Глава 11

ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

11.1. Основные сведения и определения

Эксплуатация электроустановок представляет опасность для жизни людей, что обусловливает необходимость соблюдения пра­вил техники безопасности. Опасность поражения электрическим током усугубляется еще и тем, что в токоведущих частях оборудо­вания нет каких-либо внешних признаков угрозы, предупрежда­ющих человека.

Значительное число несчастных случаев происходит в резуль-тате прикосновения человека к частям установки, которые в ра­бочем или аварийном режиме в результате нарушения изоляции оказались под напряжением. Тяжесть поражения человека элект­рическим током зависит от ряда факторов: силы тока и длитель­ности его воздействия; пути прохождения тока в теле человека; состояния окружающей среды; электрического сопротивления тела человека; частоты тока и др.

Сила тока, протекающего через тело человека, является глав­ным фактором, от которого зависит тяжесть поражения. Человек ощущает протекающий через него ток промышленной частоты : 50 Гц начиная со значений 0,6... 1,5 мА (пороговый ощутимый ток). Ток 10... 15 мА вызывает сильные и болезненные судороги мышц, которые 50 % людей преодолеть не в состоянии (пороговый неот пускающий ток).

Ток около 50 мА распространяет свое действие на мышцы груд­ной клетки и нарушает дыхание, а ток 100 мА, воздействуя на сердце, приводит к его фибрилляции, т.е. к быстрым хаотичес­ким сокращениям сердечной мышцы, при которых сердце пере­стает работать как насос.

Продолжительность протекания тока через тело человека так­же влияет на тяжесть поражения, так как с течением времени сопротивление кожи человека падает. При уменьшении продол­жительности воздействия токов их поражающее действие снижа­ется. Предельно допустимые токи, проходящие через тело челове-

Продолжительность

воздействия тока, с.......... 1

Допустимый ток, мА,

при напряжении 1 кВ...... 50

0,7 0,5 0,2 0,1 0,01...0,08

70 100 250 500

650

Существенно влияет на тяжесть поражения путь прохождения тока через тело человека (рис. 11.1). Наиболее опасными являются случаи, когда ток проходит через голову (голова — рука, голо­ва — нога), а также через грудную клетку (рука — рука, рука — нога).

Электрическое сопротивление тела человека определяется со­противлениями наружных слоев кожи и внутренних органов. Кожа в сухом и неповрежденном виде обладает значительным сопро­тивлением, а сопротивление внутренних органов обычно состав­ляет 300... 500 Ом. При увлажнении и загрязнении кожи ее сопро­тивление снижается. В расчетах электрическое сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом.

Рис. 11.1. Возможные пути прохождения тока через тело человека:

а — рука —рука; б — правая рука —обе ноги; в — левая рука —обе ноги; г — правая рука —правая нога; д — правая рука —левая нога; е — левая рука —левая нога; ж — левая рука—правая нога; з — обе руки —обе ноги; и — нога—нога; к — голова —обе руки; л — голова —обе ноги; м — голова —правая рука; н — голова —левая рука; о — голова—правая нога; п — голова—левая нога

Ток /_ч, проходящий через какой-либо участок тела человека, зависит от приложенного напряжения U_пр (напряжение прикос­новения) и электрического сопротивления тела человека R_ч:

1_ч=U_ир/R_ч. (11.1)

Окружающая среда усиливает или ослабляет опасность пора­жения током. На электрический ток, проходящий через тело че­ловека, оказывают влияние: состояние поверхности контакта че­ловека с токоведущими частями оборудования; наличие зазем­ленных металлических полов и конструкций, токопроводящей пыли; повышенная влажность помещений.

В зависимости от опасности поражения человека электричес­ким током ПУЭ подразделяют помещения, в которых размещает­ся электрооборудование, следующим образом.

1. Помещения без повышенной опасности — сухие, нежаркие с нетокопроводящими полами без металлоконструкций, токоп­роводящей пыли, например жилые, административные и другие общественные здания с деревянными, линолеумными и тому по­добными полами.

