5.5. Исследование опасности поражения током в трехфазных электрических сетях

Случаи поражения человека током возможны при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение. Опасность такого прикосновения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения и схемы сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей относительно земли.

В агропромышленном комплексе Российской Федерации применяются преимущественно сети переменного тока: трехфазные и однофазные. Трехфазные сети в зависимости от режима нейтрали источника тока разделяют на следующие:

• при напряжении до 1 кВ – с глухозаземленной нейтралью (присоединенной к заземлителю непосредственно или через малое сопротивление) и с изолированной нейтралью;

• при напряжении выше 1 кВ – с глухозаземленной или эффективно заземленной нейтралью и с изолированной нейтралью (не присоединенной к заземлителю или присоединенной через большое сопротивление).

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами (L2 и L3) и между одним проводом L3 и землей (рисунок 5.13). Во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей через сопротивление изоляции проводов относительно земли Z₁, Z₂, Z₃.

Рисунок 5.13 – Включение человека в цепь тока: а – двухфазное включение; б – однофазное прямое включение; в – однофазное косвенное включение

Применительно к трехфазным сетям первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую – однофазным (рисунок 5.13).

Двухфазное включение – прикосновение человека одновременно к двум фазам, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека проходит ток:

(5.24)

где – линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами L1, L2, L3 сети; U – фазное напряжение, т. е. напряжение между началом и концом одной обмотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевым проводами (при наличии последнего).

Двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. При этом изоляция человека от земли, например с помощью диэлектрического коврика, не уменьшит опасность поражения.

Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, обычно меньше линейного. Соответственно меньше будет и ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на значение проходящего через тело человека тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции и емкость проводов относительно земли, сопротивление основания, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и другие факторы.

Рассмотрим трехфазные сети напряжением до 1 кВ при нормальном и аварийном режимах работы. Это сети трехпроводные с изолированной нейтралью и сети с глухозаземленной нейтралью. Последние бывают пятипроводными, содержащими кроме трех фазных два нулевых проводника: рабочий N (neutral) и защитный РЕ (protection earth), и четырехпроводными, в которых нулевые проводники объединены в один PEN-проводник, совмещающий функции N- и РЕ-проводников.

В целях упрощения анализа сетей принимаем, что тело человека обладает только активным сопротивлением R_h, а сопротивление грунта растеканию тока с ног человека R_гр и сопротивление его обуви R_об равными нулю. В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью (рисунок 5.14) ток, проходящий через тело человека, при прикосновении к одной из фаз сети в период ее работы в нормальном режиме (рисунок 5.14, а) определяют в комплексной форме следующим выражением:

(5.25)

где Z_ф – полное комплексное сопротивление одной фазы относительно земли:

(5.26)

где r и С – соответственно активное сопротивление изоляции провода и емкость провода относительно земли (приняты для упрощения одинаковыми для всех проводов сети); ω – угловая частота изменения напряжения в сети; j – мнимая единица ( ).

Рисунок 5.14 – Однофазное прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью: а – при нормальном режиме; б – при аварийном режиме

Ток в действительной форме определяют следующим уравнением:

(5.27)

Если емкость проводов относительно земли С  0, что обычно имеет место в воздушных сетях небольшой протяженности, то данное уравнение примет вид:

(5.28)

Отсюда следует, что с увеличением активного сопротивления изоляции r провода опасность поражения током уменьшается. Поэтому важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции провода (не менее 0,5 МОм) и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.

Если же сопротивление изоляции провода r относительно велико, что обычно имеет место в кабельных сетях, ток, протекающий через тело человека, можно определить по следующей формуле:

(5.29)

Отсюда следует, что в таких сетях ток, проходящий через тело человека, зависит от величины емкости фаз относительно земли.

Таким образом, в сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме ее работы ток, протекающий через тело человека при однофазном прикосновении, зависит от активного сопротивления r изоляции проводов и их емкости С относительно земли. Этот ток, а следовательно, и опасность поражения будут незначительными, если обеспечить достаточно большое значение r и малое – С.

При аварийном режиме работы сети, когда возникло замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление r_зм, ее напряжение относительно земли снижается. При этом напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения (рисунок 5.14, б). Таким образом, этот случай прикосновения во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

В трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью, при ее нормальном режиме работы, активная и емкостная составляющие сопротивления изоляции проводов относительно земли намного больше сопротивления заземления нейтрали. Поэтому при определении тока, проходящего через тело человека, касающегося фазы сети, последними можно пренебречь. Тогда ток (рисунок 5.15, а), проходящий через тело человека:

(5.30)

где r₀ – сопротивление заземления нейтрали.

Поскольку r₀ намного меньше R_h (r₀ ≤ 4 Ом), то можно пренебречь значением r₀ и считать, что человек оказывается практически под фазным напряжением U, а ток I_h  U/R_h. Если, например U = 220 В, R_h = 1000 Ом, то ток I_h = 220 мА и представляет существенную опасность для жизни человека. Ограничить этот ток можно, увеличив сопротивление в цепи тела человека, например, используя диэлектрическую обувь, диэлектрические коврики, изолирующие подставки.

Рисунок 5.15 – Однофазное прикосновение человека к проводу трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью: а – при нормальном режиме; б – при аварийном режиме

При аварийном режиме работы одна из фаз сети замкнута на землю через относительно малое сопротивление r_зм (рисунок 5.15, б). При этом r_зм > r₀. Тогда напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с заземленной нейтралью, всегда меньше линейного и немного больше фазного. Таким образом, прикосновение к исправной фазе сети с заземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.

Выбор схемы сети, а следовательно, и режима нейтрали источника тока производится, исходя из технологических требований и из условий безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение часто отдается пятипроводной (ранее – четырехпроводной) сети с глухозаземленной нейтралью, поскольку она позволяет использовать два рабочих напряжения: линейное и фазное.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов и когда емкость сети относительно земли незначительна. Такими являются мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети теплиц, шахт, торфоразработок, электротехнических лабораторий и т. п.

Сеть с заземленной нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды и пр.), когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда емкостные токи сети достигают больших значений, опасных для человека. Это, как правило, сети жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок.

При напряжении выше 1 кВ по технологическим требованиям сети напряжением до 35 кВ включительно имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ – заземленную. Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов относительно земли, для человека является одинаково опасным прикосновение к проводу сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Поэтому режим нейтрали сети напряжением выше 1 кВ выбирается по экономическим условиям, а не по требованиям безопасности.

Защиту человека и животных от поражения электрическим током трудно обеспечить при неисправных электроустановках. Основные причины аварий в электроустановках: короткие замыкания (контакт фазных либо фазного и нулевого проводников через малое сопротивление) и длительные перегрузки, изнашивающие изоляцию.