Анализ опасности поражения электрическим током в различных сетях

Поражение человека электротоком возможно лишь при его непосредственном контакте с точками электроустановки, между которыми существует напряжение, или с точкой, потенциал которой отличается от потенциала земли. Анализ опасности такого прикосновения, оцениваемой величиной проходящего через человека тока или напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электросеть, ее напряжения, режима нейтрали, изоляции токоведущих частей, их емкостной составляющей и т.п.

При изучении причин поражения током необходимо различать прямой контакт с токоведущими частями электроустановок и косвенный. Первый, как правило, возникает при грубейших нарушениях правил эксплуатации электроустановок (ПТЭ и ПТБ), второй – в результате аварийных ситуаций, например при пробое изоляции.

С

Рис.14.1. Двухфазное включение человека в трехфазную сеть с изолированной нейтралью:

U_ф – фазное напряжение, В;

I_ч – ток, проходящий через тело человека, А; R_a, R_b, R_c – электросопротивление изоляции фаз относительно земли, Ом;

С_a, С_b, С_c – емкость проводов относительно земли, Ф

хемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Однако наиболее распространенными являются две: между двумя различными проводами – двухфазное включение и между одним проводом или корпусом электроустановки, одна фаза которой пробита, и землей – однофазное включение. Статистика показывает, что наибольшее число электротравм происходит при однофазном включении, причем большинство из них в сетях напряжением 220/380 В.

Двухфазное включение (рис.14.1.) является более опасным, поскольку в данном случае человек находится под линейным напряжением, при этом сила тока I_ч (А), проходящего через человека, составит:

__

I_ч = U_л / R_ч = 3 U_ф / R_ч = 1,73 U_ф / R_ч (14.2.)

где U_л – линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами, В; U_ф – фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом одной обмотки (или между фазным и нулевым проводом), В.

Как видно из рис.16.1, опасность двухфазного включения не зависит от режима нейтрали. Нейтралью называется точка соединения обмоток трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через аппараты с большим сопротивлением (сеть с изолированной нейтралью), либо непосредственно соединенная с заземляющим устройством – сеть с глухо-заземленной нейтралью.

При двухфазном включении ток, проходящий через тело человека, не уменьшается при изолировании человека от земли с использованием диэлектрических галош, бот, ковриков, полов.

П

Рис.14.2. Однофазное включение человека в трехфазную сеть с изолированной нейтралью:

КЭ – корпус электроустановки;

I_a, I_b, I_c – токи, стекающие на землю через сопротивление изоляции фазы (токи утечки)

Рис.14.3. Однофазное включение человека в трехфазную сеть с глухо-заземленной нейтралью:

R₀ – сопротивление заземления нейтрали

ри однофазном включении человека в сеть (рис.14.2., 14.3.) сила тока во многом определяется режимом нейтрали.

П ри однофазном включении в сеть с изолированной нейтралью (рис.16.2.) сила тока I_ч (А), проходящего через человека, составит:

U_ф

I_ч = -------------------------------------------------------------- (14.3.)

R_ч 1 + [R_из (R_из + 6R_ч)] / [9R_ч² (1 + R_из² ² C²)]

где  – круговая частота, Гц; С – емкость фаз относительно земли, Ф

Для упрощения формулы (14.3.) принято, что R_а = R_b = R_c = R_из, а С_а = С_b = С_с = С.

При однофазном включении ток, проходящий через тело человека, зависит от изолирования человека от земли с помощью диэлектрических приспособлений (галош, бот, ковриков, полов). В случае изолированной нейтрали (рис.14.2.), ток проходящий через тело человека может быть определен по формуле:

I_ч = U_ф / (R_ч + R_об + R_п + R_из/3) (14.4.)

где R_об – сопротивление обуви человека; R_п – сопротивление пола; R_из – сопротивление изоляции одной фазы относительно земли

Так как нейтраль изолированная, то сопротивление обуви человека R_об = 0, сопротивление пола R_п = 0, таким образом: I_ч = 220 / (1000 + 0 + 0 + 90000/3) = 0,007 А =

= 7 мА

При глухо-заземленной нейтрали (рис.14.3.), ток проходящий через тело человека может быть определен по формуле:

I_ч = U_ф / (R_ч + R_об + R_п + R₀) (14.5.)