2. Помещения повышенной опасности — влажные (при отно­сительной влажности выше 75%), жаркие (температура 30 °С и выше), с токопроводящими полами (железобетонными, метал­лическими, земляными и т.д.), помещения, в которых имеется опасность одновременного прикосновения к металлическим кон­струкциям, трубопроводам, станкам и металлическим корпусам электрооборудования.

3. Помещения особо опасные — особо сырые помещения, в которых полы, стены и потолок покрыты влагой (например, про­парочные камеры), где влажность воздуха близка к 100%, поме­щения с химически опасной средой, воздействующей на изоля­цию.

Для каждой установки, работающей в тех или иных условиях, регламентируется определенный комплекс защитных мероприя­тий, позволяющих свести к минимуму вероятность электротрав­матизма.

При рассмотрении вопросов, связанных с электробезопаснос­тью, используют основные термины, принятые в ПУЭ.

Заземлителем называют металлические проводники, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляю­щим устройством называют совокупность заземлителя и заземля­ющих проводников. Заземлением какого-либо участка установки называют преднамеренное электрическое соединение ее с зазем­ляющим устройством.

Заземляющие устройства предназначены для создания надеж­ных малоомных заземлений определенных частей электрических машин, аппаратов, токопроводов и молниеотводов с целью обеспечения требуемых режимов работы электроустановок, защиты персонала от поражения электрическим током, грозозащиты и защиты от перенапряжений.

В соответствии с этим заземления подразделяют на рабочие, защитные и грозозащитные.

Рабочие заземления обеспечивают требуемый режим работы ус­тановки в нормальной эксплуатации. К ним относят заземления нейтралей силовых трансформаторов, генераторов, реакторов по­перечной компенсации на длинных ЛЭП, измерительных транс­форматоров напряжения, систем с использованием земли в каче­стве рабочего провода (электрифицированный транспорт) и др.

Защитным заземлением называют преднамеренное соединение с землей металлических частей электрической установки, нор­мально не находящейся под напряжением, благодаря чему ток через тело человека при прикосновении к корпусу с поврежден­ной изоляцией снижается до такого значения, которое не угро­жает жизни и здоровью.

Грозозащитное заземление необходимо для обеспечения эффек­тивной грозозащиты электроустановок. К грозозащитным зазем­лениям относят заземления стержневых и тросовых молниеотво­дов металлических крыш зданий и сооружений, металлических и железобетонных опор ЛЭП, разрядников.

Как правило, для выполнения заземления всех типов исполь­зуют одно заземляющее устройство.

Сопротивление заземляющего устройства представляет собой сумму сопротивлений заземлителя и заземляющих проводников. Сопротивление на участке растекания тока называют сопротив­лением растеканию. Сопротивление растеканию заземлителя без учета малого сопротивления заземляющих проводов определяют по формуле

где U₃ — напряжение на заземлителе относительно земли (точки, отстоящей на 20 м); /₃ — ток в заземлителе.

Под сопротивлением R₃ понимают не сопротивление между за землителем и почвой (оно незначительно), а в основном сопро­тивление почвы между заземлителем и поверхностью нулевого по­тенциала.

Замыканием на землю называют случайное соединение находя­щихся под напряжением частей электроустановки с конструктив­ными частями, не изолированными от земли. Током замыкания на землю называют ток, возникающий в земле в месте замыка­ния.

Электроустановками с большими токами замыкания на землю называют электроустановки напряжением выше 1000 В, в кото­рых однофазный ток замыкания на землю превышает 500 А.

380 В

Рис. 11.2. Схемы заземления в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью:

а — присоединение к нулевому проводу сети (правильно); б — применение ме­стного заземляющего устройства (неправильно)

Электроустановками с малыми токами замыкания на землю называют электроустановки напряжением выше 1000 В, в кото­рых однофазный ток замыкания на землю меньше 500 А.

Согласно ПУЭ, запрещается применение заземления корпусов электрооборудования без металлической связи с глухозаземлен­ной нейтралью, а также использование в одной и той же сети средств заземления с глухозаземленной и изолированной нейтра­лью. Схемы правильного и неправильного применения заземля­ющего металлического устройства в электроустановках с глухоза­земленной нейтралью показаны на рис. 11.2. Схема б не обеспечи­вает безопасность людей, поскольку при замыкании на корпус ток однофазного короткого замыкания потечет между двумя зазем-лителями и в результате может оказаться недостаточным для сраба­тывания защиты (в данном случае плавкого предохранителя).

