Основные виды опасностей и причина поражения электрическим током

Основными причинами воздействия тока на человека являются:

◘ случайное прикосновение или приближение на близкое расстояние к токоведущим частям. Можно выделить здесь следующие виды опасностей: прикосновение к двум фазам одновременно двумя руками или другими частями тела, находящиеся под напряжением; прикосновение к одной фазе, то есть прикосновение человека, имеющего гальваническую связь с землей, к одной фазе электроустановки, находящейся под напряжением;

◘ появление напряжения на металлических частях оборудования в результате повреждения изоляции или ошибочных действий персонала;

◘ шаговое напряжение на поверхности земли в результате замыкания и т.д. В производственных случаях возможны обрывы электрических проводов и падение их на землю или нарушение изоляции кабеля, находящегося в земле или на земле. При этом вокруг любого проводника, оказывающегося на земле или в земле, образуется зона растекания тока. Если человек окажется в указанной зоне и будет стоять на поверхности земли, имеющей различные электрические потенциалы в местах, где расположены ступни его ног, то по длине шага возникает шаговое напряжение U_m риc.8.1.

U₁ U₂

Рис. 8.1. Схема возникновения шагового напряжения

1. электрическая сеть; 2 – точка падения провода; 3- человек,

находящийся под действием шагового напряжения.

Шаговым напряжением или напряжением шага называется напряжение между двумя точками цепи тока.

U_m = ф_x – ф_{х + а}

где ф_х – потенциал в точке касания земли одной ноги человека;

ф_{х + а} – потенциал в точке касания земли второй ноги;

а – длина шага (обычно в расчетах принимается равной 0,8 м).

Основные меры защиты от поражения током: изоляция, недопустимость разделения сети с помощью специальных разделяющих трансформаторов; применение малого напряжения (не выше 42 В, а в особо опасных помещениях - 12В);

─ использование двойной (рабочей и дополнительной) изоляции;

─ выравнивание потенциала; защитное заземление и зануление;

─ защитное отключение; применение специальных электрозащитных средств, организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Поскольку ф_х и ф_х+а являются частями потенциала заземлителя, то выражение шагового напряжения можно записать в виде

U_m = ф_з ·,

где - коэффициент шага, учитывающий форму кривой распределения потенциала.

1. Предельно допустимые уровни для токов, проходящих через тело человека, мА

Вид	Предельно допустимые уровни, А
	0,06-0,08	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	> 1
Напряжение до 1000 В и >	650	250	125	85	65	50	6
Напряжение до 1000 В	220	100	55	40	30	25	2

Согласно ПУЭ все помещения по степени опасности поражения людей электрическим током делятся на три класса:

─ без повышенной опасности;

─ с повышенной опасностью;

─ особо опасные.

Помещения без повышенной опасности – это сухие, беспыльные помещения с нормальной температурой воздуха и с изолирующими (например, с деревянными) полами то есть, где отсутствуют условия, свойственные помещениям с повышенной опасностью.

Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность:

1) сырости, где относительная влажность воздуха длительное время превышает 75 % (такие помещения называют сырыми);

2) высокой температуры, когда температура воздуха значительное время (свыше суток) превышает + 35⁰С (такие помещения называют жаркими);

3) токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль (например, угольная, металлическая и т.д.) в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т.п. (такие помещения называются пыльными с токопроводящей пылью);

4) токопроводящих полов – металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и других материалов;

5) возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам, с одной стороны и к металлическим корпусам электрооборудования – с другой.

Примером помещения с повышенной опасностью могут служить лестничные клетки различных зданий с токопроводящими полами, складские неотопляемые помещения и т.д.

Особо опасные помещения характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность:

◘ особой сыростью, когда относительная влажность близка к 100 % (стены, пол и предметы, находящиеся в помещении называются особо сырыми);

◘ химически активной или агрессивной среды, т.е. помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень, которые имеют разрушительное воздействие на изоляцию и токоведущие части электрооборудования (такие помещения называются помещениями с химически активной или агрессивной средой);

◘ одновременного наличия двух или более условий, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Особо опасные помещения – это большинство производственных помещений, в том числе все цеха машиностроительных заводов, испытательных станций, гальванические цеха, мастерские и т.п., к таким помещениям относятся и участки работ на земле под навесами или открытым небом.

