1. Защита от электрического тока

Защита от действия электрического тока обеспечивается конструкцией электроустановок, организационными и техническими мероприятиями, а также техническими способами и средствами защиты. Требования электробезопасности к конструкции электроустановок указан в “Правилах устройства электроустановок”(ПУЭ), в стандартах и технических условиях на соответствующие изделия.

Различают технические способы и средства, обеспечивающие защиту от случайного прикосновения к токоведущим частям и защищающие от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям электроустановок, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции или по иным причинам. Для защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям используют такие методы, как защитные ограждения, изоляция токоведущих частей (рабочая, дополнительная, двойная, цельная), изоляция рабочего места, малое напряжение, предупредительная сигнализация, блокировка, знаки безопасности. В случае перехода напряжения на нетоковедущие части электроустановок для защиты от поражения током необходимо применять : заземление, зануление, защитное отключение, выравнивание потенциалов, малое напряжение, двойную изоляцию, и разделительный трансформатор.

В учебном пособии рассмотрены расчет и проектирование устройств защитного заземления и зануления.

До начала проведения расчетов необходимо провести ситуационный анализ возможности электропоражения с учетом условий внешней среды и помещения, в котором размещена электроустановка. При этом необходимо проанализировать используемую электрическую сеть с учетом режима работы нейтрали и электроустановку по напряжению, мощности степени защиты и т.д.; определить токи, протекающие через тело человека, напряжения прикосновения и шага; сравнить полученные расчетные значения напряжений и токов с предельно допустимыми уровнями в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82.

По результатам ситуационного анализа должен быть сделан вывод об объеме мероприятий, технических и других средств защиты человека от поражения электрическим током

1.1 Расчет токов, протекающих через тело человека, и напряжений прикосновения при включении в электрическую цепь.

Опасность поражения человека электрическим током при включении его в электрическую цепь определяется целым рядом факторов, основными из которых являются величина тока, продолжительность его воздействия, род и частота тока, а так же сопротивление тела человека и путь протекания тока через тело человека.

Величина тока, протекающего через тело человека, в свою очередь, зависит от схемы включения человека в электрическую цепь, вида и напряжения электрической сети, режима её нейтрали( изолированная или заземленная), значений сопротивлений и емкостей токоведущих частей ( проводов, кабелей) относительно земли, значения сопротивления заземления нейтрали, питающего данную сеть трансформатора и т.д.

ПУЭ по условиям безопасности подразделяют все электрические сети и электроустановки на низковольтные с напряжением до 1000 В и высоковольтные с напряжением свыше 1000 В. В настоящее время наибольшее распространение получили низковольтные трехфазные сети переменного тока частотой 50 Гц с напряжением 220/172, 380/220, 660/380 В. Могут также использоваться однофазные сети переменного тока и сети постоянного тока.

Для всех возможных схем включения человека в цепь трехфазной электрической сети переменного тока, представлена в табл. 1.1, определим величину тока I_ч, протекающего через человека, и напряжение прикосновения U_пр.

1.При однофазном прикосновении к трехфазной сети с изолированной нейтралью возможен следующий вариант расчетов.

а) сеть с напряжением до 1000 В с большой длинной кабельных линий ( более 1-2 км), обладающая емкостью и сопротивлением изоляции фаз относительно земли. Ток через человека в этом случае при выполнении условий с₁=с₂=с₃=с и r₁=r₂=r₃=r определяется выражения:

, (1.1)

где U_ф- фазное напряжение сети, В; r – сопротивление изоляции фазы, Ом; с- емкость фазы относительно земли, Ф; - угловая частота потока, рад/с; f- циклическая частота тока, Гц; - сопротивление цепи человека, Ом, учитывающее сопротивление тела человека , подошвы обуви и сопротивление, на котором стоит человек, ;

б) Сеть напряжением до 1000 В небольшой протяженностью( длина воздушных или кабельных линий не более 1 км), обладающая малой емкостью фаз относительно земли.

№п/п	Характеристика сети	Схема включения в электрическую сеть
1	Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы
2	Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при аварийном режиме
3	Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при аварийном режиме
4	Четырех проводная сеть с глухозаземленной нейтралью при нормальном режиме работы
5	Четырех проводная сеть с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме работы
6	Четырех проводная сеть с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме работы
7	Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы

При прикосновении к фазе 1 при выполнении условия с₁=с₂=с₃=0, ток через тело человека определяется по формуле :

, (1.2)

где U_л – линейное напряжение сети; В; - сопротивления изоляции соответственно 1, 2 и 3 фазы относительно земли, Ом.

