Условия и основные причины поражения человека электрическим током

При изучении причин электротравматизма необходи­мо различать Прямой контакт человека 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.

Поражение человека электрическим током возможно лишь при его непосредственном контакте с точками элект­роустановки, между которыми существует разность по­тенциалов, или с точкой, потенциал которой отличается от потенциала земли. Опасность такого прикосновения оценивается величиной тока, проходящего через тело че­ловека, или напряжением прикосновения. Напряжение прикосновения - это напряжение между точками цепи тока, которых одновременно касается человек (ГОСТ 12.1.009). Необходимо иметь в виду, что электрическая цепь - это совокупность устройств и объектов, образую­щих путь для электрического тока, электромагнитные процессы В котором могут быть описаны с помощью поня­тий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

В свою очередь, напряжения прикосновения и токи, проходящие через тело человека, зависят от схемы вклю­чений его в электросеть, ее напряжения, схемы самой се­ти; режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей, их емкостной составляющей относительно земли и многих других факторов. Выбор схемы сети и, соответ­ственно, режима нейтрали источника тока определяется как технологическими требованиями (величина рабочего напряжения, протяженность сети, количество потребите­лей и т. п.), так и условиями безопасности.

Трехфазные сети различаются в зависимости от режи­ма нейтрали и наличия нулевого провода (рис. 3.1).

Нейтралью называется точка соединения обмоток трансформатора или генератора, не присоединенная к за­земляющему устройству, либо присоединенная к нему че­рез аппараты с большим сопротивлением (сеть с изолиро­ванной нейтралью), либо-непосредственно соединенная с заземляющим устройством (сеть с глухозаземленной нейтралью).

В соответствии с ПУЭ глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосред­ственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока). В свою очередь, изолированной цейтралью называется нейтраль трансформатора или гене­ратора, не присоединенная к заземляющему устройртву или присоединенная к нему через приборы сигнализации, изме­рения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы и по­добные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Правила устройства электроустановок предусматрива­ют использование при напряжениях до 1000 В лишь двух схем трехфазных сетей: трехпроводной с изолированной нейтралью и четырехпроводной с глухозаземленной нейт­ралью. По технологическим требованиям предпочтение от­дается четырехпроводной сети, так как в ней возможно при­менение двух рабочих напряжений - линейного и фазного.

Схемы включения человека в электрическую цепь. могут быть различными. Однако наиболее распространенными при­менительно к сетям переменного тока являются две: когда человек одновременно касается двух проводов (двухфазное включение) или когда он касается лишь одного прово­да или корпуса электрооборудования, находящегося под напряжением (однофазное включение). Во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей.

Двухфазное включение человека в электрическую сеть с изолированной нейтралью (рис. 3.2) является наиболее опасным, поскольку в данном случае человек находится под наибольшим в данной сети линейным напряжением.

При двухфазном включении, независимо от вида сетей, человек попадает под полное линейное напряжение сети и величина силы тока, проходящего через тело человека, определяется по формуле

где: U_л - линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами сети, В; R_Ч - сопротивление тела человека, Ом; U_Ф - фазное напряжение (напряжение между началом и концом одной обмотки или между фазным и ну­левым проводами), В.

В сети с линейным напряжением 380 В (U_ф = 220 В) при сопротивлении тела человека 1000 Ом ток, проходящий через него, будет равен

I_Ч = 1,73×220/1000 = 0,38 А.

Такая сила тока для человека является смертельно опасной.

При двухфазном включении ток, проходящий через те­ло человека, Не зависит от режима нейтрали сети.

Таким образом, опасность поражения человека при двухфазном прикосновении не уменьшится даже в ton случае, если он будет надежно изолирован от земли с по­мощью Диэлектрических галош, бот, ковриков, пола.

Статистика свидетельствует, что наибольшее количество электротравм: происходит при однофазном включений, причем большинство из них - в сетях с напряжение 380/220 B.

Однофазное включение человека в электрическую сет (рис. 3.3 и 3.4) менее опасно, так как напряжение, под действием которого оказывается человек, не превышает фазного, т.е. меньше линейного в 1,73 раза. Соответствен­но будет меньше и сила тока, проходящего через тело че­ловека. Однако в данном случае исход поражения будет определяться режимом нейтрали.

В трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 3.3) петля тока, проходящего через человека, вклю­чает в себя кроме его собственного сопротивления, сопро­тивление обуви, пола, заземления нейтрали источника то­ка. Кроме того, следует иметь в виду, что все эти сопротив­ления включены в цепь последовательно.

Таким образом, при однофазном включении в электри­ческую сеть с глухозаземленной нейтралью ток, проходя­щий через тело человека, определяется по формуле

1_Ч- ^/(R_Ч + R_o6+R_П+ R₃),

где R_o6, R_П, R₃ - соответственно сопротивления обуви, по­ла и заземления нейтрали источника тока, Ом.

