Аналіз небезпеки ураження струмом при дотиканні до струмопровідних частин в різних електричних мережах

Випадки ураження людини струмом можливі лише при замиканні електричного кола через тіло людини, тобто при дотиканні людини не менш чим до двох точок кола, між якими існує деяка напруга.

Небезпека такого дотику, яка оцінюється величиною струму, що протікає через людину, або напругою дотику, залежить від цілого ряду факторів: схеми ввімкнення людини в коло, напруги мережі, схеми самої мережі, режиму її нейтралі, степені ізоляції струмопровідних частин від землі, а також від величини ємності струмопровідних частин відносно землі і т.п.

С

Рис. 3.5. Випадки включення людини в

електричне коло: а – двофазне включення;

б, в – однофазне включення

хеми ввімкнення людини в коло можуть бути різними. Однак найбільш характерними являються дві схеми ввімкнення: між двома дротами і між одним дротом і землею (рис. 3.5). В другому випадку припускається наявність електричного зв’язку між мережею і землею. Стосовно мереж змінного струму першу схему (а) звичайно називають двофазним ввімкненням, а другу (б) – однофазним.

Двофазне ввімкнення, тобто дотикання людини одночасно до двох фаз, як правило, більш небезпечне, оскільки до тіла людини прикладається найбільша можлива в даній мережі напруга – лінійна, і тому через людину піде найбільший струм.

Тому на практиці торкатися до струмопровідних частин установок при необхідності можна лише однією рукою, другу потрібно тримати в кишені (правило кишені).

Очевидно, що двофазне ввімкнення являється однаково небезпечним в мережах як з ізольованою нейтрально так і з заземленою. При двофазному ввімкненні небезпека ураження не зменшиться і в тому випадку, якщо людина надійно ізольована від землі (резиновий коврик і т.п.).

Однофазне ввімкнення відбувається значно частіше, однак є менш небезпечним, ніж двофазне, оскільки, по-перше, напруга, під якою знаходиться людина, не перевищує фазної, тобто менше лінійної в 1,73 рази. Відповідно менше буде і струм, який проходить через людину. По-друге, на величину цього струму впливає також режим нейтралі джерела струму, опір ізоляції і ємність дротів відносно землі, опір підлоги, на якій стоїть людина, опір взуття і т.д.

Розглянемо можливі варіанти однофазного включення в мережу.

А. Трьохфазна мережа з ізольованою нейтраллю в період її нор-мальної роботи (рис. 3.6).

Струм, який проходить через людину, при дотиканні до однієї з фаз мережі в період її нормальної роботи визначиться виразом

Рис. 3.6. Дотикання людиною до дроту трьохфазної мережі з ізольованою ней-траллю в період її нормальної роботи

. (3.17)

Тут і відповідно опір ізоляції (Ом) і ємність дротів (Ф) відносно землі (для спрощення вони прийняті однаковими для всіх дротів мережі), – опір тіла людини (Ом).

Якщо ємність дротів відносно зем-лі мала, тобто , що звичайно має місце в повітряних мережах невеликої протяжності, то вираз (3.17) прийме вигляд

. (3.18)

Якщо ж ємність велика, а провідність ізоляції незначна, тобто , що звичайно має місце в кабельних мережах, то згідно виразу (3.17) струм через людину буде

. (3.19)

З (3.18) слідує, що в мережах з ізольованою нейтраллю, які володіють незначною ємністю між дротами і землею, небезпека для людини, що до-торкнулася однієї з фаз в період нормальної роботи мережі, залежить від опору дротів відносно землі: із збільшенням опору небезпека зменшується.

Однак в мережах з великою ємністю відносно землі роль ізоляції дротів в забезпеченні безпеки дотикання втрачається, що видно з (3.17) і (3.19).

Б. Аварійний режим роботи трьохфазної мережі з ізольованою нейтраллю.

Рис. 3.7. Дотикання людини до дроту трьохфазної мережі з ізольованою ней-траллю в аварійний режим її роботи

Тобто розглянемо випадок, коли виникло замикання однієї з фаз на землю через малий опір (рис. 3.7).

Тоді струм через людину, яка торк-нулася здорової фази буде

. (3.20)

А напруга дотику запишеться

. (3.21)

Якщо прийняти, що , або по крайній мірі вважати, що (що звичайно і має місце на практиці), то згідно (3.21) .

В дійсних умовах , тому напруга, під якою буде людина, що торкнулася в аварійний період до здорової фази трьохфазної мережі з ізольованою нейтраллю, буде значно більше фазової і дещо менше лінійної. Таким чином, цей випадок дотикання в багато разів небезпечніший дотикання до тієї ж фази мережі при нормальному її режимі роботи (що видно з порівняння (3.20) і (3.18) враховуючи, що ).