При условии, что r₁=r₂=r₃=r,

; (1.3)

в) Сеть, как правило, напряжением выше 1000 В, обладающая большой ёмкостью фаз и высоким сопротивлением изоляции фаз относительно земли. При условии с₁=с₂=с₃=с и r₁=r₂=r₃=∞ ток, проходящий через тело человека, равен:

, (1.4)

где ; с_i - удельная ёмкость провода или кабеля i-го участка одной фазы, Ф/км; - длина i-го участка, n- число участков.

2.Однофазное прикосновение к заземленному корпусу электроустановки в случае пробоя изоляции одной из фаз на данный корпус в сети с изолированной нейтралью. При условии с₁=с₂=с₃=0 и r₁=r₂=r₃=r ток через человека будет равен

(1.5)

где R₃ –сопротивление заземления электроустановки, Ом.

3.Однофазное прикосновение к сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме. Ток, проходящий через тело человека в этом случае, определяется из выражения:

(1.6)

где - сопротивление замыкания фазы на землю. Ом

4.Однофазное прикосновение к трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью. При этом ток через тело человека устанавливается из соотношения :

(1.7)

где - сопротивление заземления нейтрали трансформатора, В.

5.Однофазное прикосновение к зануленному корпусу электроустановки в случае пробоя изоляции одной из фаз на данный корпус в сети с глухозаземленной нейтралью. Ток, проходящий через тело человека в этом случае, составит (без учета повторных заземлений нулевого провода)

(1.8)

где - ток однофазного короткого замыкания, протекающий в цепи фаза – нуль, А; r_N , x_N - активное и внутреннее индуктивное сопротивление нулевого провода, Ом.

С учетом повторных заземлителей нулевого провода и при условии x_N=0

; (1.9)

Где Ом; R_n – сопротивление повторного заземления; m – число повторных заземлений.

6.Однофазное прикосновение к сети с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме. Ток через тело человека при этом рассчитывается по формуле :

(1.10)

если R_зм=0, то

если , то

7. Двухфазное прикосновение к трехфазной сети. Опасность поражения человека электрическим током при двухфазном прикосновении не зависит от вида сети, а ток через человека будет равен :

(1.11)

Во всех рассмотренных случаях рассчитанное значение силы тока позволяет определить напряжение прикосновения по формуле :

(1.12)

8. Двухфазное прикосновение к отключенной от питания сети человека, изолированного от земли. Такое включение в цепь равносильно прикосновению к обкладкам заряженного конденсатора, ток через тело человека определяется по закону показательной функции:

. (1.13)

Для предупреждения электропоражения разрядным током конденсатора после отключения от сети необходимо ускорить разрядку путем замыкания обкладок конденсатора на разрядное сопротивление. Величину разрядного сопротивления можно определить по формуле:

(1.14)

где t – время с момента отключения от сети до момента возможного прикосновения к конденсатору, с; - допустимое остаточное напряжение на конденсаторе (~12÷24 В).

Определим токи I₄ и напряжения прикосновения U_кр для представленных в таблице 1.2 возможных схем включения человека в цепь однофазной сети и сети постоянного тока.

Таблица 1.2

Схемы включения человека в цепь однофазной сети и сети постоянного тока.

№	Характеристика сети	Схема включения в электрическую цепь
1	Изолированная от земли однофазная сеть в нормальном режиме работы
2	Изолированная от земли однофазная сеть в аварийном режиме работы
3	Изолированная от земли однофазная сеть в аварийном режиме работы
4	Однофазная сеть с заземленным полюсом в нормальном режиме работы
5	Однофазная сеть с заземленной средней точкой в нормальном режиме работы
6	Изолированная от земли однофазная сеть в нормальном режиме работы
7	Однопроводная сеть постоянного тока в нормальном режиме работы
8	Двухпроводная сеть постоянного тока в нормальном режиме работы
9	Двухпроводная сеть постоянного тока в аварийном режиме работы

Для однофазных сетей и сетей постоянного тока емкостью проводов относительно земли можно пренебречь и принять С₁=С₂=0, поскольку однофазные сети переменного тока имеют небольшую протяженность (обычно воздушные сети напряжением до 1000В длинной до 1км), а в сетях постоянного тока ток утечки через емкость равен нулю.