В наиболее неблагоприятных случаях, когда человек' стоит на сырой земле или на металлическом полу и в сырой обуви, т.е. когда сопротивление обуви и пола прибли­жается к нулю, а сопротивление заземления по условиям ПУЭ не должно превышать 10 Ом, сила тока, проходяще­го через тело человека, будет равна

I_Ч = 220/1000 = 0,22 А

что является для него смертельным.

С другой стороны, если человек обут в нетокопроводящую обувь (резиновые галоши с сопротивлением 45 кОм) и стоит на изолирующем коврике или сухом деревянном полу с R_n = 100 кОм, то сила тока, проходящего через тело человека, будет составлять

I_Ч - 220/(1000 + 45 000 + 100 000 + 10) - 0,0015 А.

Сила тока 1,5 мА не опасна для человека, что убеди­тельно доказывает, насколько важную роль для безопас­ности работающих на электроустановках играют нетокопроводящая обувь и изолирующие полы.

В трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 3.4) петля тока включает сопротивление самого человека, его обуви, пола, а также сопротивление изоляции прово­дов сети, которая в исправном состоянии должна быть не менее 500 000 Ом.

В этом случае сила тока, проходящего через тело чело­века, определяется по формуле

где R_из - сопротивление изоляции одной фазы сети отно­сительно земли, Ом. Эта формула справедлива в том слу­чае, когда сопротивления каждой из фаз относительно земли одинаковы, а емкости фаз одинаковы и малы отно­сительно земли, а по величине стремятся к нулю (напри­мер, в воздушных сетях небольшой протяженности).

Условия безопасности в этом случае находятся в пря­мой зависимости от сопротивления изоляции фаз относи­тельно земли: чем качественнее изоляция, тем меньше ток, проходящий через тело человека. Однако в аварий­ном режиме, когда одна из фаз замыкает на землю или корпус оборудования (рис. 3.4» б) или сопротивление изо­ляции мало, человек может оказаться под полным линей­ным напряжением.

В случае аварийной ситуации, при замыкании одной из фаз на землю (R_ИЗ = 0), человек может оказаться под действием линейного напряжения, а сила тока, проходя­щего через него, будет равна

= 1,73×220/(1000 + 0) = 0,38 А.

В производственных условиях изоляция фазных про­водов, изготовленных из диэлектрических материалов, в процессе старения, увлажнения, воздействия агрессив­ных сред, истирания, повреждения и т.п. изменяется не­одинаково. Поэтому расчет безопасных условий эксплуа­тации электроустановок, осложняется вследствие необхо­димости учета реальных значений сопротивления изоля­ции каждой из фаз сети.

При больших значениях емкостей проводов относи­тельно земли (например, в кабельных линиях) сила тока, проходяющего через тело человека, будет определяться только емкостной составляющей

где X - емкостное сопротивление одной фазы, Ом.

При наиболее неблагоприятных условиях, когда чело­век имеет токопроводящую обувь и стоит на токопроводящем полу, сила тока определится из выражения.

I_Ч =Uф /(R_Ч+R_ИЗ /3) =220/(1000 + 500 000/3)= 0,0013 А.

Таким образом, при прочих равных условиях прикос­новение человека к одной из фаз сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем сети с глухозаземленной нейтралью. Однако это положение справедливо лишь для нормальных режимов работы сетей.

Следовательно, вышеприведенные расчеты показыва­ют, что использование трехфазной сети е изолированной нейтралью более безопасно только при нормальных режи­мах работы, а в аварийных режимах она становится опас­нее сети с глухозаземленной нейтралью. Отсюда вытекает необходимость постоянного контроля сопротивления изо­ляции проводов.

Сети с изолированной нейтралью следует использовать только в тех случаях, когда они мало разветвлены, в су­хих беспыльных помещениях без агрессивной среды и опасности повреждения изоляции проводов. Кроме того, при эксплуатации электрической сети должны обеспечи­ваться небольшая емкость относительно земли и постоянный контроль за ее состоянием.

Электроустановки с рабочим напряжением выше 1000 В представляют значительную опасность при прикоснове­нии к фазе независимо от режима нейтрали. Поэтому для предотвращения поражения током необходимо исклю­чать возможность не только касания, но и приближения человека на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением, поскольку может воз­никнуть искровой разряд, переходящий затем в электри­ческую дугу.

В электроустановках напряжением до 35 кВ нейтраль или совсем не заземляют (при низкой силе тока замыка­ния на землю), или заземляют через реактивную (дугогасящую) катушку, что обусловлено надежностью и эконо­мичностью эксплуатации. При эксплуатации электроус­тановок с напряжением выше 35 кВ используется только сеть с глухозаземленной нейтралью.

