- •Электробезопасность
- •Вопрос 1.
- •Вопрос 2.
- •Вопрос 3.
- •Вопрос 4.
- •Вопрос 5.
- •Вопрос 6.
- •Вопрос 7.
- •Вопрос 8.
- •Вопрос 9.
- •Вопрос 10.
- •Вопрос 11.
- •Вопрос 12.
- •Вопрос 13.
- •Вопрос 14.
- •Вопрос 15.
- •Вопрос 16.
- •II. Электробезопасность
- •2. Явления при стекании электрического тока в землю
- •А. Стекание тока в землю через одиночные заземлители
- •В. Сопротивление растеканию тока одиночного заземлителя
- •С. Электрические свойства грунтов
- •D. Напряжение прикосновения и шага
- •4. Технические способы защиты от поражения электрическим током
- •1.1. Общие сведения о занулении
- •1.2. Выбор тока срабатывания аппаратов защиты
- •1.2 Общие сведения о заземлении
D. Напряжение прикосновения и шага
При работе в действующих электроустановках всегда существует определенная вероятность попадания человека под действие электрического тока. Эта вероятность может быть меньше или больше в зависимости от разных факторов. Но в любом случае при оценке действия тока на человека определяются значения:
напряжения прикосновения;
напряжения шага.
Шаговое напряжение.
Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение, находящихся под напряжением частей электроустановки с землей. Место, где в землю стекает ток, называется точкой замыкания на землю. Точкой замыкания на землю может быть заземлитель или попавший на землю провод.
Ток, стекая с заземлителя в землю, растекается по значительному ее объему. Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Форма заземлителя может быть очень сложной и электрические свойства грунта, как правило, неоднородны, поэтому закон распределения потенциалов вблизи заземлителя определяется сложной зависимостью. С цвелью упрощения изображения электрического поля и анализа его допустим, что ток стекает в землю через одиночный заземлитель полушаровой формы, уложенный в однородном грунте (рисунок 1). В этом случае линии растекания тока в земле будут радиальными.
Плотность тока δ на расстоянии х от центра заземлителя определяется как отношение тока замыкания на землю Iз к площади поверхности полушара с радиусом х:
Для определения потенциала в точке А выделим в поле растекания тока элементарный слой dх . Падение напряжения dU в этом слое равно
,
где Е =δρ – напряженность электрического поля;
ρ – удельное сопротивление грунта.
В бесконечно удаленной точке (х=∞) плотность тока, напряженность электрического поля и потенциал равны нулю.
Потенциал земли в точке А, находящейся на расстоянии χ от центра заземлителя, определяется
(1)
где I3 – ток замыкания на земле, который определяется при рассмотрении полной цепи замыкания, А;
ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м;
х – расстояние от центра заземлителя до определяемой точки, м.
Рисунок 1 – Гиперболический закон изменения потенциалов точек земли
Из выражения (1) видно, что потенциал точек на поверхности грунта уменьшается с удалением от места замыкания на землю и в пределе стремится к нулю. Область поверхности грунта, потенциал которой равен нулю, называется электротехнической землей.
Опытная кривая распределения потенциалов (рисунок 2), полученная непосредственными измерениями у трубчатого заземлителя, имеет примерно такой же вид, как и у заземлителя полушаровой формы.
Из кривой (рисунок 2) видно, что поверхность заземлителя имеет максимальный потенциал. На расстоянии 1 м от моста стекания тока в землю потенциал снижается на 68 %. В конце десятого метра снижение достигает 92%, а на расстоянии 20 метров потенциал точек земли практически равен нулю.
То есть сопротивление току замыкания на землю оказывает объем грунта радиусом 20 метров, находящийся в поле растекания тока. За пределами электрического поля грунт представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления протеканию электрического тока. Практически «земля» в электрическом смысле начинается с расстоянием = 10-20 м от заземлителя.
Рисунок 2 – Характер распределения потенциалов в земле при стекании тока с заземлителя.
Если человек попадает в зону растекания тока, то его ноги могут касаться разных потенциалов. Точки поверхности земли, расположенные дальше от заземлителя, имеют меньший потенциал. Следовательно, существует на ширине шага (d=0,8 м) в поле растекания тока существует разность потенциалов. Эту разность потенциалов и называют шаговым напряжением.
Величина шагового напряжения зависит от ширины шага α и расстояния χ до места замыкания на землю. Шаговое напряжение на различном расстоянии от точки замыкания (рис.1) можно определить следующими выражениями:
(2)
(3)
Из выражения (2) видно, что если х1< х2,следовательно, по мере удаления от места замыкания опасность шаговых напряжений уменьшается.
Шаговое напряжение на расстоянии от 20 м от места практически не представляет опасности. При шаге, равном 0,8 м, интенсивная судорога может возникнуть в случае, если шаговое напряжение равно 100÷150 В. В результате судороги ног человек может упасть на землю и при этом за счет увеличения расстояния между точками земли, которых теперь он будет касаться руками и ногами, может возрасти разность потенциалов. Ток в этом случае будет протекать по более опасному пути «руки-ноги». Совокупность этих факторов может привести к стремительному поражению человека электрическим к током.
Для предупреждения поражения током при случайном попадании в зону растекания тока следует покидать её так, чтобы по возможности свести разность потенциалов на ногах к нулю. Устранить опасность поражения шаговым напряжением можно с помощью диэлектрической обуви
Напряжение прикосновения
Если человек касается одновременно двух точек, между которыми существует разность потенциалов, этот человек попадает под напряжение прикосновения. При этом образуется замкнутая цепь, и через тело человека проходит ток. Величина этого тока зависит от схемы включения, т.е. от того, каких частей электроустановки касается человек, а также от параметров электрической сети.
