11.3. Анализ опасности поражения электрическим током на борту строящихся летательных аппаратов

Сборка металлических корпусов самолетов имеет свою специфику в том, что работающие ведут электромонтажные и другие работы, нахо­дясь на металлическом борту объекта. При этом используются электри­ческие потребители, электроинструмент и приборы, питающиеся от раз­личных промышленных и бортовых сетей переменного и постоянного тока с номиналами (изменяемых) напряжений от 27 до 360 В и выше.

Авиационное производство: сборка корпуса самолета, установка и опробование электрооборудования и сетей, наладка, настройка и про­чие работы, проводимые на борту(в ангаре и вне его), следует отнести к особо опасному в электрическом отношении. Большая часть указан­ных работ проводится в плохо доступных местах, на металлическом ос­новании, в неудобной для работы позе исполнителя (часто на ощупь), в стесненном пространстве, заполненном электрооборудованием и кабе­лями, которые могут контактировать с открытыми частями тела, в усло­виях резкого изменения температуры и влажности воздуха, что наклады­вает особые требования к конструкции бортовых сетей электропитания.

Бортовые электрические сети различаются по роду тока, величине напряжения, частоте, числу проводов, режиму нейтрали, особенностям схемы и другим признакам. Основные типы бортовых сетей следующие.

Сети постоянного тока однопроводные с использованием металли­ческого корпуса в качестве провода, а также сети двухпроводные с напряжением от 24 до 220 В.

Сети переменного тока однофазные, одно- и двухпроводные о час­тотами 50, 400, 800, 1000 Гц, с напряжениями 36, 115, 127, 208, 220 В.

Сети переменного тока, трехфазные U = 115, 208, 360 В, работаю­щие на постоянной частоте 400 Гц, либо с изменяющейся частотой 250-1000 Гц.

Трехфазные бортовые сети могут иметь изолированную от корпуса нейтраль, либо присоединенную на корпус. Иногда применяется трех­фазная двухпроводная сеть с фазой на корпусе самолета.

Рассмотрим несколько случаев непреднамеренного подключения человека к бортовым сетям в различных режимах работы.

Сеть однопроводная постоянного (переменного) тока с одним из полюсов генератора на корпусе U = 120 В. В этом случае прикоснове­ние к проводу человека, который находится на борту, приводит к воз­никновению электрической цепи: тело человека - обувь - металлический корпус. Например, при неблагоприятных условиях, влажной обуви с ми­нимальным ее сопротивлением R_обуви  100 Ом и отсутствием под ногами диэлектрической прокладки величина тока через тело человека = 120/1000 = 0,12 А, гдеU = 27 В, (R_h+R_обуви)=1000 Ом.

Постоянный ток I_h = 120 мА может вызвать чувствительные, болез­ненные судороги в теле, особенно при влажной или поврежденной коже. Переменный ток с частотой 50 Гц той же величины значительно превышает пороговый отпускающий ток и фибриляционный.

При напряжении сети U = 42 В, частоте тока 400 Гц, C_h = 1 мкФ сопротивление тела человека 400 Ом, ток I_h = 42/400 = 0,105 A; I_h = 105 мА.

Приведенные примеры показывают, что даже при относительно невы­соких напряжениях U = 120-42 В работа на металлическом корпусе с бортовыми электрическими сетями и потребителями не является безопас­ной.

Двухпроводная трехфазная сеть U_л = 360 В, f = 400 Гц с использованием корпуса в качестве третьего фазного провода (рис.11.4б) яв­ляется наиболее опасной по сравнению с другими бортовыми (промышленны­ми) сетями. Напряжение прикосновения для человека, находящегося на борту, равно линейному напряжению U=U_л, ток, протекающий через тело человека, в случае прикосновения к фазному проводу .Значение тока I_h может намного превышать пороговый фибриляционный ток, учитывая при этом большую площадь контакта человека с корпусом, минимальное сопротивление тела человека при напряжении прикоснове­ния U_h = 360 В, частоте f = 400Гц, I_h = 360/400 = 0,9 А!

Относительно безопасными являются короткие бортовые сети трех­фазные с изолированной нейтралью и однофазные двухпроводные по срав­нению с трехфазными с нейтралью на корпусе или одним из фазных прово­дов на корпусе. Однако, если емкость проводов сети относительно кор­пуса велика, а это может оказаться реальным, так как бортовая сеть обычно имеет несколько каналов резервирования, то бортовая сеть с изолированной от корпуса нейтралью оказывается опасной по причине снижения сопротивления изоляции, см. рис.11.4а.