Замыкание одной из фаз на землю может происходить при повреждении изоляции и пробое фазы на заземлен­ный корпус электрооборудования/при падении на землю провода под напряжением и по другим причинам. Такое замыкание может быть слу­чайным или преднамерен­ным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называ­ется заземлителем или электродом.

В объеме земли, где про­текает ток, возникает так называемая «зона растекания тока замыкания на землю» - зона земли,. за пределами которой элект­рический потенциал, обусловленный токами замыка­ния на землю, может быть условно принят равным нулю (ГОСТ 12.1.009). В соответствии с этим ток замыкания на землю - это ток, проходящий через место замыкания на землю.

Теоретически зона растекания 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 уравнению гипер­болы.

На рис. 3.5 показана принципиальная схема распреде­ления потенциала на поверхности земли вокруг полусфе­рического заземлителя.

Растекание тока замыкания в грунте определяет ха­рактер распределения потенциалов на поверхности земли, что, в свою очередь, приводит к возникновению нового ви­да поражения человека, а именно попадание его под нап­ряжение прикосновения или напряжение шага. Напряжение прикосновения может возникнуть в том, случае, если человек будет находиться на земле или на токопроводящем полу и касаться при этом корпуса зазем­ленного электрооборудования, случайно оказавшегося под напряжением (рис. 3.6).

Человек также может оказаться под напряжени­ем, попав в зону растекания тока в земле при обрыве провода, наличии заземля­ющего устройства, при ударе молнии и отекании электрического разряда в землю, повреждении изо­ляции проводов и т.д. Это напряжение называют на­пряжением шага, т.е. нап­ряжением между двумя точками цепи тока, находя­щимися одна от другой на расстоянии длины шага, на которых одновременно стоит человек (ГОСТ 12.1.009).

На рис. 3.7 показана схема зоны растекания тока в зем­ле через заземлитель при коротком замыкании одной из фаз на корпус электроустановки (пробое на корпус) и по­явления шагового напряжения.

Напряжение шага определяется как разность потенци­алов отдельных точек земли, которые оказываются под ногами человека в зоне растекания тока:

где: и - потенциалы точек земли, на которых стоит человек, В; I₃ - ток замыкания на землю, А; р - удельное сопротивление грунта, Ом×м; а - длина шага человека (0,8 м); х - расстояние от заземлителя до одной ноги, м.

Из рис. 3.7 и формулы видно, что наибольшее напря­жение возникает в точке замыкания на землюj на рассто­янии 1 м оно составляет 0,5-0,7 от полного, а в точках В₁ и В₂ (на расстоянии примерно 20 м) по уравнению гипер­болы оно снижается практически до нуля.

Очевидно, чем шире шаг, тем шаговое напряжение бу­дет выше и может достигнуть опасной величины. Кроме того, поражение при шаговом напряжении усугубляется тем, что из-за судорожных сокращений мышц ног человек может упасть, тем самым увеличивая величину шагового напряжения за счет своего роста и замыкания цепи тока на теле через жизненно важные органы. Поэтому выходить из зоны растекания тока необходимо короткими шагами.

Напряжение шага считается допустимым, если оно не превышает 40 В. В случае падения провода на землю, не допускается приближение к нему в радиусе 6-8 м от места замыкания на землю.

3.1.5. Нормирование допустимых значений напряжений прикосновения и токов

При проектировании, расчете и эксплуатационном контроле защитных систем электроустановок необходимо руководствоваться предельно допустимыми безопасными значениями напряжений прикосновения и токов, протека­ющих через тело человека, в соответствии с ГОСТ 12.1.038.

Зона влияния электрического поля - это пространство, где напряженность электрического поля частотой 50 Гц составляет более 5 кВ/м. Предельно допустимый уровень напряженности электрического поля устанавливается равным 25 кВ/м. Пребывание человека в электрическом поле напряженностью более 25 кВ/м без использования средств защиты не допускается. При напряженности электрического Поля до 5 кВ/м включительно разрешает­ся работа обслуживающего персонала в течение рабочего дня, а при напряженности от 20 до 25 кВ/м время пребы­вания его ограничивается 10 минутами.

Допустимое время пребывания персонала в электри­ческом поле напряженностью от 5 до 20 кВ/м включи­тельно, так же как и допустимую напряженность, можно определить по формуле

Т = 50/Е - 2,

где Т - допустимое время пребывания персонала в элект­рическом поле при соответствующем уровне напряжен­ности, ч; Е - напряженность воздействующего электри­ческого поля в контролируемой зоне, кВ/м.

Для измерения напряженности электрического поля с частотой 50 Гц можно пользоваться прибором типа NFM-1. На стадии проектирования допускается определение нап­ряженности электрических полей вблизи воздушных ли­ний электропередачи и в электрических распределитель­ных устройствах расчетным методом