5.4. Основные причины электротравматизма

Основными причинами поражения электрическим током являются:

• прикосновение к неизолированным токоведущим частям (проводам, клеммам, шинам и т. п.), при котором возникает напряжение прикосновения;

• появление напряжения на частях установок и машин, не находящихся под напряжением в нормальных условиях эксплуатации (корпуса, пульты и др.), что чаще всего происходит вследствие повреждения изоляции;

• образование электрической дуги между токоведущей частью и человеком, что возможно в электрических установках напряжением выше 1 кВ;

• воздействие напряжения шага;

• несогласованные и ошибочные действия персонала, отсутствие надзора за электроустановками под напряжением и ряд других организационных причин.

Во избежание поражения током вследствие возникновения электрической дуги не допускается приближение людей, механизмов и грузоподъемных машин к находящимся под напряжением неогражденным токоведущим частям электроустановок на расстояния менее указанных в таблице 5.5.

Таблица 5.5 – Допустимые расстояния приближения к токоведущим частям, находящимся под напряжением

Напряжение, кВ	Расстояние от людей и применяемых ими инструментов и приспособлений; от временных ограждений, м	Расстояние от механизмов и грузоподъемных машин в рабочем и транспортном положении; от стропов, грузозахватных приспособлений и грузов, м
До 1 на ВЛ	0,6	1,0
До 1 в прочих электроустановках	Не нормируется (без прикосновения)	1,0
1…35	0,6	1,0
60, 110	1,0	1,5
150	1,5	2,0
220	2,0	2,5
330	2,5	3,5

Опасность поражения электрическим током наступает главным образом при прямом или косвенном прикосновении к частям, находящимся под напряжением. Под прямым понимается электрический контакт людей или животных с токоведущими частями, находящимися под напряжением; под косвенным – электрический контакт людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции (прикосновение к частям оборудования, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции, когда человек (животное) находится в контакте с землей или с другой проводящей частью).

Опасными являются и ситуации, при которых возникает шаговое напряжение. Напряжение шага – напряжение между двумя точками на поверхности земли на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека. Численно напряжение шага равно разности потенциалов точек, на которых могут находиться ноги человека, оказавшегося в этой зоне.

Поле потенциалов на поверхности земли может возникнуть, например, при замыкании провода на землю в результате его обрыва, при стекании тока с заземлителя и т. п. Рассмотрим это явление подробнее.

Для упрощения анализа принимаем, что ток I_з стекает в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы (рисунок 5.10), грунт однородный и изотропный, его эквивалентное удельное электрическое сопротивление ρ во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя.

Рисунок 5.10 – Растекание тока в грунте

Тогда потенциал точки А, находящейся на расстоянии х от заземлителя, найдется из равенства:

(5.3)

Если пренебречь падением напряжения на самом заземлителе, а также между его поверхностью и прилегающими к ней частицами земли, то потенциал заземлителя φ_з или, иначе говоря, напряжение заземлителя относительно зоны нулевого потенциала (зона нулевого потенциала – часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю):

(5.4)

Таким образом, потенциал на поверхности грунта изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения U_з до нуля при х = ∞.

Зону земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала называют зоной растекания тока замыкания на земле. Эта зона простирается в среднем на расстояние до 20 м от места замыкания на землю.

Оказавшись в зоне растекания тока, человек попадает под напряжение шага. При расположении одной ноги человека на расстоянии х от упавшего провода или заземлителя (рисунок 5.11) и ширине шага а (обычно в расчетах принимается а = 1 м) напряжение шага определяют по следующей формуле:

. (5.5)

Рисунок 5.11 – Напряжение шага

Напряжение шага зависит от формы заземлителя, его расположения в земле, расстояния до него и ширины шага (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем больше U_ш). На рисунке 11 видно, что приближение к месту стекания тока I_з в землю приводит к возрастанию напряжения шага (U_ш1 > U_ш2).

Напряжение U_ш делится между сопротивлением тела человека R_h и последовательно соединенными с R_h двумя сопротивлениями подошв его ног, равными в сумме 2R_н. Сопротивление R_н можно определить, аппроксимируя подошву ноги эквивалентным ей по площади диском с диаметром d = 0,17 м, лежащим на поверхности земли, и пренебрегая взаимным влиянием полей растекания токов с ног человека. Используя формулу для расчета сопротивления земли растеканию тока с диска, получим:

(5.6)

Тогда шаговое напряжение, приложенное непосредственно к телу человека:

(5.7)

Данное выражение можно представить следующим образом:

(5.8)

где β₁ – коэффициент напряжения шага, учитывающий расстояние от человека до заземлителя:

(5.9)

β₂ – коэффициент напряжения шага, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека:

(5.10)

Величина коэффициента ₁ может изменяться от единицы (человек одной ногой стоит на заземлителе или проводе, а другой делает шаг на расстояние а = 1 м) и до нуля, при нахождении человека на расстоянии более 20 м от заземлителя (провода). Расстояние 20 м – постоянная величина, не зависящая от напряжения сети и удельного сопротивления грунта.

