Сгруппированные практические задачи с сайта и не только (сборка на момент 20.03.2020) / Электробезопасность / ‹…Š’-2

УДК 658.382.3(075.8) + [621.3:658.382.3](075.8) С347

Одобрено учебно-методической комиссией механико-технологического факультета

Рецензенты:

Ю.Г. Горшков, Г.В. Туникова

Сидоров, А.И.

С347 Основы электробезопасности: учебное пособие к практическим занятиям / А.И. Сидоров, И.С. Окраинская, Л.И. Шестакова; под ред. А.И. Сидорова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – 39 с.

Вучебном пособии рассмотрены условия поражения электрическим током

втрехфазных и однофазных сетях в нормальном и аварийном режимах работы, средства и способы обеспечения электробезопасности.

Пособие предназначено для студентов специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», а также электротехнических специальностей различных факультетов университета.

УДК 658.382.3(075.8) + [621.3:658.382.3](075.8)

© Издательство ЮУрГУ, 2008

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Безопасное применение электрической энергии – проблема не только настоящего, но и будущего.

Увеличение энергопотребления, широкое использование электроприборов во всех сферах человеческой деятельности переводят актуальность обеспечения электробезопасности на более высокий уровень.

Решение любой проблемы начинается с ее изучения. Цель данного учебного пособия – выработка навыков решения задач в области электробезопасности, что позволит обоснованно подходить к разработке мероприятий по предупреждению электротравм как на производстве, так и в быту.

1.1. Электрическое сопротивление тела человека

Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводимость живой ткани в отличие от проводимости обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В результате сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг – малое. Например, при токе частотой 50 Гц удельное объемное сопротивление составляет:

•кожи сухой – 3 103...2 104 Ом м;

•кости (без надкостницы) – 104...3 106 Ом м;

•жировой ткани – 30...60 Ом м;

•мышечной ткани – 1,5...3 Ом м;

•крови – 1...2 Ом м;

•спинномозговой жидкости – 0,5 ...0,6 Ом м.

Из этих данных следует, что по сравнению с другими тканями кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом.

Сопротивление тела человека, т. е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, у разных людей различно. Неодинаковым оказывается оно и у одного и того же человека в разное время и в разных условиях измерения. При сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела, измеренное при напряжении до 15...20 В, колеблется в пределах (3...100) 103 Ом, а иногда и в более широких пределах. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела

3

упадет до (1...5) 103 Ом, а при удалении всего наружного слоя кожи (эпидермиса) – до 500...700 Ом. Если же под электродами полностью удалить кожу, то будет измерено сопротивление подкожных тканей тела, которое у всех людей практически одинаково и составляет лишь 300...500 Ом.

Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений (рис. 1, а и б): двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи (рис. 1, б), т. е. эпидермиса 2Zэ, и одного сопротивления внутренних тканей тела Rв.

Сопротивление эпидермиса состоит из активного Rэ и емкостного ХСэ сопротивлений, включенных параллельно. Величина ХСэ определяется по формуле

где ω = 2πf – угловая частота, рад/с; f – частота приложенного напряжения. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения

электрода к телу человека образуется своего рода конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком, разделяющим обкладки, – этот слой (эпидермис).

Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода S, м2, толщины эпидермиса dэ, м, и его электрической проницаемости ε, которая в свою очередь зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. При токе f = 50 Гц значения ε находятся в пределах 100…200.

Емкость конденсатора, Ф, образующегося в месте контакта с электродом

где ε0 = 8,85 10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Активное сопротивление эпидермиса Rэ, Ом, зависит от его удельного сопротивления ρэ, значения которого находятся в пределах 104…105 Ом м, а также от S и dэ:

Сопротивление внутренних тканей тела Rв считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей.

Эквивалентная схема сопротивления тела человека, показанная на рис. 1, в, позволяет написать выражение для определения полного сопротивления тела

Потенциалы ϕзи ϕосн принадлежат одной и той же потенциальной кривой. Следовательно, можно записать

где α1 – коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной

кривой ( α1 = 1 – ϕосн ≤ 1).

ϕз

Определяя Uпр в соответствии с (6), мы не учитываем падение напряжения

на сопротивлении самозаземления ног растеканию тока. В случае высокого удельного сопротивления грунта оно может быть значительным. Учет данного напряжения позволит без снижения уровня безопасности сократить объем защитных мероприятий. С учетом изложенного напряжение прикосновения определяется следующей формулой

где α2 – коэффициент прикосновения, учитывающий падение напряжения на сопротивлении основания растеканию тока.

Согласно [1] α2 можно рассчитать по формуле

где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом/м; Rh – сопротивление тела человека, равное 1000 Ом.

Напряжение шага можно определить как разность потенциалов между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, т. е.

β2 – коэффициент шага, учитывающий падение напряжения на сопротивлении основания растеканию тока.

В прил. 2 приведены формулы для расчета сопротивлений заземлителей различной формы и кривых распределения потенциалов вокруг них.

1.3.Анализ опасности поражения током в сетях

сразличным режимом нейтрали

Под анализом будем понимать определение возможных значений напряжений прикосновения и токов через тело человека в сети с нормальным состоянием изоляции, а также при повреждении изоляции (при замыкании одной из фаз на землю).

Определим напряжение прикосновения для сетей с различным режимом нейтрали.

Для сети с заземленной нейтралью (рис. 2) согласно закону Кирхгофа можно записать

или

U0y0 =(Ua −U0 )(ya + yh ) +(Ub −U0 )yb (Uc −U0 )yc .

Рис. 2. Сеть с заземленной нейтралью

Считая напряжение фаз симметричным, запишем:

U0y0 =(Uф − U0 )(ya + yh ) +(Uфа2 − U0 )yb +(Uфа − U0 )yc ,

где а – поворотный множитель.

7

Проводимость нейтрали у0 >> уa, уb, уc, поэтому уравнение (15) в результате преобразования можно представить в следующем виде:

Можно сделать вывод, что в сети с глухозаземленной нейтралью в нормальном режиме при прикосновении к одной из фаз напряжение прикосновения близко к фазному (Rh >> r0), а ток через тело человека определяется его собственным сопротивлением.

В аварийном режиме (фаза С замкнута на землю – см. рис. 2) напряжение прикосновения определится по формуле

Величина напряжения прикосновения зависит от соотношения сопротивлений заземления нейтрали и замыкания на землю. Без учета сопротивления обуви и изолирующего пола Uф < Uпр < Uл.

В случае изолированной нейтрали (рис. 3) напряжение прикосновения определится следующим образом:

8

Однофазные сети, изолированные от земли, вследствие несовершенства изоляции, имеют активную проводимость каждого провода относительно земли (рис. 4, а). Емкость проводов относительно земли можно принять равной нулю.

Рис. 4. Прикосновение к проводу однофазной сети, изолированной от земли: а – нормальный режим работы; б – при замыкании на землю

Ток через тело человека, касающегося одного из проводов, определяется из выражений

При аварийном режиме, когда один из проводов сети, например, 2, замкнут на землю через сопротивление rзм, в случае прикосновения человека к исправному проводу (рис. 4, б), ток через тело человека и напряжение прикосновения определяются по формулам (24, 25), где r2 должно быть заменено на rэ

rэ= r2 rзм . r2 +rзм

Однофазную двухпроводную сеть с заземленным проводом (рис. 5, а)

можно рассматривать как сеть, у которой сопротивление одного из проводов относительно земли равно сопротивлению r0, а ток через человека, касающегося изолированного провода

Напряжение прикосновения при этом

10