Защита от электрического тока

От электрического тока как уже ранее было отмечено можно защититься одним из следующих способов: занулением нетоковедущих частей оборудования, заземлением, устройством защитного отключения.

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус электроустановки.

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводов.

Основное назначение этого вида защитных мер – устранение опасности поражения током в случае прикосновения человека к корпусу или другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением.

Принцип действия защитного заземления в сетях с изолированной нейтралью заключается в снижении до безопасных значений напряжения прикосновения и шага, что достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (за счет уменьшения сопротивления заземляющих устройств), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, до значений, близких к значению потенциала заземленного оборудования.

Защитное заземление применятся в сетях как выше, так и ниже 1000 В. В сетях выше 1000 В защитное заземление обеспечивает срабатывание максимальной защиты, при этом рекомендуется предусматривать устройства автоматического поиска места замыкания на землю (риз.8.3).

Защитное заземление следует отличать от рабочего заземления, которое необходимо для обеспечения работы электроустановки.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) предусматривают использование естественных заземлителей – электропроводящих частей коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, находящихся в соприкосновении с землей.

В качестве естественных заземлителей могут использоваться:

◘ проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов); обсадные трубы артезианских колодцев и скважин и т.п.;

◘ металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие прямое соединение с землей;

◘ свинцовые оболочки кабелей, проложенных в грунте;

◘ металлические шпунты гидротехнических сооружений;

◘ заземлители опор отходящих от подстанций воздушных линий электропередач, соединенных с заземляющим устройством подстанции при помощи грозозащитных тросов линий, рельсовые пути неэлектрифицированных железных дорог при наличии перемычек между рельсами.

Если сопротивление естественных заземлителей не удовлетворяет требованиям, то используются искусственные заземлители, т.е. заземлители, специально выполняемые для целей заземления. Искусственные заземлители выполняются в виде вертикальных и горизонтальных электродов. В качестве вертикальных электродов используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм, а диаметром не меньше 10 мм (обычно это трубы 50-60 мм) и угловая сталь с толщиной не менее 4 мм (4050 мм), длиной 2,5 – 3 м.

Горизонтальные электроды выполняются из полосовой стали размером не менее 412 мм или стали круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Заземлители прокладывают на глубине 0,7 – 0,8 м от поверхности земли. Горизонтальные и вертикальные заземлители соединяют между собой при помощи сварки.

Перед вводом заземляющих устройств в эксплуатацию их испытывают на сопротивление растекания тока, о чем должен свидетельствовать специальный протокол. В процессе эксплуатации заземляющего устройства сопротивление не остается постоянным, оно изменяется в зависимости от погодных условий и за счет коррозии заземлителей. Поэтому заземляющие устройства периодически подвергаются осмотрам и испытаниям. При этом время испытания выбирается таким образом, чтобы удельное сопротивление грунта в момент испытания было наибольшим (летом во время наибольшего просыхания, зимой – во время наибольшего промерзания грунта).

Явление растекания тока в земле

В процессе эксплуатации электроустановок возможны случаи, когда по земле будет протекать ток. Протекание тока может быть преднамеренным (использование земли в качестве провода) или случайным (замыкание токоведущей части на заземленный корпус электроустановки, падение провода на землю). Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе и на поверхности земли вокруг провода потенциалов.

Рассмотрим это на примере одиночного полусферического заземлителя на поверхности земли. Приращение потенциала на элементарном слое полусферических поверхностей вокруг заземлителя (будем считать грунт однородным):

где Е_х – напряженность электрического поля в точке, удаленной от заземлителя на расстояние Х;

Е_х = j_x p,

где j_x – плотность тока в рассматриваемом слое;

Р – удельное сопротивление грунта;

J_x =

где J_з - величина, стекающего на землю тока (ток замыкания).