Поскольку величина напряжения шага уменьшается в зависимости от расстояния до заземлителя по гиперболической зависимости (рисунок 5.11), то безопасное напряжение шага будет уже на расстоянии 8 м от заземлителя. Поэтому к лежащему на земле проводу обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 8...10 м. На более близкие расстояния можно подходить только очень короткими шагами (так называемый «гусиный шаг»). В помещениях с токопроводящими полами (например, бетонными) к лежащему на полу проводу обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 4…6 м.

Коэффициент ₂ также изменяется от единицы (человек стоит босиком на земле) и до нуля (человек использует дополнительные электрозащитные средства – диэлектрические галоши и боты). Используя дополнительные электрозащитные средства, можно вплотную подходить, например, к лежащему на земле проводу.

Электрический ток, протекающий при этом по пути «нога – нога»:

(5.11)

Особую опасность напряжение шага представляет для сельскохозяйственных животных, в первую очередь для крупного рогатого скота и лошадей, так как у них расстояние между передними и задними ногами больше, чем расстояние между ступнями человека.

Напряжение прикосновения часто возникает между частями электроустановок (например, их корпусами), случайно оказавшимися под напряжением, и землей при одновременном прикосновении к ним человека (рисунок 5.12). При замыкании фазы сети на один из корпусов на заземлителе появится напряжение относительно зоны нулевого потенциала:

(5.12)

где R_з – сопротивление заземлителя растеканию тока.

Рисунок 5.12 – Напряжение прикосновения

Если пренебречь малой величиной падения напряжения на заземляющих проводниках, то напряжение на всех корпусах, присоединенных к данному заземлителю, U_к = U_з (линия 1 на рисунке 5.12).

При стекании тока I_з в землю напряжение на ее поверхности, относительно зоны нулевого потенциала, будет уменьшаться от максимального значения U_з практически до нуля вне зоны растекания тока (кривая 2). Напряжение U_x – это напряжение в точке b, расположенной на расстоянии х от заземлителя. Напряжение прикосновения для человека, стоящего на земле в этой точке и касающегося заземленного корпуса:

(5.13)

Напряжение прикосновения, представленное пунктирной кривой 3, зависит от формы кривой 2 и расстояния до заземлителя. Если человек стоит над заземлителем (положение a), то U_x = U_з и U_пр = 0. При значительном удалении от заземлителя (х > 20 м) U_x  0, отсюда U_пр = U_з будет максимальным (положение с). При промежуточных значениях х напряжение U_пр непрерывно нарастает от 0 до U_з.

Следует отметить, что при рассмотрении напряжения прикосновения не учитывалось сопротивление грунта растеканию тока с ног человека R_гр. С учетом этой величины напряжение прикосновения, приложенное непосредственно к телу человека:

(5.14)

Полагая, что ступни ног отстоят одна от другой на расстоянии шага и взаимодействие их полей растекания тока в земле отсутствует, получим:

(5.15)

При этом сопротивления R_н в данном случае включены в цепи тока I_h параллельно.

В итоге напряжение прикосновения определяется по выражению:

(5.16)

Данное выражение можно записать в виде:

(5.17)

где ₁ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования:

(5.18)

Величина коэффициента ₁ может изменяться от нуля до единицы. При Х = Х_з (когда заземленное электрооборудование размещено непосредственно над заземлителем) ₁ = 0. Следовательно и напряжение прикосновения U_пp также равно нулю. Если же Х стремится к бесконечности, то ₁ = 1 (чем дальше от заземлителя расположено заземленное электрооборудование, тем больше величина напряжения прикосновения). На больших расстояниях от заземлителя U_пp = U_з.

На величину напряжения прикосновения влияет не только расстояние X, но и сопротивление тела человека. Если человек использует основные и дополнительные электрозащитные средства (диэлектрические перчатки, галоши, коврики, изолирующие подставки и др.), напряжение прикосновения необходимо определять по следующей формуле:

(5.19)

где ₂ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека.

Величина этого коэффициента может изменяться от единицы (когда человек касается электрооборудования незащищенной рукой, стоя босиком на земле) до нуля (человек касается электрооборудования, используя исправные основные и дополнительные электрозащитные средства).

Напряжение прикосновения является важной характеристикой, которая используется для расчетов сопротивления заземления и выбора типа защиты. При этом должно выполняться следующее условие:

(5.20)

(5.21)

где I_h – ток, протекающий через тело человека, А; R_h – сопротивление тела человека, Ом (принимается R_h = 1000 Ом); U_пp.доп – допустимое напряжение прикосновения, В.

Так как

(5.22)

то

(5.23)

где R_з – сопротивление заземлителя, Ом.

Таким образом, величина U_пp.доп определяет тип заземлителя, применяемый на объекте, поскольку сопротивление заземлителя R_з зависит от формы, размера, числа электродов заземлителя, их взаимного расположения и глубины залегания в грунте.

В целях эксплуатационного контроля состояния электробезопасности на объектах периодически производятся измерения величины напряжения прикосновения. Результаты измерений показывают, обеспечивается ли безопасность человека и животных от поражения электрическим током.

Напряжение прикосновения так же, как и напряжение шага, может представлять существенную опасность при больших значениях тока I_з, что обычно наблюдается в электроустановках напряжением выше 1 кВ и в отдельных случаях в электроустановках до 1 кВ. В качестве средств защиты, наряду с другими, применяют уравнивание и выравнивание потенциалов.