительно земли роль изоляции проводов в обеспечении безопасности прикосновения утрачивается, что видно из уравнений (5) и (7).
Втрехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью проводимость изоляции и ёмкостная проводимость проводов относительно земли малы по сравнению с проводимостью заземления нейтрали, поэтому при определении силы тока, проходящего через тело человека, касающегося фазы сети, ими можно пренебречь.
При нормальном режиме работы ее r и сила тока I h , проходящего через тело человека, будет (рисунок 7) равна:
I h = U ф /(R h + r 0), (12)
где r 0 - сопротивление заземления нейтрали, Ом.
Как правило, r 0 £ 10 Ом, сопротивление же тела человека R h не опускается ниже нескольких сотен Ом×м. Следовательно, без большой ошибки в уравнении (8) можно пренебречь значением r 0 и считать, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением U ф, а ток, проходящий через него, равен частному от деления U ф на R h . Отсюда следует, что прикосновение к фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью в период нормальной ее работы более опасно, чем прикосновение к фазе нормально работающей сети с изолированной нейтралью (см. уравнения (6) и (8)).
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 = √ 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. 8.1. 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.
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. 8.2. Схема возникновения шагового напряжения
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).
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.
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.
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ - ОСОЗНАННАЯ НЕОБХОДИМОСТЬ
Евгений Иванов, сопредседатель проблемного комитета "Электробезопасность" Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, д. т. н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности СПГЭТУ "ЛЭТИ"
В прошлом номере нашего журнала мы начали разговор об основах электробезопасности в свете современных требований. Были рассмотрены виды действия электрического тока на организм человека и первые две возможные схемы включения человека в цепь тока: двухполюсное и однополюсное прикосновение. Сейчас речь пойдет о следующих типовых схемах поражения электрическим током.
ОСТАТОЧНЫЙ ЗАРЯД
Под остаточным понимается заряд на конденсаторе, сохраняющийся некоторое время после отключения источника питания. Схема включения человека в электрическую цепь формируется при прикосновении его к одной из обмоток конденсатора.
Условия формирования цепи
Всякая сеть или устройство обладают емкостью относительно земли (корпуса) и между полюсами (фазами).
Если сопротивление изоляции велико, то после снятия рабочего напряжения либо после измерений мегомметром потенциал на токо-ведущих частях, обусловленный остаточным зарядом емкости, может сохраняться длительное время. В случае прикосновения человека к токоведущей части при этом возникает переходный процесс разряда емкостей через его тело.
Процессы, аналогичные указанным, происходят также при работе в цепях с индуктивностями. Так, согласно Правилам эксплуатации электроустановок, необходимо ежегодно отключать силовые трансформаторы и контролировать омическое сопротивление их обмоток.
В переносных омметрах обычно применяют источники постоянного напряжения 4-6 В. При отключении омметра, например, от обмотки низкого напряжения в процессе разряда ее индуктивности импульс тока трансформируется в обмотку высокого напряжения. Если в этот момент человек касается полюса последней, то вторичная травма неизбежна.
Возможные последствия действия остаточного заряда
Рассмотрим эту схему травмирования током на примере однофазной сети.
Обозначения на схеме: Rh - сопротивление тела человека, R, и R2, С, и С2 - эквивалентные сопротивления изоляции и емкости полюсов относительно земли, С12 -эквивалентная емкость между полюсами (в том числе конденсаторов фильтров выпрямителей), U0 -остаточное напряжение.
Принимаем (R,R2) > Rh, что правомерно, так как при низких значениях сопротивления изоляции остаточный заряд быстро исчезает и сеть, с точки зрения возможности поражения человека током, становится безопасной.
Упрощаем расчетную схему путем разделения емкости С12 на две последовательно включенные емкости значением 2 С12 каждая (рис.б). Окончательная расчетная схема (рис.в) позволяет определить ток разряда емкости С, + 2 С12 через сопротивление Rh при начальном напряжении 11^2 по известной формуле:
lh = U0exP(-t/Rh(Cl + 2C12))/2Rh.
