Анализ опасности поражения током электрических сетях

Случаи поражения человека электрическим 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.

Возникновение электротравмы в результате воздействия электрического тока или электрической дуги может быть связано:

а) с однофазным (однополюсным) прикосновением неизолированного от земли (основания) человека к неизолированным токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением;

б) одновременным прикосновением человека к двум токоведущим неизолированным частям (фазам, полюсам) электроустановок, находящихся

под напряжением;

в) с приближением на опасное расстояние человека к неизолированным от земли токоведущим частям электроустановок, находящимся под напряжением;

г) с прикосновением человека, неизолированного от земли (основание), к металлическим корпусам (корпусу) электрооборудования, оказывающегося

под напряжением;

д) с включением человека, находящегося в зоне расстекания тока замыкания на землю, на «напряжение шага»;

е) с действием атмосферного электричества при грозовых разрядах;

ж) с действием электрической дуги;

з) с освобождением человека, находящегося под напряжением.

Тяжесть электротравм, оцениваемая величиной тока, проходящего через тело человека, и напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь; напряжения сети, схемы сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведуших частей от земли, а также от величины емкости токоведущих частей относительно земли.

В строительстве наиболее широко используют установки напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью трансформатора или генератора. Четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью позволяет иметь два рабочих напряжения: линейное в 380 В и фазное 220 В. Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы менее опасна, а при аварийном режиме более безопасна сеть с заземленной нейтрально, поэтому в условиях строительства, когда имеется агрессивная среда и поддерживать изоляцию в хорошем состоянии затруднительно, предпочтение отдают четырехпроводной сети с заземляемой нейтралью.

При напряжении выше 1000 В разрешается применять трехфазные сети: трехпроводную с изолированной нейтралью и трехпроводную с заземленной нейтралью.

Применительно к сетям переменного тока включение человека в электрическую сеть может быть однофазным и двухфазным.

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, которое зависит лишь от напряжения сети и сопротивление человека и не зависит от режима нейтрали:

I_ч = 1,73U_ф / R_ч = U_л / R_ч,

где I_ч — величина тока, проходящего через тело человека, А; U_л — ли­нейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами сети, В; U_ф — фазное напряжение (напряжение между началом и концом одной обмотки или между фазным и нулевым проводами), В.

Двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

Однофазное включение возникает значительно чаще, но является менее опасным, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного, т. е. меньше линейного в 1,73 раза. Соответственно, меньше оказывается ток, проходящий через человека. При однофазном включении на величину тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции и емкость проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.

Однофазная сеть может быть изолирована от земли или иметь за­земленный провод. На рис. 18.1 изображены возможные варианты под­ключения человека к однофазным сетям.

Рис. 18.1. Схема возможного прикосновения человека к однофазной сети:

а – изолированной от земли, нейтральный режим; б – то же, аварийный режим; в – заземленным полюсом к изолированному проводу; г - заземленным полюсом без изолированного провода

Сила тока, проходящего через человека (в А), и напряжение прикос­новения (в В) для первого случая 1 (рис. 18.1, а):

U_пр 1

I_ч = —— = U_ф —————————;

R_ч r₂ + R_ч (1 + r₂/ r₁ )

R_ч

U_пр = U_ф —————————,

r₂ + R_ч (1 + r₂/ r₁ )

где r₁ , r₂ —сопротивление изоляции проводов относительно земли, при расчетах обычно принимают r₁= r₂ = r.

В этом случае ёмкость проводов сети относительно земли принята

равной нулю (сеть небольшой протяженности). Анализ этих формул позволяет сделать практически полезные выводы: опасность поражения человека при неизменном фазном напряжении зависит от сопротивления тела человека и изоляции проводов относительно земли. Для обеспечения безопасности людей используют изолирующие свойства полов и обуви.

При аварийном режиме один из проводов сети может оказаться замкнутым на землю (рис. 18.1,б). Человек, прикоснувшись к другому

проводу, оказывается под напряжением, равным почти полному напря­жению сети, а следовательно, опасность поражения человека током значительно возрастает.

Действительно, при замыкании провода 2 на землю сопротивление r₂ шунтируется сопротивлением в месте замыкания провода на землю, которое мало по сравнению с r_l и R_ч и может быть принято равным нулю (r₂ = 0), тогда

I_ч = U_ф / R_ч; U_пр ≈ U_ф .

При заземленной фазе сопротивление одного из проводов сети относительно земли можно принять равным сопротивлению заземления R_з. В этом случае при прикосновении человека к изолированному проводу (рис. 18.1, в)

I_ч = U_ф / R_ч = U_ф / (R_ч + R_з).

Но R_ч >> R_з , тогда этот случай сводится ко второму варианту включения человека (рис. 18.1,б), рассмотренному выше (по нормам R₃ ≤ 10 Ом).

При прикосновении к заземленному проводу (рис. 18.1, г) человек попадает под напряжение, равное потере напряжения в заземленном проводе на участке от места заземления до места касания. Следовательно, сила тока будет равна:

I_ч = U_ф / R_ч = ∆U / R_ч или I_ч = I_н z_пр / R_ч ,

тогда ∆U= I_н z_пр ,

где I_н — сила тока нагрузки; z_np — полное сопротивление заземленного провода.

