2.11. Электробезопасность
В современных образовательных учреждениях широко применяются в специализированных учебных кабинетах электроприборы и установки. В отличие от других источников опасности электрический ток невозможно обнаружить без приборов дистанционно, поэтому воздействие его на человека всегда неожиданно. Опасность поражения током возникает при непосредственном соприкосновении человека с оголенными токоведущими частями электроустановок, при прикосновении к металлическим корпусам приемников, случайно оказавшихся под напряжением, а также в результате так называемого шагового напряжения, появляющегося вблизи мест замыкания токоведущих частей на землю.
Электротравматизм по сравнению с другими видами производственного травматизма составляет небольшой процент (2–3 %), однако по числу травм с тяжелым, и особенно летальным, исходом занимает одно из первых мест.
Электротравмы происходят по следующим причинам:
– организационные (нарушение требований правил и инструкций, недостатки в обучении персонала);
– технические (ухудшение электрической изоляции, отсутствие ограждений, сигнализации и блокировки, дефекты монтажа и др.);
– психофизиологические (переутомление, несоответствие психофизиологических показаний данной профессии и др.).
Виды травм, связанных с воздействием электрической энергии на человека, могут быть различны по тяжести и зависят от ряда факторов, в том числе от строения живого организма, напряжения, рода и частоты тока, длительности действия тока и пути его протекания, схемы включения тела человека в электрической цепи, условий окружающей среды.
Проходя через тело человека, электрический ток оказывает термическое, электролитическое, биологическое, механическое и световое действия.
Термическое действие тока вызывает нагрев и ожоги участков тела. Электролитическое действие тока заключается в электролитическом разложении жидкостей в организме человека, в том числе и крови. Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей и сопровождается непроизвольным судорожным сокращением мышц легких и сердца. Это ответные реакции организма, которые обусловлены нарушением биоэлектрических процессов, протекающих в организме человека.
Механическое действие приводит к разрыву ткани. Световое – к поражению глаз. Электрический ток приводит к двум видам поражения: электрическим травмам и электрическим ударам.
Электрические травмы – это местные поражения тканей и органов. К ним относятся: электрические ожоги, электрические знаки и электрометаллизация кожи, механические повреждения в результате непроизвольных судорожных сокращений мышц при протекании тока (разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервов, вывихи суставов, переломы костей), а также электроофтальмия – воспаление глаз в результате воздействия ультрафиолетовых лучей электрической дуги.
Наиболее опасным принято считать электрический удар, приводящий к остановке работы сердца и легких. Оба вида травмы могут сопутствовать друг другу.
Степень воздействия электрического тока на живой организм зависит от величины и длительности протекания тока, электрического сопротивления человека, рода, частоты и пути прохождения тока. Основным поражающим фактором является сила тока, протекающего через тело человека, обусловливающая различную реакцию организма: от ощущения легкого зуда (0,6–1,5 мА, частоты 50 Гц и 5–7 мА постоянного тока) до непроизвольного судорожного сокращения тканей мышц (25 мА переменного и 80 мА постоянного токов), а также фибрилляция сердца и его остановка (100 мА и выше). Здесь мА – миллиампер равный 0,001 А.
При выборе и расчете технических устройств и других средств защиты учитываются три основных параметры: сила тока I, протекающего через тело человека, напряжение прикосновения U и длительность протекания тока t.
Напряжение прикосновения – это разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек. Если человек одновременно касается двух проводников электрической цепи, то напряжение прикосновения будет равно напряжению источника.
В случае прикосновения человека к поврежденной установке, имеющей заземление, напряжение прикосновения будет гораздо ниже напряжения источника, так как любое заземляющее устройство снижает потенциал корпуса электроустановки, оказавшегося под напряжением, до допустимого значения (при условии выполнения требований к конструкции и величине сопротивления заземляющего устройства согласно «Правилам устройства электроустановок» – сокращенно ПУЭ [271]).
Напряжение шага – это разность электрических потенциалов двух точек на поверхности земли, на которых одновременно стоит человек.