Например, при фазном напряжении U = 220 В, сопротивле- нии растеканию заземлителя R₃ = 6 Ом и сопротивлении нейтрали R_м = 4 Ом напряжение прикосновения к корпусу заземленной ус­тановки U₃ = U_фR/(R₃ + Rn) = 220 • 6/(6 + 4) = 132 В. При этом напряжение нейтрали Un = Uф - Uз = 88 В является опасным для обслуживающего персонала, а ток замыкания на землю /₃ = = Uф/(R₃ + Rn) = 220/(6 + 4) = 22 А может оказаться недостаточ­ным для срабатывания защиты.

Напряжением прикосновения называют напряжение, возникаю­щее между точками К и М (рис. 11.3) в цепи тока заземления, которых может одновременно коснуться человек. Напряжение при­косновения

где ц>_к,

Укм = <?к~ Ц>м, потенциалы в точках К и М.

(11.3)

Рис. 11.3. Схема, поясняющая воз­никновение и изменение напряже­ния прикосновения

Рис. 11.4. Схема, поясняющая воз­никновение шагового напряжения

Для схемы, показанной на рис. 11.3, И_км = 220 - 0 = 220 В.

Шаговое напряжение представляет собой разность потенциалов, под которой могут оказаться ноги человека, находящиеся одна от другой на расстоянии шага («0,8 м) на поверхности с разными потенциалами.

Такое явление может произойти на поверхности, прилегаю­щей к опорам высоковольтных ЛЭП, ТП или иных установок в случае порчи средств защиты.

Для схемы, показанной на рис. 11.4, шаговое напряжение

^ = ф_я-_Фе] (11.4)

где ф_я, ф_г — потенциалы в точках опоры ног человека.

Шаговое напряжение зависит от напряжения ЛЭП. Максималь­ный потенциал будет в точке М, минимальный (нулевой) — в точке К, отстоящей от опоры ЛЭП на расстоянии Ь.

При падении человека указанное напряжение может возрасти примерно в 4 раза до

где ф„ — потенциал в новой точке опоры человека при его падении. Значение шагового напряжения 1/_ш в общем случае определя­ют как интеграл от напряженности электрического поля Епо длине шага /:

Рис. 11.5. Схема растекания тока за мыкания /₃ при полусферическом заземлителе

Рис. 11.6. Изменение напря женности Е электрического поля при растекании тока

На расстоянии от заземлителя х, значительно большем, чем длина шага /, шаговое напряжение можно считать обратно про­порциональным квадрату расстояния:

^ш ~ 2к х

.2 '

(11.7)

Шаговое напряжение достигает максимального значения на границе эквивалентной полусферы заземлителя:

2р/₃

л /)(/) + 21)'

(11.8)

где D — диаметр полусферы заземлителя (рис. 11.5).

На расстоянии 20 м от заземлителя шаговое напряжение сни­жается практически до нуля.

При растекании тока в грунте по радиальным направлениям (см. рис. 11.5) создается электрическое поле, напряженность E ко­торого изменяется по закону, близкому к гиперболическому (рис. 11.6). Для упрощения считаем заземлитель полусферическим.

При равномерном распределении тока в грунте вокруг зазем­лителя через все концентрические полусферы направлен ток за­мыкания на землю, плотность 5, А/м², которого убывает по мере увеличения диаметра полусферы. На некотором расстоянии х от заземлителя

(11.9.)

2пх

По известной плотности тока определяют напряженность Б, В/м, электрического поля в зоне растекания тока:

(11.10)

258

Падение напряжения U, обусловленное протеканием тока /₃ в грунте между заземлителем и точкой внутри земли на расстоянии х от заземлителя, определяют по разности потенциалов между ними:

В/2

р/,

(11.11)

При расстояниях, значительно больших диаметра D полусфе­ры заземлителя, можно пренебречь вычитаемым 1/х, тогда

U=

(11.12)

Сопротивление R₃ заземлителя зависит от его геометрической формы. Значения R₃ для заземлителей различных форм приводят­ся в справочной литературе.