Включение человека в электрическую цепь является, как правило, случайным процессом, возникающим при пользовании работником неисправным оборудованием: при случайном повреждении электрического оборудования во время работы, при случайном прикосновении к электрооборудованию, находящемуся под напряжением, когда, по мнению работника, оно должно было быть отключено, при прикосновении к металлическому оборудованию, на которое случайно из-за повреждения выносится потенциал электрической установки. Все эти случаи в дальнейшем называем прикосновением или ситуацией прикосновения человека в электрических сетях, что равнозначно касанию человека к фазе электрической сети.
В общем случае включение человека в электрическую цепь может быть однофазным, когда он касается одного фазного провода и земли, или двухфазным когда он касается двух фазных проводов
А) двухфазное прикосновение
Оно является наиболее опасным, хотя и чрезвычайно редким случаем прикосновения. В этом случае через тело человека проходит максимально возможный ток, величина которого не зависит от схемы электрической сети, режима нейтрали и других параметров электрической установки.
В этом случае величина тока, проходящего через человека, достигает предельного значения и определяется выражением
(4)
где Ih – ток, проходящий через тело человека, А;
UЛ – линейное напряжение, В;
Uф – фазное напряжение, В;
Rh – сопротивление тела человека, Ом.
При Uф – 220 В и Rh – 1000 Ом ток, проходящий через тело человека, составит:
т.е. это значение значительно превышает пороговое значение предельно допустимого тока (IЧ<10мА) при длительности воздействия на человека более 0,2 с (ГОСТ 12.1.038-82).
В практике эксплуатации электрического оборудования ток, проходящий через тело человека, редко определяется только напряжением электрической сети и электрическим сопротивлением тела человека. Этот ток значительно уменьшается за счет использования обуви с подошвой из полимеров, изолированных покрытий полов помещений (дерево, линолеум и др.), применения технических защитных средств защитного заземления и зануления, а также средств индивидуальной защиты.
Мерой, повышающей безопасность обслуживающего персонала, может быть понижение рабочего напряжения установки, однако это не всегда можно осуществить. Наиболее распространенной мерой является применение изолированных защитных средств.
На рисунке приведена схема однофазного прикосновения в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, которые широко применяются на железнодорожном транспорте и транспортном строительстве.
Рисунок –однофазное прикосновение к токоведущим частям в трехфазной сети с изолированной нейтралью
При касании человека провода 1 образуется замкнутая электрическая цепь: обмотка трансформатора фазы 1- провод 1-человек-земля-активное и емкостное сопротивления фазы 2 и 3 относительно земли (r2, r3, xc2, xc3 ) - провод 2 и 3 - обмотки трансформатора второй и третьей фаз. По этой цепи будет протекать ток Ih , определяющий опасность при однофазном прикосновении.
В воздушных сетях напряжением до 1000 В емкость фаз относительно земли можно приравнять к нулю и соответственно xc1=xc2=xc3= ∞, а активное сопротивление изоляции фаз относительно земли r1 =r2 =r3 =r .
Ток через тело человека для этого случая определяется сопротивлением изоляции провода относительно земли и составит
(5)
где r – сопротивление изоляции фаз относительно земли.
Из выражения (5) сопротивление изоляции фаз можно определить
(6)
Если принять максимально допустимый для человека ток 1 мА, то для обеспечения безопасности необходимо, чтобы сопротивление изоляции фаз относительно земли при U = 220 В и Rh= 1000 Ом было не менее
Величина сопротивления изоляции электроустановок нормируется выше, чем 0,5 мОм.
Если при прикосновении человека к фазе одновременно произойдет пробой другой фазы на землю (т.е. сопротивление изоляции этой фазы относительно земли =0), то человек окажется под линейным напряжением. Тогда ток, протекающий через тело человека, определяется по формуле:
Присоединение к незаземленному корпусу электрооборудования в таких сетях равносильно прикосновению к токоведущим частям.
Во всех случаях контакта человека с частями, находящимися под напряжением, это напряжение прикладывается к цепи, состоящей из сопротивления человека, обуви, пола. А напряжение прикосновения это та часть напряжения, которая приходится в этой цепи непосредственно на тело человека:
Напряжение прикосновения определяется как падение напряжения в сопротивлении тела человека.
Полное сопротивление цепи человека равно
где R – полное сопротивление цепи человека;
Rh – сопротивление человека;
Rоб – сопротивление обуви;
Rн – сопротивление пола;
α2 – коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека.
Напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека определяется из выражения:
(14)
Коэффициент α2 может быть определен, если известны сопротивления Rоб, Rн . Сопротивления обуви может колебаться в широких пределах - от несколько МОм до нескольких Ом, поэтому в наружных электроустановках, а также сырых помещениях сопротивлением обуви можно пренебречь.
Сопротивление опорной поверхности ног можно определить, если представить ноги человека как два полусферических (радиусом хН) заземлителя, включенных параллельно. Тогда
(15)
где ρ – удельное сопротивление поверхностного слоя грунта;
xН – эквивалентный радиус опорной поверхности ног (хН = 7 см).
С некоторым приближением можно использовать это выражение и для учета сопротивления пола, на котором стоит человек.
Ток через человека при прикосновении к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжениям, определяется из выражения (14). Если учесть, что
; ;
получим:
(16)
Таким образом, получена зависимость тока, проходящего через тело человека при случайном прикосновении, от тока замыкания на корпус электрической установки (землю) Ih=ƒ(I3).
Из соотношения видно, что при увеличении сопротивления заземляющего устройства, например, из-за увеличения удельного электрического сопротивления грунта, ток, проходящий через тело человека, может возрасти только в том случае, если ток замыкания соответственно не снизится. Эго связано с тем, что увеличенное значение сопротивления заземляющего устройства входит в электрическую цепь замыкания и приведёт к снижению тока в ней.