Постоянный ток менее опасен, чем переменный (в 4 – 6 раз по сравнению с током промышленной частоты). Самым опасным является ток частотой 70 Гц. Ток промышленной частотой 50 Гц равноценен по опасности такому же току частотой 100 Гц. С ростом частоты значения поражающих токов увеличиваются, т. е. опасность поражения уменьшается.
Путь, или петля, тока в организме человека во многом определяет тяжесть поражения. Различают так называемые большие (полные) петли, которые захватывают область сердца (через сердце проходит 8–12 % общего значения тока), и малую петлю, когда через сердце проходит до 0,4 % всего тока. К большим петлям относятся следующие пути тока: «рука – рука», «правая рука – ноги», «левая рука – ноги», «голова – рука», «голова – ноги». Малой петлей является путь тока «нога – нога». Поражения человека электрическим током, протекающим по большим петлям, являются преобладающими по частоте случаев электротравматизма (до 94 % общего числа) и носят более тяжелый характер (более 80 % пострадавших теряли сознание).
Сила тока, проходящего через организм человека, определяется приложенным напряжением и суммарным электрическим сопротивлением цепи, в которую оказался включенным человек, имеющий свое электрическое сопротивление. Сопротивление тела человека (омическое) складывается из внутреннего и наружного сопротивлений. Основной составляющей является наружное сопротивление рогового слоя кожи (эпидермиса). Если принять сопротивление кожи в относительных единицах за 100 %, то сопротивление внутренних тканей составит 15–20 % (600–800 Ом), а нервных волокон – не более 2,5 %. В качестве расчетной величины сопротивления тела принято значение 1 кОм (1000 Ом), однако в реальных условиях для конкретного человека эта величина может меняться в широких пределах.
На сопротивление организма воздействию электрического тока оказывают влияние многие факторы, в том числе физическое и психическое состояние человека. Повреждение или заболевание кожных покровов, общее недомогание, усталость, голод, алкогольное опьянение или наркотическое отравление, эмоциональное возбуждение значительно снижают сопротивление. Так, при сухой и неповрежденной коже ее сопротивление у здорового человека может достигать 20 кОм; пот или загрязнение кожи снижают эту величину в 12–15 раз. Электрическое сопротивление человека, находящегося в воде, уменьшается в 25 раз. На величину сопротивления влияют также приложенное напряжение и длительность нахождения человека под ним. Чем выше напряжение, тем меньше сопротивление тела. Чем больше времени человек оказался включенным в электрическую цепь, тем тяжелее последствия травмы, так как с течением времени резко увеличивается сила тока из-за уменьшения сопротивления и накапливаются отрицательные последствия воздействия тока на организм.
Пороговые значения поражающих токов зависят от продолжительности их воздействия на организм. Для электрического тока промышленной частоты они составляют 500 мА – при длительности 0,1 с; 100 мА – при длительности 0,5 с; 50 мА – при длительности 1 с. С учетом этого принято различать кратковременное (до 1 с) и длительное (1 с и более) воздействия тока на человека.
Условия поражения электрическим током
Поражение электрическим током происходит в результате прямого или косвенного прикосновения, а также недопустимого приближения человека к металлическим частям, находящимся или оказавшимся под напряжением.
Прямым называется прикосновение к неизолированным токоведущим частям, нормально находящимся под напряжением (оголенные провода, шины, клеммы, контакты и т. п.). Прикосновения к нетоковедущим, но токопроводяшим (металлическим) частям оборудования, инструмента или инженерных сооружений, оказавшихся под напряжением, относятся к косвенным.
Прямые прикосновения случаются, как правило, по вине человека – самого пострадавшего либо должностного лица, не обеспечившего безопасность. Косвенные прикосновения происходят из-за пробоя изоляции по тем или иным причинам, не связанным с действиями пострадавшего, и могут рассматриваться как отказ техники.
Условия поражения электрическим током при прямом и косвенном прикосновениях определяются видом и параметрами электрической сети, типом прикосновения, применяемыми способом и средствами защиты, классом опасности помещения (условий работ) и степенью изоляции человека от земли (под землей понимается точка почвы с нулевым потенциалом).