В. Трьохфазна чотирьохдротова мережа з заземленою нейтраллю в період її нормальної роботи (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Дотикання людини до фазо-вого дроту трьохфазної чотирьохдро-тової мережі з заземленою нейтраллю в період її нормальної роботи

У цьому випадку провідність ізоляції і ємнісна провідність дротів від-носно землі малі в порівнянні з провідністю заземлення нейтралі, тому при визначені струму через людину, яка торкається фази мережі, ними можна знехтувати.

При нормальному режимі роботи ме-режі, струм через людину буде

, (3.22)

де – опір заземлення нейтралі, Ом.

Враховуючи, що , то . Звідси слідує, що дотикання до фази трьохфазної мережі із заземленою нейтраллю в період нормальної її роботи більш небезпечне, чим дотикан-ня до фази нормально працюючої мережі з ізольованою нейтраллю (по-рівняйте рівняння (3.18) і (3.22)), але менш небезпечне дотикання до непо-шкодженої фази мережі з ізольованою нейтраллю в аварійний період її роботи (порівняйте (3.20) і (3.22), враховуючи, що може мало відрізня-тися від ).

Г. Аварійний режим роботи трьохфазної чотирьохдротової мережі з заземленою нейтраллю (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Дотикання людини до здорової фази трьохфазної чотирьохдротової ме-режі з заземленою нейтраллю в аварій-ний режим її роботи

В цоьму випадку одна із фаз мережі замкнута на землю через відносно малий опір . Тоді струм, який проходить через людину, що торкається здорової фази визначиться рівнянням:

. (3.23)

А напруга дотику буде

. (3.24)

Розглянемо два характерних випадки:

– Якщо опір замикання дроту на землю вважати = 0, то (3.24) прийме вигляд:

.

Таким чином в даному випадку людина буде під дією лінійної напруги мережі.

– Якщо прийняти , то , таким чином напруга, під якою буде знаходитись людина буде рівна фазовій.

На практиці і завжди > 0, тому напруга, під якою знаходиться людина, яка доторкнулася в аварійний період до непошкодженого фазового дроту трьохфазної мережі з заземленою нейтраллю завжди менше лінійної, але більше фазової, тобто

Таким чином, дотикання людини до непошкодженої фази мережі з заземленою нейтраллю в аварійний період більш небезпечне, чим при нормальному режимі. Разом з тим цей випадок, як правило, менш небезпечний, чим дотикання до здорової фази мережі з ізольованою ней-траллю в аварійний період її роботи (порівняємо (3.23) і (3.20) врахову-ючи, що, як правило, ).

Від чого ж залежить вибір схеми мережі?

Вибір схеми мережі, а таким чином, і режиму нейтралі джерела стру-му проводиться, виходячи з технологічних вимог і з вимог безпеки.

При напругах до 1000 В широке розповсюдження отримали обидві схеми трьохфазової мережі: трьохдротової з ізольованою нейтраллю і чотирьохдротової з заземленою нейтраллю.

По технічним вимогам перевагу часто віддають чотирьохдротовій мережі, оскільки вона дозволяє використовувати дві робочі напруги: і .

По умовам безпеки вибір однієї із двох схем проводиться з врахуванням раніше зроблених висновків, а саме: по умовам дотикання до фазового дроту в період нормального режиму роботи мережі більш безпечною являється мережа з ізольованою нейтраллю, а в аварійний період – мережа з заземленою нейтраллю.

Тому мережі з ізольованою нейтраллю доцільно використовувати в тих випадках, коли мається можливість підтримувати високий рівень ізоляції дротів і коли ємність мережі відносно землі незначна. Такими являються малорозгалужені мережі, які не піддаються дії агресивного середовища і знаходяться під постійним наглядом кваліфікованого персоналу. Прикладом можуть служити мережі електротехнічних лабораторій, невеликих підприємств і т. п.

Мережі із заземленою нейтраллю слід використовувати там, де неможливо забезпечити хорошу ізоляцію дротів (із-за високої вологості, агресивного середовища і т. п.), коли неможливо швидко відшукати або усунути пошкодження ізоляції, або коли ємнісні струми мережі внаслідок значної її розгалуженості досягають великих значень. Прикладом таких мереж можуть служити мережі великих машинобудівних заводів.

При напругах вище 1000 В по технічним вимогам мережі з напругою до 35 кВ включно мають ізольовану нейтраль, а вище 35 кВ – заземлену. Поскільки такі мережі крім високої напруги, як правило, мають ще і велику ємність дротів відносно землі, для людини являється однаково небезпечним дотиканням до дроту мережі як з ізольованою, так і з заземленою нейтраллю. Тому режим нейтралі мережі напругою вище 1000 В по умовах безпеки не вибирається.