Рассмотрим эффекты, возникающие при растекании электрического тока в металлической конструкции корпуса ЛА. Протекание тока по ме­таллическому корпусу может возникать, например, во время изготовле­ния и сборки ЛА, проведения каких-либо работ с использованием промы­шленной либо бортовой электрической сети в аварийном режиме, а так­же при использовании корпуса самолета в качестве провода. Обычно кор­пуса самолетов выполняются из металлических тонких листов обшивки на несущем каркасе и креплением методами клепки, сварки, склеивания.

Электрическое сопротивление мест соединения обшивки резко от­личается от сопротивления сплошного листа металла, что становится еще более заметным с применением антикоррозийных покрытий отдельных деталей, листов и корпуса.

Уменьшение переходного сопротивления на стыках достигается "ме­таллизацией" с помощью шин и проводников, соединяющих отдельные части обшивки и листы между собой. Однако, металлизация позволяет только несколько уменьшить переходное сопротивление. Причины здесь следующие: площадь поперечного сечения металлизирующих соединительных шин и проводников меньше площади поперечного сечения листа; место кон­такта в процессе эксплуатации подвержено старению и неисправностям (обрывы металлизации), что приводит к увеличению переходного сопро­тивления. Следует учитывать, что при цилиндрической или иной выпук­лой форме корпуса самолета проводником электрического тока является только наружная поверхность обшивки по причине закона Кулона и вытес­нения электронов на внешнюю поверхность проводника. Последнее обсто­ятельство приводит к потенциальным барьерам на стыках листовой об­шивки корпуса; появляются скачки переходного сопротивления, так как шины металлизации выполняются на. внутренней стороне оболочки корпуса.

Появление разности потенциалов между отдельными частями метал­лической конструкции корпуса (при протекании по нему токов замыка­ния или электростатических разрядов) может привести к электропора­жению человека при его контакте с деталями корпуса или при ходьбе по листовой обшивке. Напряжением шага в этом случае условимся счи­тать разность потенциалов между соседними листами обшивки при про­текании по ней электрического тока. Однако, напряжение шага может возникать как разность потенциалов между двумя точками (на расстоя­нии шага - 0,8 м) и на сплошной обшивке при большом значении плотно­сти протекающего тока, рис. 11.5.

Закономерность (характер) распределения потенциалов на металли­ческой поверхности в зависимости от расстояния до места замыкания на корпус можно определить, сделав некоторые допущения: ток протекает только по листовой обшивке корпуса; на пути тока форма корпуса и пло­щадь сечения его, как проводника, не меняется; отсутствуют переходные сопротивления обшивки; падение напряжения источника в режиме короткого замыкания происходит на сетевом проводе и на корпусе поровну .

Плотность тока в обшивке корпуса А/м², где I_кз – ток короткого замыкания; S - площадь сечения обшивки, по которой протекаtт ток.

Напряженность электрического поля в однородной проводящей сре­де E=j, В/м, где  - удельное сопротивление материала, проводящей среды Ом м.

Потенциалы точке на расстоянии x от места аварии относитель­но источника , где dU - падение напряжения на малом участке dx

(11.4)

При неизменной площади поперечного сечения проводника S(x) = D

, (11.5)

где D- диаметр цилиндрической оболочки корпуса;

 - толщина листа обшивки корпуса.

Таким образом, разность потенциалов двух точек прямо пропорци­ональна расстоянию между ними (x₁-x₂).

Закон распределения потенциалов на металлической поверхности при S=const чаще всего линейный или ступенчатый, см. рис.11.5. Вольт­метр показывает максимум (U/2) в месте аварии - замыкания провода на корпус относительно источника. Напряжение шага на металлической обшивке

, (11.6)

где - потенциалы точек, на которых стоит человек.

Пример. Оценим возможные значения напряжения шага U_ш на метал­лическом корпусе при протекании тока по обшивке. Допустим, что ток протекает только по обшивке шириной 1 м, состоящей из листов разме­ром 1 х 1 м. Пусть расстояние между генератором и местом замыкания фазного провода на корпус составляет 5 м, U_л = 360 В. Падение напря­жения на корпусе в режиме короткого замыкания составляет  U. При конечном электрическом сопротивлении между отдельными листами падение напряжения между ними будет одинаковое и составит B, где n - число листов обшивки. Напряжение шага будет близко к этому значению (принимая размер шага 1 м), рис. 11.5 .

Однако, неисправности и неоднородности металлизации в отдельных местах обшивки корпуса повышают переходное сопротивление между лис­тами, что может вызвать увеличение напряжения шага до значения, близ­кого к напряжению сети .