Прямые прикосновения к токоведущим частям могут быть однополюсными и двухполюсными. При однополюсном прикосновении человек, стоящий на земле, касается рукой или головой неизолированных токоведущих частей (рис. 5, а; 6, а).
Ток протекает по пути «рука – нога» или «голова – нога». При двухполюсном прикосновении человек, изолированный от земли, двумя руками или головой и одной рукой касается неизолированных проводов разных фаз или фазного и нулевого провода (рис. 5б; 6б). Изоляция человека от земли может обеспечиваться сопротивлением пола и обуви. В этом случае ток проходит по пути «рука – рука» или «голова – рука».
Наиболее опасными являются двухполюсные прикосновения во всех видах сетей, при которых человек попадает под линейное напряжение.
а)
б)
Рис. 5. Трехфазные электрические сети с изолированной нейтралью: а) однополюсное прикосновение; б) двухполюсное прикосновение; rА, rB, rC, CA, СВ, СС – соответственно омические и емкостные сопротивления изоляции фаз С, В, А относительно земли; Iч – ток, протекающий через человека
Рис. 6. Трехфазные электрические сети с изолированной нейтралью: а) однополюсное прикосновение; б) двухполюсное прикосновение; C, В, A, N – фазы; Iч – ток, протекающий через человека; R0 – сопротивление заземлителя в центральной точке трансформатора на подстанции
Однополюсные прикосновения во всех сетях с глухозаземленной нейтралью также опасны. В сетях с изолированной нейтралью вследствие очень большого сопротивления между фазами и землей величина тока, проходящего через человека, при однополюсном прикосновении будет малой, равной величине тока утечки, и поражения не произойдет. В этом отношении сети IT более безопасны, чем сети ТТ и TN.
Косвенные прикосновения являются однополюсными. По опасности поражения они соответствуют прямым однополюсным прикосновениям. Величина тока, протекающего через человека при косвенном прикосновении, зависит от напряжения прикосновения. Для человека, стоящего на земле и касающегося заземленного оборудования, корпус которого оказался под напряжением, таким напряжением прикосновения будет являться разность потенциалов руки и ноги. Потенциал руки Фр равен фазному потенциалу, так как в результате пробоя изоляции фазы появилось напряжение на корпусе. Потенциал ноги Фн определяется потенциалом точки грунта в поле растекания тока в земле, на которой находится человек (рис. 7).
Тогда напряжение прикосновения Unp, В, определится по выражению
Uпp = Фр – Фн = Iзr(1/r–1/c)/2p,
где Iз – ток, стекающий через заземлитель, А; r – удельное сопротивление грунта, Ом·м; r – радиус заземлителя, м; c – расстояние от человека, стоящего на грунте, до заземлителя, м.
Напряжение прикосновения по мере удаления от заземлителя увеличивается и на расстоянии более 20 м становится равным фазному напряжению сети. Поражение человека электрическим током может произойти также вследствие его попадания под шаговое напряжение. В этом случае ток протекает в теле человека по пути «нога – нога». Напряжением шага называется разность потенциалов между двумя точками земли, на которые одновременно опирается человек при перемещении в поле растекания тока в земле.
Рис. 7. Напряжение прикосновения к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением: I – потенциал растекания тока в грунте, II – напряжение прикосновения, R3 – сопротивление заземлителя, Uпр1, Uпр2, Uпр3 – напряжения прикосновения, U3 – напряжение заземлителя
При пробое изоляции на корпус установки, присоединенной к заземлителю, обрыве и падении находящегося под напряжением фазного провода на землю потенциалы земной поверхности или токопроводящего пола приобретают повышенные значения. Наибольший потенциал, равный потенциалу заземлителя или фазы, имеет точка земли, расположенная непосредственно над заземлителем или в месте касания упавшего провода с землей. По мере удаления от этой точки в любую сторону потенциалы точек земной поверхности снижаются по закону, близкому к гиперболическому (рис. 8).
На расстоянии 20 м от заземлителя зона растекания тока заканчивается – потенциалы земли имеют нулевое значение.
