3.5.9. Фізичні основи електробезпеки

Як відзначалося вище, величина струму, що проходить через тіло

людини при її попаданні під напругу, найбільшою мірою визначає

тяжкість ураження. Для розробки технічних і організаційно1техніч1

них заходів і засобів профілактики електротравм важливо знати, від

яких конструктивних особливостей електроустановок, їх робочих

параметрів і стану залежить можлива величина струму, що проходить

через людину при попаданні її під напругу. Крім того, важливо, щоб

весь електротехнічний персонал, усі працівники, робота яких повяза1

на з експлуатацією електроустановок, чітко розуміли, чим обумовле1

на та чи інша вимога з електробезпеки і що є її причиною. Таке знан1

ня, розуміння вимог чинних нормативів з електробезпеки сприятиме

дотриманню їх працівниками. Якраз розуміння цих вимог відрізняє

працівників п’ятої групи з електробезпеки від четвертої і є обов’язко1

вою складовою їх професійної підготовки з питань безпеки.

В реальній лінії електропередачі (ЛЕП) (повітряній чи кабельній)

опір ізоляції проводів відносно землі розподіляється по всій довжині

ЛЕП — опорні, підвісні, натяжні ізолятори, ізоляція кабелю. Чим

більше протяжність ЛЕП тим більше ізоляторів, які працюють пара1

лельно, і менший загальний опір ізоляції проводів відносно землі.

Необхідний опір ізоляції регламентуеться чинними нормативами. На

практиці ізоляція струмопроводів ЛЕП виконується з реальних

діелектриків, питомий опір яких не дорівнює нескінченості. Внаслі1

док старіння ізоляції з часом, її частого зволоження, забруднення,

нагрівання, дії агресивного середовища тощо питомий опір ізоляції

знижується. Тому кожна ділянка ЛЕП має опір ізоляції певного зна1

чення або провідність, яка відрізняється від нуля, а при роботі реаль1

ної ЛЕП мають місце постійні втрати струму (виток струму) через

ізоляцію і землю. Таким чином, не зважаючи на наявність ізоляції,

токопроводи електромережі електрично зв’язані між собою і землею

провідниками (ізоляцію) з великим опором.

Крім того, два провідники, розділені будь1яким діелектриком, в

тому числі і проводи ЛЕП, мають властивість накопичувати вільні

електричні заряди одинакової величини і різного знаку, якщо їх хоч на

деякий час підключити до джерела електроенергії, тобто створити в

розділяючому їх просторі електричне поле. При цьому величина нако1

пичених зарядів пропорційна напрузі між провідниками, залежить від

геометричних розмірів електродів (проводів — пластин конденсатора)

та діелектричної проникності діелектрика, що розділяє електроди.

Відповідно до зазначеного вище, кожна ділянка ЛЕП, що знахо1

диться під напругою, крім опору ізоляції має певну ємність відносно

землі.

Тому при дотиці людини до неізольованої струмовідної частини

(проводу тощо) функціонуючої електромережі струм через людину

обумовлюється величиною напруги дотику і ємністю відміченої вище

системи, тобто

Iл = IA + IC, А (3.7)

де: ІА — складова струму, обумовлена напругою дотику, А;

ІС — ємнісна складова струму замикання на землю, А.

Ємнісна складова струму через людину при попаданні під напругу

в розгалужених мережах може досягати небезпечних для людини зна1

чень. Тому навіть при відключенні мережі від джерела живлення для

ремонтно1профілактичних робіт тощо, необхідно заземлити кожен

провід переносним заземленням і тільки після цього та перевірки від1

сутності напруги допускати персонал до роботи.

Метою даного підрозділу підручника і є самє з’ясування впливу

конструктивних особливостей електроустановок, їх робочих параме1

трів і стану ізоляції на величину струму, що проходить через людину,

при попаданні її під напругу, тобто на небезпеку ураження її струмом.

