3.6. Дія електричного струму на організм людини та електробезпека в трифазних електромережах із різними режимами нейтралі

Мета: засвоїти основні способи захисту людини від ураження електричним струмом, навчитися вимірювати опір ізоляції, заземлення.

Прилади й обладнання: омметр, мегомметр, електроприлади, з’єднувальні дроти.

Вступ

1. Дія електричного струму на організм людини та методи її захисту від електричного струму

У діяльності людини немає жодної сфери, де б не використовувалась електроенергія, що збільшує небезпеку враження людини електричним струмом.

Електричний струм більший за 10 мА (0,01 А) є небезпечним для людини. Його дія може викликати пошкодження й розлад нервових волокон, опіки, параліч різних органів, смерть. Особливо небезпечним є змінний струм.

Основні причини враження електричним струмом такі:

- дотик до струмоведучих частин;

- дотик до металевих частин, що опинилися під напругою;

- ураження кроковим струмом;

- ураження електродугою.

Величина струму, що проходить через людину у випадку ураження, залежить від шляху цього проходження і від прикладеної напруги (рис.1). Електричний опір тіла людини коливається від 70 до 100000 Ом. Для оцінки наслідків ураження прийнято вважити 1000 Ом. Струм, що проходить через людину, може бути оцінений так:

, А (3.6.1)

Рис. 3.6.1. Можливі випадки враження людини електричним струмом

у трифазній мережі

1– трифазна електрична мережа: А, В, С – фазні проводи;U_ф = 220В; N – нейтральний (нульовий) дріт; 2 – трансформатор підстанції; 3-– заземлювачі; U_дот – напруга дотику.

де U_дот — напруга дотику (В);

R_люд — опір тіла людини (Ом);

R_конт — опір контакту (Ом);

R_гр — опір ґрунту (Ом);

R_пров — опір проводів (Ом);

R _{в. тр} — опір вхідного трансформатора (Ом).

Найбільш небезпечним є випадок змикання з проводами двох фаз. При цьому U_дот є найбільшою, а всі опори, крім R_люд наближаються до нуля.

Захисні заходи при ураженні електричним струмом можна розділити на дві групи:

1.Заходи безпеки у нормальному режимі.

2.Заходи безпеки в аварійному режимі.

До першої групи відносяться:

− забезпечення недоступності струмопровідних частин;

− застосування електричної ізоляції;

− застосування понижених напруги (менше 42 В змінного струму).

До другої:

− застосування подвійної ізоляції;

− захисне заземлення;

− захисне занулення;

− захисне відключення;

− використання роз’єднувальних трансформаторів;

− вирівнювання потенціалів.

До окремої групи слід віднести використання індивідуальних засобів захисту, які використовуються в обох випадках, та організаційні заходи (навчання, інструктажі, знаки безпеки, контроль за станом електрообладнання, електромереж та інші).

В практичній роботі розглядаються методи контролю стану ізоляції, захисного заземлення і принципи роботи захисного занулення.

2. Дослідження електробезпеки в трифазних електромережах з різними режимами нейтралі

Захисне заземлення

Захисне заземлення має своєю метою понизити напругу дотику в випадку пробою ізоляції в обладнанні. Воно полягає у сполученні корпусу обладнання з землею через контур заземлення (рис. 3.6.2).

Рис. 3.6.2. Принципова схема захисного заземлення: 1– трифазна мережа, 2– електроприлад, 3 – заземлення електроприладу, 4 – трансформатор розподільчої підстанції;5 – заземлення трансформатора підстанції.

Контур заземлення містить у собі проводи, якими сполучаються корпуси апаратів із заземлювачами. Заземлювачі являють собою звичайні металеві труби діаметром d=25…50 мм і довжиною l=2…3 м, які забиті в ґрунт.

Рис. 3.6.3. Креслення заземлювача

Замість труб можуть використовуватись будь-які металеві предмети. Загальна поверхня стикання заземлювачів із ґрунтом (кількість труб) має забезпечити допустимий опір розтікання струму по землі (ρ). Цей опір залежить від площі заземлювачів, типу ґрунту і його вологості. Найбільший опір має пісок (ρ до 2500 Ом∙м), а найменший – торф (ρ= 20 Ом∙м). Величина опору захисного заземлення для пристроїв напругою до 1000 В не повинна перевищувати 4 Ом.