Человек, двигаясь от периметра зоны растекания к центру, одновременно касается двух точек земли с разными потенциалами. Напряжение шага Uш, В, определяется по формуле:
Uш = Фза/r (c2 + аc),
где Фз – потенциал заземлителя (провода); а – ширина шага, м (для взрослого человека – 0,8 м); r – радиус заземлителя (провода), м; c – расстояние от заземлителя до ближней точки касания человеком поверхности земли, м.
Рис. 8. Напряжение шага: Uш1, Uш2 – напряжение шага, U3 – напряжение заземлителя, c – расстояние от заземлителя до ближайшей точки касания человеком поверхности земли, а – ширина шага
Напряжение шага зависит от трех факторов: потенциала заземлителя; расстояния от человека до заземлителя (при удалении от заземлителя напряжение уменьшается, обращаясь в нуль за пределами зоны растекания) и ширины шага (чем она больше, тем больше напряжение). Опасность воздействия напряжения шага на человека заключается в том, что при протекании тока возникают судороги мышц ног, которые могут привести к падению человека на землю. При этом изменяется путь тока в теле (возникает большая петля) и увеличивается напряжение шага из-за увеличения расстояния между точками контакта человека с землей. Эти факторы могут вызвать тяжелое поражение организма электрическим током.
Все помещения, в которых используются электропотребители и производятся работы, в отношении опасности поражения людей электрическим током подразделяются на следующие категории: без повышенной опасности; с повышенной опасностью; особо опасные.
Для помещений с повышенной опасностью характерно наличие одного из следующих признаков:
– сырости, когда относительная влажность воздуха длительное время превышает 75 %;
– длительно высокой (более 30 °С) температуры;
– токопроводящей пыли, когда по условиям производства выделяется технологическая пыль, снижающая сопротивление изоляции проводов, электрических машин и других электроприемников; токопроводящего пола (земляного, металлического, железобетонного и др.);
– возможности одновременного прикосновения работника к металлическим корпусам оборудования и заземленным металлоконструкциям.
Особо опасные помещения характеризуются особой сыростью, когда влажность воздуха близка к 100 %, а потолок, стены, пол и поверхности оборудования покрыты влагой; химически активной средой, которая разрушает изоляцию проводов и электрооборудования; наличием двух и более факторов повышенной опасности.
Работы вне помещений (на открытом воздухе, под навесом, за сетчатым ограждением) приравниваются по опасности поражением электрическим током к работам в особо опасных помещениях. К категории особо опасных относятся также работы с электрооборудованием (электроинструментом) в металлических замкнутых пространствах с ограниченной возможностью выхода (баки большой емкости, канализационные и водопроводные колодцы; смотровые канавы на предприятиях автомобильного транспорта и другие).
Степень изоляции человека от земли определяется переходным сопротивлением от тела к земле, включающим сопротивление обуви и пола. Сопротивление обычной рабочей обуви, которая в большинстве случаев загрязнена токопроводящими веществами, имеет металлические крепители подошвы или внедренные в нее частицы металлической стружки, минимально и не уменьшает ток замыкания на землю. Электрическое сопротивление пола зависит от материала покрытия и его состояния. Например, сухое деревянное покрытие имеет сопротивление до 15 МОм (15–106 Ом), а увлажненное – в 1000 раз меньше; бетонный пол в неотапливаемых помещениях с повышенной влажностью – не более 300 Ом; железобетонный пол с проступающей армирующей сеткой или бетонный, загрязненный охлаждающей жидкостью и металлической стружкой,– всего 8 – 90 Ом.
Методы и средства защиты от поражения
электрическим током в электроустановках
Электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. Конструкция электроустановок должна удовлетворять требованиям правил устройства электроустановок в соответствии с ее назначением. Для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего электроустановки, используются как отдельные защитные средства и способы, так и их сочетание, т. е. системы защиты. Защитой от прикосновения к токоведущим частям электроустановок является изоляция проводов, ограждения, блокировка и защитные средства.
Изоляция проводов характеризуется ее электрическим сопротивлением. Высокое сопротивление изоляции проводов относительно земли и корпусов электроустановок создает безопасные условия для обслуживающего персонала. Во время работы электроустановок состояние электрической изоляции ухудшается за счет нагревания, механических повреждений, влияния климатических условий и окружающей производственной среды (химически активных веществ и кислот, температуры, давления, большой влажности или чрезмерной сухости).