Спробуємо з’ясувати ці питання на окремих прикладах.

Однофазна мережа, ізольована від землі. На рис. 3.5 наведена

принципова схема однофазної мережі, ізольованої від землі.

З метою більшої наочності схема дещо ідеалізована порівняно з

реальною — опір ізоляції проводів відносно землі і їх ємність показа1

но зосереджено.

Як видно із схеми рис. 3.5, а, проводи 1 і 2 однофазної мережі,

ізольованої від землі, електрично зв’язані між собою через опори ізо1

ляції r1 та r2 і землю, що і породжує згадані вище втрати на витоки

струму.

332

333

Рис. 3.5. Принципова і розрахункова схеми включення людини

під напругу в однофазній мережі, ізольованій від землі:

а) при нормальному режимі роботи;

б) при пробої ізоляції провода 2 на землю;

в) при пробої ізоляції провода 1 на землю

U

2

Iл Rл

r1 r2

С1 C2

I1 I2

a

1

2

1

U

Rл r1

r2

Iл I1

3

I2

Uдот

U

2

Iл Rл

r1 r2

C1 C2

I1 I2

б

1

2

1

U

Rл r1

r2зм

Iл I1

r 3 2

I2 Iзм

Uдот

r2зм

U

2

Iл Rл

r1 r2

С1 C2

I1зм I1 I2

в

1

2

1

U

Rл r1

Iл I1 I1зм

r2

I2

Uдот

r1зм

r1зм

3

При доторканні до проводу 1 людина, по суті, підключається до

цієї мережі витоку струму паралельно r1, вносячи, таким чином, певні

зміни в цю мережу від проводу 1 до землі. Від землі до проводу 2

мережа витоку струму не міняється і весь струм витоку, враховуючи і

підключення людини, проходить через r2. Якщо знехтувати ємнісною

складовою струму через людину (див. 3.5 за умови С1 = С2 = 0), що

цілком допустимо для нерозгалуженої мережі, то розрахункова схема

струму через людину набуває вигляду, наведеного на правій частині

рис. 3.5, а. Відповідно до цієї схеми, величина струму через людину у

загальному вигляді може бути визначена як

334

,

Ë

äîò

Ë R

U

I = (3.8)

де Uдот — напруга дотику, В;

Rл — опір людини, Ом.

Загальна величина струму в мережі ІМ який дорівнює І2, визна1

читься виразом:

, (3.9)

1

2

2

q r

U

I I M

+

= =

Тоді діюча на людину напруга Uдот відповідно до приведеної схеми

1

1 1

R r

q

Ë

де = + – провідність паралельного з’єднання Rл i r1.

Підставивши в (3.10) значення ІМ, отримаємо

Підставивши в (3.8) значення Uдот і замінивши q його значенням,

за умови r1 = r2 = rіз, отримаємо

де rіз — опір ізоляції проводів 1 і 2 відносно землі, Ом.

В знаменнику (3.12) RЛ приймається в межах 103, а rіз відповідно

до чинних нормативів на декілька порядків більше.

Таким чином, в мережі, ізольованій від землі, при непошкодженій ізо$

ляції (схема а, рис. 3.5) величина струму через тіло людини практично

,

1

q

U Iäîò Ì = ⋅(3.10)

,

1

1

1 2

2

r q

U

r q

q

U

Uäîò +

⋅=

+

= (3.11)

,

2 ,

Ë ³ç

Ë à R r

U

I

+

= (3.12)

В.

В.

А,

А,

335

не залежить від опору тіла людини і визначається опором ізоляції про$

вода 2 відносно землі.

У випадку пошкодження ізоляції проводу 2 (схема б, рис. 3.5) і

дотику людини до проводу з непошкодженою ізоляцією в мережі, що

розглядається, на ділянці «земля – провід 2» з’являється додатковий,

паралельний r2 токопровід r2зм (пробій ізоляції), опір якого значно

менше r2. Це приводить до зменшення опору на ділянці «земля – про1

від 2», зростання струму в мережі, в цілому, і, як наслідок, зростання

струму, що проходить через людину.