где R₀ – сопротивление заземления нейтрали

Рассмотрим два варианта:

а) обувь сырая и/или имеет металлические набойки, следовательно, R_об = 0; пол – земляной или металлический, следовательно, R_п = 0; сопротивление заземления нейтрали значительно меньше сопротивления тела человека и значит им можно пренебречь; таким образом: I_ч = 220 / (1000 + 0 + 0 + 0) = 0,22 А = 220 мА – смертельный ток;

б) обувь непроводящая (например, галоши), R_об = 45000 Ом; пол – деревянный, R_п = 100000 Ом; сопротивление заземления нейтрали R₀ = 0; таким образом: I_ч = 220 /(1000+

+ 45000 + 100000 + 0) = 0,0015 А = 1,5 мА – ощутимый ток.

Явления, возникающие при замыкании фазы на землю. В случае аварии или нарушения нормальной работы электрооборудования, возможно замыкание на землю. Замыкание на землю существенным образом изменяет и напряжение токоведущих частей электроустановки относительно земли и заземленных конструкций здания. Замыкание на землю всегда сопровождается растеканием тока в грунте, что, в свою очередь, приводит к возникновению нового вида поражения человека, а именно попадание под напряжение прикосновения и напряжение шага. Такое замыкание может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.

В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое «поле (зона) растекания тока». Теоретически оно простирается до бесконечности, однако в реальных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя плотность тока растекания и потенциал практически равны нулю.

Характер потенциальной кривой растекания существенным образом зависит от формы заземлителя. Так, для одиночного полусферического заземлителя потенциал на поверхности земли будет изменяться по гиперболическому закону (рис.14.4.).

В

Рис. 14.4. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя:

 - изменение потенциала заземлителя на поверхности земли; _з – максимальный потенциал заземлителя при силе тока замыкания на землю I_з; r – радиус заземлителя

рис.8.3. из красного учебника

зависимости от места нахождения человека в зоне растекания и его контакта с электроустановкой б(рис.14.5.), корпус которой заземлен и находится под напряжением, человек может попасть под напряжение прикосновения U_пр, В, определяемое как разность потенциалов между точкой электроустановки, которой касается человек _з и точкой грунта, на которой он стоит _осн:

U_пр = _з - _осн = _з (1 - _осн / _з) = _з ₁ (14.6.)

где ₁ - коэффициент напряжения прикосновения, характеризующий форму потенциальной кривой.

И

Рис. 16.5. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе:

R_з - суммарное сопротивление грунта растеканию тока от заземлителя;

1 - потенциальная кривая; 2 - кривая, характеризующая изменение U_пр по мере удаления от заземлителя; 3 - пробой фазы на корпус

рис.8.4. из красного учебника

з рис.14.5. видно, что напряжение прикосновения будет максимальным при удалении человека от заземлителя на 20 м и более (электроустановка в) и численно равно потенциалу заземлителя U_пр = _з при этом ₁ = 1. Если же человек стоит непосредственно над заземлителем (электроустановка а), то U_пр = 0 и ₁ = 0. Это самый безопасный случай.

В

Напряжение шага - это напряжение между двумя точками земли в зоне растекания тока, расположенными не на одной эквипотенциальной окружности и находящимися на расстоянии шага. Величина напряжения шага U_ш в общем случае зависит от силы тока замыкания на землю I_з, удельного сопротивления грунта и от места нахождения человека в зоне растекания тока.

Из рис.14.6. видно, что по мере удаления от места замыкания величина U_ш (в отличие от U_пр) снижается и практически равна нулю на расстоянии, превышающем 20 м.

Так же как и для напряжения прикосновения, в общем случае шаговое напряжение U_ш (В)

ыражение (14.6.) позволяет вычислить U_пр без учета дополнительных сопротивлений в цепи человек - земля, т.е. без учета сопротивления обуви, сопротивления опорной поверхности ног и сопротивления пола. Все это учитывается коэффициентом ₂, поэтому в реальных условиях величина напряжения прикосновения будет еще меньше.

Рис.14.6. Шаговое напряжение при одиночном заземлителе: х - расстояние до измеряемой точки в зоне растекания тока; а - длина человеческого шага. Пояснения в тексте

определяется следующей формулой:

U_ш = _з ₁ ₂ (14.7.)

где ₁ - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, ₁ = (_х - _х+а) / _з < 1; ₂ - коэффициент, учитывающий сопротивление опорной поверхности ног, обуви