Опасность поражения человека при прикосновении к сети постоян­ного тока оценивается так же, как и для сетей переменного тока.

Трехфазные сети согласно «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) в СССР при напряжении до 1000 В применяют или как трехпроводные сети с изолированной нейтралью, или как четырехпроводные сети с заземленной нейтралью. При напряжении выше 1000 В согласно ПУЭ применяют сети трехпроводные с изолированной или заземленной нейтралью.

Поскольку методический подход к оценке опасности прикосновения к сетям с изолированной и заземленной нейтралью одинаков, достаточ­но проанализировать две сети, показанные на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Схема возможных прикосновений человека к трехфазной сети:

а — трехпроводной с изолированной нейтралью, нормальный режим; б — то же, аварийный режим; в — четырехпроводный с заземленной нейтралью, нормальный режим; г — то же, аварийный режим

Для случая, показанного на рис. 18.2, а, при r₁ = r₂ = r₃ = r и емкости проводов относительно земли, равной нулю (короткие сети), анализ выделенной стрелками цепи с подключением трансформатора и с на­грузками R_ч, r₁, r₂, r₃ приводит к выражению

__

I_ч = U_пр / R_ч = √ 3 U_ф / (R_ч + r ∕ 3),

откуда

√ 3 R_ч

U_пр = U_ф ∙——————,

R_ч + r ∕ 3

Таким образом, в сетях с изолированной нейтралью опасность пора­жения человека током, прикоснувшегося к одной фазе в период нор­мальной работы сети, определяется сопротивлением проводов и чело­века. С увеличением этих сопротивлений опасность уменьшается.

При аварийном режиме (рис. 18.2, б), когда возникло замыкание фазы 3 на землю через малое сопротивление r ₃, сила тока составляет

__

I_ч = U_пр / R_ч = √ 3 U_ф / (R_ч + r _з),

откуда

R_ч

U_пр = √ 3 U_ф ∙ ————,

R_ч + r _з

Так как R_ч >> r_з, можно считать, что при аварийном режиме человек окажется почти под линейным напряжением. Следовательно, этот случай значительно опаснее первого.

При нормальном режиме сети с заземленной нейтралью (рис. 18.2, в) тока в выделенной стрелками цепи, в которой разное напряжение приложено к сопротивлению R_ч и R_з, равна:

I_ч = U_пр / R_ч = U_ф / (R_ч + R_з),

откуда

U_пр = U_ф R_ч / (R_ч + R_з).

Таким образом, если человек прикоснется к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, то он окажется практически под фазным напряжением (R₃ ≤ R_ч), и сила тока, проходящего через человека при нормальной работе сети, практически не изменится с изменением сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.

При аварийном режиме (рас. 18.2, г) так же, как и в предыдущем случае человек окажется под линейным напряжением сети.

Кроме рассмотренных выше случаев включение человека в электрическ­ую сеть представляет опасность при так называемом шаговом напряжении. Причиной появления шагового напряжения является образование электрических потенциалов на поверхности земли в пределах растекания тока замыкания А в грунте, возникающего при падении электрического провода на землю, замыкании токоведущих частей заземленный корпус, использовании земли в качестве проводника и т. п.

Величина потенциала характер растекания тока на поверхности земли зависят в основном электрических свойств однородности грунта, формы заземлителей и силы тока.

Рис. 18.3. Расстекание тока в грунте через полусферический заземлитель

На рис. 18.3 показано лучами растекание тока однородном изотропном грунте через одиночный заземлитель. Поскольку грунт однородный, изотропный ток растекается по этой поверхности равномерно. Поэтому плотность тока δ в точке А на поверхности грунта на расстоянии х от заземлителя определяется как отношение тока заземлителя на землю к площади поверхности полу­сферы радиуса х:

δ = І_з / (2π x²).

Эта поверхность является эквипотенциальной поверхностью.

Напряжение прикосновения (U_ш) определяется как разность потен­циала между точками А и В: U_ш = φ_х - φ_х+а.

Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние х, то потен­циал ее при полусферическом заземлении равен:

φ_А = І_зρ / (2π x).

где ρ— удельное электрическое сопротивление грунта, Ом • см.

Точка В отстоит от заземлителя дальше, чем точка А на величину шага человека а, т. е. расстояние между заземлителем и точкой В равно х + а, поэтому для потенциала В

φ_В = І_зρ / 2π(х + а),

отсюда напряжение шага:

І_зρ 1 1

U_ш = ——— (—— — —————)

2π х х + а

или

І_зρ а

U_ш = ——— —————

2π х² - ах

Наибольшее значение напряжения шага наблюдается вблизи заземлителя, особенно если человек стоит одной ногой над заземлителем в точке с потенциалом, равным U₃, а второй — на расстоянии шага от заземлителя.

Человек, находящийся вне поля растекания х →∞, вообще не попа­дает под напряжение шага, так как U_ш = 0,

Шаговое напряжение также может быть равным нулю, если обе ноги человека находятся на эквипотенциальной линии.