2. Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях

2.1 Общие положения

Поражение человека электрическим током является следствием его прикосновения не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми существует напряжение. Опасность такого прикосновения зависит от величины силы тока I_h, проходящего через тело человека, и напряжения прикосновения U_пр. Величина силы тока и напряжения прикосновения также зависят от ряда факторов: схемы самой цепи, схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, режима нейтрали, сопротивления изоляции, емкости относительно земли и так далее. Вышеперечисленные факторы необходимо знать при оценке той или иной сети по условиям техники безопасности, выборе и расчете соответствующих мер защиты, в частности: заземления, зануления, защитного отключения, устройств контроля изоляции сети и других.

Ниже рассмотрим анализ опасностей поражения электрическим током и расчет защитных устройств для сетей напряжением до 1000 В, так как они имеют наибольшую практическую значимость.

2.2 Схемы электрических сетей

В промышленности применяются однофазные и трехфазные сети переменного тока (преимущественно трехфазные). Однофазные сети могут быть двухпроводными изолированными от земли, с заземленным проводом и однопроводными, когда роль второго провода играет земля, рельс и тому подобное.

Трехфазные сети в зависимости от режима нейтрали источника тока и наличия нейтрального или нулевого проводника могут быть выполнены по четырем схемам: трехпроводной с изолированной нейтралью; трехпроводной с заземленной нейтралью; четырехпроводной с изолированной нейтралью; четырехпроводной с заземленной нейтралью.

При напряжении до 1000 В применяют, в основном, две из указанных схем сетей трехфазного тока – трехпроводную с изолированной нейтралью напряжением 36, 42, 127, 220 и 380 В и четырехпроводную с заземленной нейтралью через малое сопротивление (глухозаземленная нейтраль) напряжением 220/127, 380/220 и 660/380 В. Наиболее распространенными являются сети 380/220 В.

Трехпроводную с заземленной нейтралью и четырехпроводную с изолированной нейтралью при напряжении до 1000 В, как правило, не применяют, потому что в трехпроводной сети с заземленной нейтралью в случае замыкания фазы на корпус, а в четырехпроводной с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, невозможно обеспечить безопасность персонала обычными способами (защитным заземлением, занулением).

При напряжении выше 1000 В применяют также две схемы трехфазных сетей: трехпроводную с изолированной нейтралью и трехпроводную с нейтралью, заземленной через малое сопротивление. Наиболее характерны две схемы включения человека в цепь тока: между двумя фазами электрической сети (линейное) и между одной фазой и землей (фазное).

2.3 Трехфазные сети

2.3.1 Двухфазное прикосновение. При двухфазном прикосновении непосредственно к токоведущим частям (рисунок 2.1) независимо от того, заземлена нейтраль источника питания или нет, человек окажется под линейным напряжением U_л, ток поражения достигает большой величины:

I_h = U_л / R_h.

Сопротивление изоляции фаз в этом случае не ограничивает величину тока.

Рисунок 2.1 – Схема прохождения тока через тело человека при двухфазном прикосновении

2.3.2 Однофазное прикосновение в трехфазной сети с изолированной нейтралью. В этом случае (рисунок 2.2) сопротивление изоляции двух других фаз оказывает решающее влияние на ток поражения. Это сопротивление является комплексным, имеющим активную и емкостную составляющие.

Рисунок 2.2 – Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы

Активное и емкостное сопротивления изоляции распределены вдоль провода. Условно на схемах их обозначают сосредоточенными.

Полное комплексное сопротивление изоляции

,

ее проводимость , См:

,

где ω – угловая частота переменного тока, c^-1

– емкость проводов относительно земли, Ф;

j – множитель мнимой части комплексного числа, ;

– емкостное сопротивление проводов относительно земли, Ом;

r – сопротивление изоляции проводов, Ом.

Приняв, что сопротивления изоляции относительно земли всех трех фаз равны между собой и при нормальной работе изолированная нейтраль источника питания сети не имеет напряжения, – трехфазная сеть работает в симметричном режиме, то есть все фазные напряжения одинаковые.

При контакте человека с фазой 1 симметрия нарушается и нейтраль источника питания оказывается под напряжением относительно земли. Ток будет проходить по цепи: фаза 1 – тело человека – земля – проводимость фаз 2 и 3. Напряжение фазы 1 уменьшается до величины, равной напряжению, под воздействием которого окажется пострадавший. Значение этого тока определяется по формуле

В действительной форме этот ток равен:

В коротких воздушных сетях емкости практически отсутствуют, и при равенстве сопротивлений изоляции ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле

.

При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, что может иметь место в кабельных сетях, ток, проходящий через человека в комплексной форме, будет равен:

В действительной форме ток равен:

.

При анализе последних зависимостей видим, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается.

При аварийном режиме работы сети, когда возникает замыкание фазы на землю через малое активное или заземленное оборудование, сопротивление r_зм , проводимость двух других фаз можно принять равными нулю и r_зм  R_h (так обычно бывает на практике). В результате получим

U_пр  U_ф ,

т. е. человек окажется под линейным напряжением сети.

В действительных условиях r_зм всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказался человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети.

При нормальном режиме работы сети пострадавший окажется под фазным напряжением и в этом случае цепь тока, проходящего через человека, включает сопротивление пола, обуви и заземление нейтрали источника тока, т.к. сопротивление заземления нейтрали r₀ значительно меньше, чем активное и емкостное сопротивления проводов относительно земли.

2.3.3 Однофазное прикосновение человека в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Прикосновение человека к проводу в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью

Ток, проходящий через человека, равен:

;

где r_п – сопротивление пола;

r_об – сопротивление обуви.

При этой схеме включения человека в электрическую цепь исключительно большое значение имеют сопротивления полов и обуви для безопасности людей.

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое активное сопротивление r_зм , напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному проводу, всегда меньше линейного, но больше фазного:

U_л > U_пр > U_ф.

Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с глухозаземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.