Розглянемо, як працює захисне заземлення. Припустимо, відбувся пробій однієї з фаз. На корпусі виникає напруга. Утворюється ланцюг (рис. 3.6.2): фаза – корпус – заземлення – ґрунт – заземлення вхідного трансформатора – трансформатор – проводи фази – корпус. Тобто виникає коротке замикання фази на землю.

Струм короткого замикання на землю визначається:

А (3.6.2)

де z_д— повний опір дротів (Ом);

r_з.тр. — опір заземлення трансформатора (Ом);

z_тр — повний опір трансформатора (Ом).

Для умов симетричного опору фаз, струм замкнення на землю можливо визначати

.

Напруга на корпус приладу відносно землі – напруга дотику складає

(3.6.3)

де, r_з — опір заземлення пристрою (Ом),

Струм, який проходить через людину у випадку її дотику до корпусу, становить:

А, (3.6.4)

де – опір контакту "людина – пристрій" та "людина – заземлювач" (Ом).

Хід роботи

Задача 1

Визначити орієнтовну кількість заземлювачів для контуру захисного заземлення.

Струм короткого замикання визначається

А, (3.6.5)

де – опір проводів (Ом);

– опір заземлень пристрою і трансформатора (Ом);

– опір трансформатора (Ом).

Напруга на корпус приладу відносно землі Uдот складає

В, (3.6.6)

де, – опір заземлення пристрою (Ом),

а струм, який проходить через людину у випадку її дотику до корпусу, становить:

А (3.6.7)

де – опір контакту "людина –пристрій" та "людина –заземлювач" (Ом).

Розрахувати початковий опір трубчастого заземлювача за формулою: , Ом (3.6.8)

де – розрахунковий опір грунту (для торфу – 20 Ом∙м; чорнозему – 30 Ом∙м; садової землі – 50 Ом∙м; глини – 60 Ом∙м; суглинку – 100 Ом∙м; супіску – 300 Ом∙м; піску – 500 Ом∙м).

Визначити необхідну кількість заземлювачів:

, (3.6.9)

де Ом – допустимий опір заземлення;

– коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів:

d,мм , Ом

≤ 40 0,69 0,45 0,9

>40 0,62 0,4 0,6

Визначити повний опір заземлення за формулою:

, Ом (3.6.10)

де – коефіцієнт використання горизонтальних з’єднувальних стрічок;

– опір одиниці заземлювача в Ом.

Порівняти повний опір заземлення з допустимим опором :

= 4 Ом, (3.6.11)

Наприклад, для ґрунту – пісок, = 32 мм, = 4 м:

Ом;

; попередньо приймаємо , тоді

Ом< 4 Ом.

Оскільки умова захисту від ураження електричним струмом виконується, остаточно приймаємо заземлення із 45 труб діаметром 32 мм і довжиною 4 м.

Задача 2

Визначити орієнтовну кількість заземлювачів для заземлюючого контуру кабінету інформатики, якщо опір розтіканню струму від одиничного заземлювача складає 10 Ом, коефіцієнт взаємного впливу заземлювачів прийняти 0,6.

Розраховується необхідна кількість заземлювачів за формулою 3.6.9:

.

Результат округлити до найближчого цілого числа у більшу сторону.

Задача 3

Визначити напругу дотику змінного струму та оцінити струм, який буде проходити скрізь людину, при відсутності та за наявності заземлення. Відомо, що опір заземлення 8 Ом, струм короткого замкнення на землю – 10А, опір тіла людини 1000 Ом, взуття – 100 Ом , підлоги – 40 Ом.

Напруга на корпус приладу відносно землі – напруга дотику складає за формулою 3.6.3:

, В

де, R_з — опір заземлення пристрою (Ом),

Струм, який проходить через людину у випадку її дотику до корпусу, становить за формулою 3.6.4:

, А

де – опір контакту "людина–пристрій" та "людина–заземлювач" (Ом).

Задача 4

Визначити крокову напругу змінного струму на відстані 2м від джерела короткого замкнення на землю та оцінити струм через людину, якщо опір тіла, людини 1000 Ом, взуття – 20 Ом, питома провідність ґрунту – 30 Ом∙м, напруга джерела струму – 220В.

Сила струму кроткого замикання на землю через тіло людини:

= А. (3.6.12)

Величина напруги кроку як різниця електричних потенціалів на відстані кроку а=0,8 м:

В . (3.6.13)

Струм , який протікає через тіло працівника:

А . (3.6.14)

Вступ

Захисне занулення

Занулення застосовується у чотирьох провідних мережах напругою нижче 1000 В (Рис. 3.6.4).