Для визначення величини струму, що проходить через людину, в

розрахунковій схемі рис. 3.5, б замінимо паралельні опори r2 і r2зм рів1

нозначним їм еквівалентним опором

.

2

2

2 2

2 2

³ç çì

³ç çì

çì

çì

åêâ r r

r r

r r

r r

r

+

⋅

=

+

⋅

=

Тоді величина струму, що проходить через людину, у даному

випадку визначиться виразом (3.12), в якому rіз замінить rекв, тобто

, (3.13)

2

2

2

,

³ç çì

³ç çì

Ë

Ë á

r r

r r

R

U

I

+

⋅

=

+

В (3.13) друга складова в знаменнику завідомо менша RЛ, знамен1

ник, в цілому, як мінімум на 2 порядки менше знаменника у виразі

(3.12), а струм, що проходить через людину, буде більший, ніж в (3.12).

В ізольованій від землі мережі при доторканні людини до проводу з

непошкодженою ізоляцією («здорового» проводу) і наявності проводу з

пошкодженою ізоляцією («хворого» проводу) величина струму, що про$

ходить через людину, буде значно більшою, ніж при відсутності пошко$

дження ізоляції.

Таким чином, в мережах, ізольованих від землі, величина опору ізо1

ляції є одним з важливих чинників небезпеки електротравм. У зв’язку

з цим, відповідно до ПУЭ, в мережах, ізольованих від землі, повинен

здійснюватися жорсткий контроль опору ізоляції на реєстрацію, на

сигнал або на автоматичне відключення залежно від небезпеки елек1

тротравм. Так, у гірничо1добувній промисловості і на торфорозробках

повинні застосовуватися мережі, ізольовані від землі, з обов’язковим

постійним на автоматичне відключення контролем опору ізоляції.

У випадку пошкодження ізоляції проводу 1 (рис. 3.5, в) і дотику

людини до цього проводу, паралельно людині і r1 в мережі з’являєть1

336

ся додатковий токопровід r1зм. Загальна провідність ділянки

мережі від проводу 1 до землі визначиться як а вели1

чина струму, що проходить через людину за аналогію з попереднім

дорівнюватиме

,

1 1 1

1 1 R r r

q

Ë çì

= + +

,

2

1

,

çì

³ç Ë

Ë ³ç

Ë â

r

r R

R r

U

I

⋅

+ +

= (3.14)

В (3.14) порівняно з (3.12) є третій член, величина опору якого

знаходиться в межах 107…108 Ом — відповідно до зроблених вище

допущень.

Таким чином, ІЛ,в на два1три порядки менше ІЛ,а і доторкання до про1

воду з пошкодженою ізоляцією (з пробоєм на землю) є значно безпеч1

нішим, ніж до «здорового» проводу. На цьому принципі можлива реа1

лізація засобів захисту людини — при її доторканні до струмовідних

частин останні автоматично, засобами захисту, замикаються на землю.

Трифазна мережа, ізольована від землі. При доторканні людини до

фазного проводу трифазної мережі, ізольованої від землі, виникає мере1

жа замикання на землю, більш розгалужена, ніж в однофазній. Основні

елементи цієї мережі: «фазний провід 1» – «людина паралельно з r1» —

«земля» — «опори ізоляції r2 і r3» — «фазні проводи 2 і 3» (рис. 3.6, а).

До цієї мережі прикладена лінійна напруга UЛ, а не фазна UФ, як в

однофазній мережі. Оскільки UЛ = √3UФ, то в трифазній мережі при

інших рівних чинниках величина струму замикання на землю, як і

величина струму, що проходить через людину при її доторканні до

фазного проводу, має бути більшою.