Тогда приращение потенциала на элементарном слое можно записать в виде:

.

Интегрируя по Х, в пределах от Х до , получаем выражение, характеризующее поле растекания потенциала в земле:

где К – постоянная величина.

Таким образом, потенциал на поверхности земли вокруг заземлителя изменяется, по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения непосредственно на заземлителе и падение до нуля на определённом расстоянии от заземлителя.

ф_з =

где Ф_з – потенциал на поверхности земли вокруг заземлителя.

r – радиус заземлителя;

Теоретически поле растекания простирается до бесконечности, однако для одиночного заземлителя уже на расстоянии около 20 м площадь слоя земли настолько велика, что плотность тока здесь практически равна нулю.

Сопротивлением заземляющего устройства, или сопротивлением растеканию тока данного заземлителя, называется сопротивление грунта поля растекания, с которого в землю стекает ток.

В нашем случае сопротивление растеканию тока полусферического заземлителя можно определить как

R =

где U_R - падение напряжения на сопротивлении R;

I – прохождение тока через это сопротивление.

Падение напряжения на сопротивлении полусферического заземлителя

U_з = ф_з - ф₀,

где ф_з – потенциал заземлителя;

ф₀ – потенциал на границе поля растекания (ф₀=0).

ф_з можно определить следующим образом:

ф_з =

где r – радиус заземлителя.

Деля это выражение на ток, получаем окончательно сопротивление растекания тока полусферического заземлителя

R_з =

Протекание токов в земле представляет определенную опасность для человека. Это связано с возникновением прикосновения и шагового напряжения.

Напряжением прикосновения называется разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек. В случае касания человеком корпуса заземленной установки, на которой произошло замыкание токоведущей части, под напряжением прикосновения понимается разность между потенциалом рук, касающихся корпуса, и потенциалом основания, на котором стоит человек. Пренебрегая падением напряжения в заземляющих проводниках, можно считать, что потенциал рук равен потенциалу заземлителя, а напряжение прикосновения

U = ф_р – ф_осн = ф_з - ф_осн = ф · П_пр ,

где П_пр – коэффициент прикосновения.

Поскольку ф_з – величина постоянная, то напряжение прикосновения определяется формой кривой распределения потенциала, оно возрастает по мере удаления от заземлителя. Практически при расстояниях, превышающих 20 м, напряжение прикосновения постоянно и имеет наибольшее значение, при этом П_пр. Если прикосновение происходит около заземлителя, то напряжение прикосновения равно нулю ( П_пр = 0).

Рис. 8.2.

Зануление

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока в трехфазных сетях.

Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание с целью получения большого тока, способного обеспечить автоматическое отключение поврежденной электроустановки от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители или автоматические выключатели, устанавливаемые перед потребителями энергии для защиты от токов короткого замыкания. Скорость отключения поврежденной установки, то есть время с момента появления напряжения на корпусе до момента отключения установки от питающей электросети составляет 0,2 сек при защите установки плавками предохранителями, при защите автоматами – 0,1 сек.

Кроме того, поскольку зануленные части оказываются заземленными через нулевой защитный проводник, то в аварийный период, то есть с момента возникновения замыкания фазы на корпус и до автоматического отключения повреждений установки от сети, проявляется защитное свойство, подобно тому, как имеет место при защитном заземлении. Иначе, говоря, заземление зануленных частей, нулевой защитный проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли.

Область применения зануления – трехфазные четырехпроводные сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Обычно это сети с напряжением 380/220 В, широко применяемые в машиностроительной промышленности и других отраслях, а также сети 220/127 В и 660/380 В

(рис. 8.2).

Схема зануления требует наличия в сети нулевого защитного проводника, заземления нейтрали источника тока и повторного нулевого проводника. Назначение нулевого защитного проводника – это создание тока короткого замыкания цепи с малым сопротивлением, чтобы этот ток был достаточным для быстрого отключения поврежденной установки от сети.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок нулевой провод должен иметь проводимость не меньше половины проводимости фазного провода. В этом случае ток короткого замыкания будет достаточным для быстрого отключения поврежденной установки.