Различают изоляцию рабочего места и изоляцию в электроустановках. Изоляция рабочего места как способ защиты используется при невозможности выполнения заземления, зануления и защитного отключения. На рабочем месте изолируется от земли пол, настил, площадка и т. п., а также все металлические детали, потенциал которых отличается от потенциала токоведущих частей и прикосновение к которым является предусмотренным или возможным. Изолированное рабочее место обустраивается таким образом, чтобы работник ни при каких условиях не смог одновременно прикоснуться к обслуживаемому электрооборудованию и каким-либо заземленным элементам здания или другого оборудования.
В электроустановках применяются следующие виды изоляции:
– рабочая изоляция – электрическая изоляция токоведущих частей (проводов, шин и т. п.), обеспечивающая предотвращение коротких замыканий в электроустановке и защиту человека от поражения электрическим током;
– дополнительная изоляция – электрическая изоляция нетоковедущих в нормальном состоянии частей электроустановки, предусмотренная дополнительно к рабочей изоляции токоведущих частей, для защиты человека в случае повреждения (пробоя) рабочей изоляции;
– двойная изоляция – электрическая изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной изоляции;
– усиленная изоляция – улучшенная рабочая изоляция с такой же степенью защиты от поражения электрическим током, как и у двойной изоляции.
В настоящее время промышленность выпускает электроустановки различных классов защиты от поражения электрическим током.
Для электроустановок, имеющих только рабочую изоляцию, установлен нулевой класс. В производственных условиях эти установки должны в обязательном порядке иметь зануление или заземление, а также другие виды защиты. Бытовые электроприборы этого класса не имеют дополнительной электрической защиты, поэтому их использование допускается только в помещениях без повышенной опасности.
Электроустановкам, имеющим двойную изоляцию, присвоен II-й класс. Все электроинструменты с движущимся рабочим органом, ручные светильники, а также большинство электроприборов имеют II-й класс защиты от поражения электрическим током. Корпусные части таких инструментов защищают от поражения электрическим током не только при пробое изоляции внутри корпуса, но и при случайном прикосновении рабочего органа к токоведущим частям обрабатываемого изделия. Они без дополнительных средств защиты могут применяться в помещениях любых категорий опасности. Электроустановки, имеющие двойную изоляцию и металлический корпус, запрещается занулять или заземлять. На паспортной табличке таких изделий помещается специальный знак – квадрат внутри квадрата.
Усиленная изоляция используется только в тех случаях, когда двойную изоляцию затруднительно применять по конструктивным причинам, например в выключателях, щеткодержателях и др.
Ограждения применяются сплошные и сетчатые. Они должны быть огнестойкими. В установках напряжением выше 1000 В должны соблюдаться наименьшие допустимые расстояния от токоведущих частей до ограждений, которые нормируются ПУЭ [271].
Блокировка применяется в электроустановках, в которых производятся работы на ограждаемых токоведущих частях. Она автоматически обеспечивает снятие напряжения с токоведущих частей электроустановок при проникновении к ним без санкционированного доступа.
Защитой от напряжения, появившегося на корпусах электроустановок в результате нарушения изоляции, являются защитное заземление, зануление и защитное отключение.
Защитное заземление устраивается в электрических сетях с изолированной и с заземленной нейтралями. Оно представляет собой преднамеренное соединение с землей нетоковедущих металлических корпусах электроустановок.
Защитное заземление необходимо для снижения напряжения относительно земли до безопасной величины на металлических корпусах электроустановок, нормально не находящихся под напряжением и оказавшихся под таковым в результате повреждения изоляции. В зависимости от напряжения, мощности и режима нейтрали электроустановки в ПУЭ [271] приводятся допустимые значения сопротивления заземляющего устройства, которые должны быть не более 0,5; 2; 4 и 8 Ом.
Зануление устраивается в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В, так как одно защитное заземление не обеспечивает достаточно надежной и полноценной защиты. Занулением называется преднамеренное соединение корпусов электроустановок с нулевым проводом, идущим от заземленной нейтрали источника тока. Принцип действия зануления – это превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание, при котором срабатывает защита (плавкие предохранители, автоматы), и электроустановка отключается. Занулению подлежат практически все станки, электрические двигатели, цеховые металлические светильники и др.