Рис. 3.6.4. Схема захисного занулення:

1– трифазна електромережа: А,В,С – фази, N – нейтральний ( нульовий) дріт; 2- електроприлад; 3 – запобіжники; 4 – трансформатор розподільчої підстанції.

При зануленні корпус установки з’єднується з нейтральним (нульовим) дротом , а перед електроприладом розміщують запобіжники.

В аварійній ситуації, коли на корпусі електроприладу виникає напруга, утворюється коротке замкнення через нульовий дріт внаслідок чого спрацьовує запобіжник тій фази, в якій виникле пошкодження ізоляції. Запобіжники повинні спрацьовувати раніше виникнення небезпечної напруги для людини. Досягають цього правильним підбором запобіжників. Зазвичай струм спрацьовування запобіжників для електронагрівальних приладів визначають так:

І_сп=1,25·І_р, А (3.6.15)

де, І_р – номінальне робоче значення струму для електроприладу (А).

Хід роботи

Задача 5

Оцінити працездатність захисного занулення обладнання, якщо при номінальному струмі запобіжників 10 А, мережа характеризується такими параметрами: загальний опір дротів =40 Ом, опір трансформатора (трьохфазного) =10 Ом, фазна напруга U=220 В.

Струм спрацьовування запобіжників для електронагрівальних приладів визначають формулою:

, де (3.6.16)

, (3.6.17)

де – опір мережі.

Оцінюючи працездатність захисного занулення обладнання необхідно порівняти отриманий струм спрацьовування запобіжників в електричному колі з допустимим номінальним струмом запобіжників, який не можна перевищувати.

Вступ

Вимірювання опору ізоляції

Для періодичного контролю стану ізоляції електроприладів застосовується пристрій – мегомметр. Він дозволяє вимірювати значні опори ізоляції в мегомах або у кілоомах. Вимірювання опору ізоляції в установках із напругою до 1000 В здійснюється з такою періодичністю:

1) переносний електроінструмент — 1 раз на місяць;

2) електромережі та апарати вторинного ланцюга – 1 раз у 3 роки;

3) верстати та інше стаціонарне обладнання – 1 раз на рік.

При цьому у першому випадку допустимий опір ізоляції Rіз 1МОм, у другому й третьому Rізол 0,5 МОм.

Для вимірювання слід з'єднати клему "Лінія" мегомметра з обмоткою (проводом) приладу, а другим проводом з'єднати клему "Земля" з корпусом приладу. Перемикач «КОм – МОм» слід поставити у положення «МОм». Обертаючи ручку індикатора зі швидкістю близько 60 об/хв провести відлік показів . Результати вимірювань заносяться у журнал спостережень (таблиця 3.6.1).

Під час вимірювань необхідно бути обережними, оскільки між з'єднувальними проводами виникає різниця потенціалів більше 100 В.

Таблиця 3.6.1

Журнал спостережень

№ п/п	Назва обладнання	Опір ізоляції, МОм	Мінімально допустимий опір ізоляції, МОм
1.

Примітка: у випадку випробування трифазних приладів перевіряється кожна фаза. Для цього до клеми "лінія" слід по черзі підключати всі (3-4) проводи.

Контроль заземлення обладнання лабораторії (майстерні) проводиться щомісячно і включає в себе огляд елементів заземлення і вимір опору заземлюючих провідників. Цей опір не повинен перевищувати 0,8 Ом. Для виміру клему "Земля" омметра необхідно підключити до заземлюючого контуру, а шнур від клеми "R_x" підключати почергово до обладнання, що перевіряється. Результати вимірів заносять у таблицю 3.6.2. За результатами перевірки робляться висновки про справність заземлення.

Таблиця 3.6.2

Журнал спостережень

№	Назва обладнання	Опір заземлюючих провідників , Ом
1…

Примітка: перед початком вимірювань необхідно вимкнути рубильник на вході до лабораторії чи майстерні, а під час роботи дотримуватись інструкції по користуванню омметром.

Контрольні запитання

1. Основні методи по захисту людини від ураження електричним струмом.

2.Яка періодичність вимірювання опору ізоляції?

3.Які величини граничного опору ізоляції для апаратів з номінальною напругою до 1000 В?

4.Поясніть схему заземлення та принцип його дії.

5.Як розрахувати напругу дотику і струм, що проходить через людину в аварійної ситуації?

6. У чому полягає сутність захисного занулення?

7. Опишіть методику розрахунку заземлення,

8. Поясніть порядок вимірювання опору заземлення та контролю справності заземлюючого контуру.