Таким образом, максимальное значение тока lh определяется величиной остаточного напряжения U0 и сопротивления тела человека, а длительность переходного процесса зависит от величины емкостей относительно земли и между полюсами сети.
Обычный результат действия остаточного заряда - вторичные травмы.
Защитные мероприятия
Из формулы для lh следует одно из основных правил техники безопасности: после снятия рабочего напряжения не берись за токоведущие части, предварительно не разрядив емкости.
Для разряда емкостей следует присоединить провод разрядника(щупа) к заземленной конструкции (детали) и затем коснуться щупом токоведущей части.
Изменять указанную последовательность операций нельзя, так как в этом случае ток разряда пройдет через тело человека.
ЗАРЯД СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Схема включения человека в цепь
В этом режиме человек прикасается к металлическому предмету, изолированному от земли, или к конструкции из изоляционного материала, несущим заряд статического электричества. Возможен также режим прикосновения к заземленной металлической конструкции, когда человек находится на полу из изоляционного материала и сам несет заряд статического электричества.
Условия формирования цепи
Заряды статического электричества образуются при перемещении (трении) твердых, жидких или газообразных диэлектриков относительно других проводящих или непроводящих ток материалов.
Возможные последствия действия статического электричества
Возможность формирования зарядов статического электричества существенно увеличилась с массовым применением пластических материалов (трубопроводы, покрытие полов и пр.), обладающих высоким сопротивлением.
Заряды статического электричества генерируют высокие потенциалы. Так, при перекачке топлива, например, при заливке бензина в бак автомобиля, заряд Qст получает латунный наконечник резинового шланга. Потенциал его относительно земли (или бака) будет Uст = Qст/С =1,5 ё 14кВ зависимости от скорости прокачки (здесь С - емкость наконечника относительно земли или бака - величина бесконечно малая). При прикосновении человека к такому заряженному предмету возможны вторичные травмы или ожог искрой.
Тело человека относительно земли имеет емкость около 200 пФ. Если он находится на изолирующем полу (линолеум), то в результате трения одежды о кожу на нем может накопиться заряд с энергией до 0,43 мДж. Отсюда из известного выражения для энергии заряженного конденсатора получаем, что значение потенциала тела относительно земли превышает 500 В; в случае прикосновения к заземленному металлическому предмету (батарея отопления, шкафчик с рабочей одеждой и пр.) человек почувствует удар током (ток разряда собственной емкости).
Такие заряды наибольшую опасность представляют для элементов микросхемотехники при монтаже печатных плат. Обычно во избежание выхода их из строя жало паяльника заземляют либо на руку монтажницы надевают заземленный браслет; наиболее эффективная мера - обязательная замена одежды на хлопчатобумажную, исключающую возможность генерирования электростатического заряда.
Основные виды разрядов статического электричества:
а) разряды между проводящими телами – формируются в результате электризации и накопления заряда на изолированных проводящих телах (человек, металлическая тара для жидкостей и сыпучих материалов, транспортные средства на резиновых шинах, гребные валы на судах и пр.);
б) разряды с заряженного ди-электрика на проводящие конструкции (резиновые либо пластмассовые резервуары; бочки и канистры для хранения и транспортировки нефтепродуктов и сыпучих материалов; диэлектрические трубы, по которым перемещаются эти материалы, и т.п.);
в) коронирование диэлектриков - разряд, обусловленный разностью потенциалов между внутренней и наружной поверхностями конструкции (трубы для транспортировки жидких и сыпучих материалов, пневмотранспортные трубопроводы);
г) разряды в следе скольжения - возникают в процессе электризации твердых поверхностей путем трения.
Защитные мероприятия
Защита обеспечивается путем формирования цепей для снятия зарядов статического электричества (заземление металлоконструкций, снижение омического сопротивления изоляционных материалов путем введения в них проводящих примесей, периодического обливания изоляционных конструкций проводящими жидкостями и т.п.).