В ГОСТ 12.4.155-85 ССБТ «Устройства защитного отключения. Классификация. Общие технические требования» [272] описаны виды и возможности использования защитного отключения для улучшения защиты людей от поражения электрическим током.
Защитное отключение – это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека током (при замыкании на корпус, снижении на корпус, снижении сопротивления изоляции сети, а также в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущей части). Защитное отключение рекомендуется применять в качестве основной или дополнительной меры защиты, если безопасность не может быть обеспечена с помощью заземления или зануления, либо если эти устройства вызывают трудности в применении, или по экономическим соображениям.
Электрозащитные средства предназначены для защиты людей, работающих с электроустановками, от поражения электрическим током и воздействия электрической дуги и электромагнитного поля. К ним относятся: изолирующие штанги (оперативные, для наложения заземления, измерительные), изолирующие (для операций с предохранителями) и электроизмерительные клещи, указатели напряжения и фазировки: диэлектрические перчатки, боты, галоши, коврики, изолирующие накладки и подставки, переносные заземления, плакаты и знаки безопасности. При работе с электроустановками при необходимости следует применять средства индивидуальной защиты (очки, каски, противогазы, страховочные канаты и др.). Некоторые из них описаны в [[185-188, 232, 234, 273-285].
Для обеспечения электробезопасности надо выполнять рекомендации соответствующих инструкций, например, Межотраслевой типовой инструкции по охране труда при работе с ручным электроинструментом ТИ Р М-073-2002 [286], Типовой инструкции по охране труда при проведении электрических измерений и испытаний ТИ Р М-074-2002 [287] и ГОСТ Р МЭК 335-1-94 (2002) «Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Общие требования и методы испытаний» [288].
Главным условием для успеха при оказании первой помощи пострадавшим от электрического тока является быстрое освобождение пострадавшего от действия тока и переход к правильному оказанию медицинской помощи, для чего:
– освободить пострадавшего от воздействия электрического тока (отключить установку, оттащить пострадавшего за одежду от установки);
– уложить пострадавшего на твердую поверхность, осмотреть и определить его состояние;
– приступить к оказанию доврачебной медицинской помощи. Если пострадавший без сознания, то нужно привести его в сознание, давая нюхать нашатырный спирт. Если пострадавший плохо дышит (редко, судорожно) или отсутствуют признаки жизни (дыхание, биение сердца, пульс), то необходимо сделать искусственное дыхание и непрямой массаж сердца.
Если у пострадавшего хорошо прослеживается пульс, то нужно сделать только искусственное дыхание. Искусственное дыхание надо производить по способу «рот в рот», при котором оказывающий помощь делает выдох воздуха из своих легких в легкие пострадавшего непосредственно через рот с интервалом 5 секунд (12 дыхательных циклов в минуту).
Для поддержания кровообращения у пострадавшего в случае прекращения работы сердца необходимо одновременно с искусственным дыханием производить непрямой (закрытый) массаж сердца (рис. 9).
Рис. 9. Закрытый массаж сердца
Если оживление ведет один человек, то через каждые два вдоха делается 15 надавливаний на грудину. За минуту надо делать не менее 12 вдуваний воздуха и 60 надавливаний, то есть быстро проводить реанимацию, делая не менее 72 манипуляций в минуту.
При участии в помощи двух человек соотношение «дыхание - массаж» составляет 1:5. При участии в помощи двух человек соотношение «дыхание – массаж» составляет 1:5. В некоторых случаях, когда сердце остановилось у здорового человека, достаточно сделать несколько надавливаний на грудную клетку, чтобы восстановить естественную работу сердца. Оказание доврачебной помощи может быть длительным, так как в конечном итоге заключение о смерти может сделать только врач. Причиной длительного отсутствия пульса у пострадавшего при появлении других признаков оживления (восстановление самостоятельного дыхания, сужение зрачков и др.) может быть фибрилляция сердца. Однако и в этом случае нужно продолжать оживление до прибытия врача.