В трехфазной сети с напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью без нулевого провода невозможно обеспечить безопасность при замыкании фазы на корпус, поэтому такую сеть применять запрещается.

Назначение заземления нейтрали – уменьшение до безопасного значения напряжения относительно земли нулевого проводника (и всех присоединенных к нему корпусов) при случайном замыкании фазы на землю.

Назначение повторного заземления нулевого защитного проводника – это снижение опасности поражения людей током, возникающем при обрыве этого проводника и замыкании фазы на корпус за местом обрыва.

Рис. 8.3.

3. Защитное отключение – защита, обеспечивающая отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током. Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазного провода на корпус, при снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела и, наконец, в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущей части, находящейся под напряжением.

Устройства в зависимости от принятых для них входных величин подразделяются на следующие типы, реагирующие на потенциал корпуса, на напряжение нулевой последовательности и т.д.

Наибольшими защитными свойствами обладают устройства защитного отключения, реагирующие на ток нулевой последовательности. Они позволяют обеспечить защиту человека, прикоснувшегося к токоведущим частям, находящимся под напряжением в сетях до 1000 В (рис.8.3).

8.3. Защита от статического электричества

Электризация – это комплекс физических и химических процессов, приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или накоплению зарядов одного знака.

Суть электризации заключается в том, что нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических свойств, в условиях отрицательного контакта или взаимодействия становятся электрозаряженными. Экспериментально установлено, что положительные заряды скапливаются на поверхности того из двух соприкасающихся (трущихся) веществ, диэлектрическая проницаемость которого больше. Если соприкасающиеся вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то электрические заряды не возникают.

При статической электризации напряжение относительно земли достигает десятков, а иногда и сотен тысяч вольт. Значение токов при явлениях статической электризации составляют, как правило, доли микроампера (10^-7-10^-3А). Опасность возникновения статического электричества проявляется в возможности образования электрической искры и вредном его действии на организм человека. Эта искра может служить причиной воспламенения горючих или взрывоопасных смесей газов, паров или пыли с воздухом.

Для воспламенения от электрической искры требуется минимальная энергия, так как малый объем газа от искры нагревается до высокой температуры за предельно короткое время. Минимальная энергия искры, необходимая для воспламенения взрывоопасной смеси при её оптимальной концентрации, обычно определяется экспериментально. Для воспламенения горючих газов, паров и жидкостей достаточно возникновения искры при разности потенциалов в 300- 3000 В.

Статическое электричество оказывает вредное воздействие на организм человека, причем не только при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего вокруг загрязненных поверхностей.

Основные способы защиты от статического электричества следующие:

1) заземление оборудования, сосудов и коммуникаций, в которых накапливается статическое электричество;

2) увеличение поверхностей проводимости диэлектриков;

3) увлажнение окружающего воздуха;

4) ионизация воздуха или среды нейтрализаторами статического электричества;

5) подбор контактных пар;

6) изменение режима технологического процесса.

Заземление

Заземление является наиболее часто применяемой мерой защиты от статического электричества. Его цель – устранение электрических разрядов на проводящих элементах оборудования.

При заземлении изолированного проводника разность потенциалов между проводником и землей становится равной нулю, а генерируемые электростатические заряды стекают на землю.

Аппараты, машины и устройства, являющиеся источниками интенсивного возникновения зарядов статического электричества, следует выделять и заземлять независимо от заземления всей технологической цепи.

Сопротивление заземляющего устройства (контуры заземления), предназначенного для защиты от статического электричества, ввиду малых токов допускается до 100 Ом.

При сливе горючих жидкостей по резиновым рукавам (шлангам) на них надевают наконечники из цветного металла, которые электрически соединяются через тросики или спирали рукавов с металлическим корпусом сосуда. Такие заземляющие устройства малого сечения достаточно эффективны.