Пример:
При обезжиривании металлических деталей случай загорания от электрического разряда произошел в условиях, когда, казалось бы, все меры защиты от статического электричества были соблюдены. Ванна с бензином заземлена. Полы в помещении и обувь рабочих обладали электропроводностью, соответствующей нормативным требованиям. Но тем не менее, при погружении металлических деталей в ванну произошло загорание. Причиной его был разряд с одежды, так как шерстяная одежда сочеталась с одеждой из вискозного шелка, что недопустимо.
НАПРЯЖЕНИЕ ШАГА
Схема включения человека в цепь
Действию напряжения шага человек подвергается в зоне растекания тока, то есть на поверхности земли вблизи места замыкания на землю.
Условия формирования цепи
В зоне растекания тока, в соответствии с выражением j(х) = k/x, различны потенциалы всех точек на поверхности земли.
Напряжением шага называется разность потенциалов двух точек поверхности земли, на которых находится человек, при этом в расчетах ширина шага принимается равной а = 0,8 м.
Возможные последствия действия напряжения шага
Напряжение шага зависит от двух основных факторов - максимального потенциала в зоне растекания тока j зами удаления человека от места замыкания (х).
В наиболее удаленных точках зоны растекания тока напряжение шага невелико, а ток через тело человека Ih = Uш/Rh протекает по пути «нога-нога». По мере возрастания напряжения Uш при приближении человека к месту замыкания ток возрастает и может в итоге достичь значения порогового неотпускающего тока; в результате судорожной реакции человек падает, при этом размер «шага» увеличивается (расстояние стало «руки-ноги») с соответствующим возрастанием значения Uш, а в путь тока включается область сердца. Так без видимых внешних причин может наступить летальный исход.
Пример: «Сильнее огня» («Правда», 23 августа 1987 г.).
Обстоятельства таковы: комбайн «Колос» коснулся выхлопной трубой провисшего провода ЛЭП и оборвал его. От искр загорелись валки скошенной пшеницы, огонь грозил и комбайну. Николай бросился тушить его. «Он бросился, как солдат в атаку, и упал, как подкошенный пулей». На могильном памятнике надпись: «Николай Васильевич Барсуков. 1953-1987. Погиб в борьбе за хлеб».
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ВОЗДУШНОГО ПРОМЕЖУТКА
Схема включения человека в цепь
Эта схема поражения током характерна для высоковольтных цепей.
В равномерном электрическом поле (например, между обкладками плоского конденсатора) электрическая прочность воздушного промежутка равна 3-4 кВ/мм в зависимости от влажности воздуха.
То есть электрический пробой воздушного промежутка размером 1 мм происходит при напряжении 3-4 кВ между обкладками конденсатора.
Когда человек той или иной частью тела приближается к высоковольтной токоведущей части, в воздушном зазоре также формируется электрическое поле, но это поле неравномерное, типа игла-плоскость либо игла-линия. Электрическая прочность воздушного промежутка в неравномерном поле существенно ниже, она может уменьшаться до значения
4 кВ/см.
Условия формирования цепи
Пусть человек проник в трансформаторную будку 6/0,38 кВ и приблизил палец к токоведущей части, находящейся под потенциалом 6 кВ.
Потенциал тела человека равен потенциалу земли (ноль), поэтому разность потенциалов в воздушном зазоре «палец - токоведущая часть» составляет 6 кВ. При таком напряжении происходит электрический пробой воздушного промежутка и формируется дуговой разряд. При неблагоприятных условиях, когда цепь тока не прерывается, термическую травму завершает биологическое поражение током.
Возможные последствия электрического пробоя воздушного промежутка
При дуговом разряде (ожоге дугой) разрушаются кожные покровы, мышечная и костная ткани.
Защитные мероприятия
Защита людей от опасности рассматриваемого режима достигается путем обеспечения недоступности токоведущих частей оборудования.