За рівності опорів ізоляції (r1 = r2 = r3 = rіз) і ємностей (С1 = С2 =

С3 = С) струм, що проходить через людину, визначиться виразом:

(3.15) 



,

9 1

6

1 R r 2 2C

r r R

R

U

I

Ë

Ë

Ë

ô

Ë

+ ⋅

+

+

=

2

де — кутова частота мережі, Гц;

С — ємність проводів відносно землі, Ф.

Аналогічно попередньому (однофазна мережа), за умови r1 = r2 =

r3 = rіз і С1 = С2 = С3 = 0, що досить імовірно для нерозгалужених пові1

тряних мереж, величина струму, що проходить через людину, визна1

читься виразом:

337

r1 r2 r3

C1 C2 C3

Uô

3

2

1

Uäîò

Рис. 3.6. Схема включення людини під напругу при дотиці до фазного проводу (а)

і до корпусу споживача електроенергії при пошкодженні ізоляції (б)

Ië

Rë

Ië

Ië

à

á

,

3

³ç

Ë

ô

Ë r

R

U

I

+

= (3.16)

Дійсно, порівнюючи вираз (3.12) для величини струму, що прохо1

дить через людину, при нормальному режимі роботи електроустанов1

ки в однофазній мережі і вираз (3.16), бачимо, що в трифазній мережі

ІЛ, практично, в три рази більше.

В трифазній мережі пошкодження опору ізоляції будь$якого фазного

проводу впливає на величину струму через людину, яка потрапила під

напругу, таким же чином, як і в однофазній мережі: доторкання до фазного

проводу з непошкодженою ізоляцією, при пошкодженні ізоляції інших фаз$

них проводів, більш небезпечне, ніж доторкання до проводу з пошкодженою

ізоляцією при непошкодженій ізоляції інших фазних проводів. У зв’язку з цим

проблема контролю стану 0ізоляції у трифазній мережі, ізольованій від

землі, є такою ж актуальною, як і в однофазній, розглянутій вище.

В правій частині схеми (рис. 3.6, б) розглянуто можливий варіант

доторкання людини до корпусу споживача електроенергії, який опи1

нився під напругою в результаті пошкодження ізоляції фази 1. При

незаземленій установці таке доторкання рівнозначне першому варі1

анту (а), виникне подібна першому варіанту (а) мережа, а величина

струму, що проходить через людину, визначиться виразом (3.16).

Якщо ж неструмовідні частини попередньо заземлити, то паралельно

можливому включенню людини буде провідник «корпус–земля» і

струм замикання на землю буде розподілятися між цим провідником

і тілом людини зворотно пропорційно їх опорам. При малому значен1

ні опору заземлення, останнє, практично, шунтує людину і забезпечує,

таким чином, її захист на випадок пошкодження ізоляції споживача

електроенергії і переходу напруги на неструмовідні частини елек1

троустановки. Такий технічний засіб захисту називається захисним

заземленням. Але функції захисного заземлення не обмежуються

тільки шунтуванням людини.

При функціонуванні заземлення має місце протікання струму в

землі, а, відтак, на її поверхні в радіусі близько 20 м від заземлювача

виникає зона підвищених потенціалів відповідно до рис. 3.3, розподіл

потенціалів в якій характеризується пунктирною кривою рис. 3.6, б.

Якщо заземлювач знаходиться від споживача енергії на відстані

менше 20 м (рис. 3.6, б), то напруга дотику, під яку попадає людина,

буде визначатись різницею потенціалів корпуса споживача електрое1

нергії і поверхні землі, де стоїть людина. Таким чином, правильно

виконане захисне заземлення не тільки шунтує людину, а і зменшує

напругу дотику, як показано на рис. 3.6, б. Чим ближче буде заземлю1

вач до місця знаходження людини при її дотику до корпуса обладнан1

ня, що опинився під напругою, тим меншою буде Uдот. При знахо1

дженні заземлювача від споживача електроенергії на відстані, більшій