1.При однополюсном прикосновении к изолированной от земли однофазной сети ток, протекающий через тело человека, определяется по формуле :

I₄= , (1.16)

где – напряжение в сети, В; - сопротивления изоляции соответственно 1 и 2 проводов, Ом; - сопротивления цепи человека, Ом.

Если = =r, то

I₄ = . (1.17)

2. При однополюсном прикосновении к заземленному корпусу электроустановки при пробое изоляции и замыкании фазы 1 на данный корпус в однофазной сети ток через человека рассчитывается по соотношению:

I₄= , (1.18)

где a=R₃/( ); - сопротивление заземления электроустановки, Ом.

Если = =r, то

I_{4 =} . (1.19)

3. При однополюсном прикосновении при аварийном замыкании на землю другого полюса в изолированной однофазной сети ток через человека определяется из выражения:

I₄ = , (1.20)

где - сопротивление замыкания провода на землю, Ом.

4. При однополюсном прикосновении к однофазной сети с заземленным полюсом ток через тело человека будет равен:

I₄ = , (1.21)

где, -сопротивление заземления полюса, Ом.

5. При однополюсном прикосновении к однофазной сети с заземленной средней точкой протекающий через человека ток рассчитывается по формуле:

I₄ = , (1.22)

где, – сопротивление заземления средней точки, Ом.

6. При двухполюсном прикосновении к изолированной однофазной сети ток устанавливается соотношением:

I₄ = . (1.23)

7. При прикосновении к полюсу однопроводной сети постоянного тока ток через тело человека определяется из уравнения:

I₄= , (1.24)

где r- сопротивление изоляции провода, Ом; - сопротивление заземления полюса генератора, Ом.

Для схем включения человека в электрическую цепь, обозначенных в табл 1.2 под №8 и №9, ток J₄ будет определяться соответственно по формулам (1.16) и (1.20).

Поскольку сопротивление тела человека электрическому току нелинейно и нестабильно, в расчетах условно принимают =1000 Ом.

Электрическое сопротивление обуви зависит от материала подошвы, состояния помещения и прилагаемого напряжения. Ориентировочно значения может быть определено с помощью табл 1.3

Таблица 1.3

Электрическое сопротивление подошвы обуви , к Ом

Помещение	Материал подошвы	Напряжение сети, В
		До 65	127	220	Свыше 220
Сухое	Кожа	220	150	100	50
	Кожинит	150	100	50	25
	Резина	500	500	500	500
Влажное и сырое	Кожа	1,6	0,8	0,5	0,2
	Кожинит	2,0	1,0	0,7	0,5
	Резина	2,0	1,8	1,5	1

Электрическое сопротивление основания (опорной поверхности ног на грунте) зависит от вида и влажности грунта. Если ступни ног расположены на земле рядом, то =2,2ρ, где ρ- удельное электрическое сопротивление грунта, Ом∙м. Когда ступни ног отстоят одна от другой на расстоянии шага, то принимают =1,5ρ.

Полученные расчетные величины J₄ и U_пр необходимо сравнить с соответствующими допустимыми значениями согласно ГОСТ 12.1.038-82 “Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и токов”. представленными в табл 1.5. Эти значения установлены стандартом для путей тока в теле человека “рука-рука” и “рука-ноги”.

Таблица 1.5

Предельно допустимые напряжения прикосновения U_доп и токи J_доп при нормальном режиме электроустановки 

Род тока	U, В	I, мА
	не более
Переменный, 50 Гц	2,0	0,3
Переменный, 400 Гц	3,0	0,4
Постоянный	8,0	1,0
Примечания: 1 Напряжения прикосновения и токи приведены при продолжительности воздействий не более 10 мин в сутки и установлены, исходя из реакции ощущения. 2 Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в три раза.

Предельно допустимые напряжения прикосновения U_доп и токи J_доп при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В сетей с глухозаземленной или изолированной нейтралью, и выше 1000 В в сетях с изолированной нейтралью, а также предельно допустимые уровни напряжения прикосновения U_доп и силы тока I_доп,, проходящего через тело человека в течение более 1 с, приведены в ГОСТ 12.1.038 – 82 (2001)

На основе сравнительного анализа расчетных и нормативных значений напряжения прикосновения и токов, проходящих через тело человека, с учетом используемой электрической сети сделать выбор наиболее эффективных методов и средств обеспечения электробезопасности.