2. Анализ условий поражения в электроустановках

Наиболее характерные варианты (схемы включения) попадания человека под напряжение в сетях переменного и постоянного тока представлены в таблице 2.1, в которой приняты следующие обозначения:

• U_с – напряжение сети постоянного или однофазной сети переменного тока;

• U_л –линейное напряжение;

• U_пр – напряжение прикосновения;

• U_ш – шаговое напряжение;

• I_h – ток через человека;

• I_з – ток замыкания на землю;

• R_h – сопротивление тела человека;

• R₀ – сопротивление заземляющего устройства;

• R_из – сопротивление изоляции относительно земли.

Наиболее типичными являются два случая замыкания цепи тока через тело человека: когда человек касается одновременно 2^хпроводов и когда он касается лишь одного провода.

Двухфазное прикосновение

Двухфазное (двухполюсное) прикосновение (рис. 2.9) более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение. Ток через человека рассчитывается по формуле:

(2.1)

Рис. 2.9 Прикосновение человека к двум фазам

Для 3^хфазной сети переменного тока человек попадает под линейное напряжение (Uл)

(2.2)

где:	Uл	линейное напряжение, В
	Uф	фазное напряжение, В.

Для сети с U_л=380 В (U_ф=220 В) при сопротивлении тела человека R_h равному 1000 Ом ток через тело человека:

Этот ток для тела человека является смертельно опасным.

Для сети постоянного тока 220 В ток через тело человека будет равен:

Этот ток является неотпускающим и человек не может освободиться от него без посторонней помощи.

При 2^х фазном прикосновении ток, проходящий через тело человека практически не зависит от режима нейтрали сети, следовательно, двухфазное прикосновение является одинаково опасным, как в сети с изолированной, так и в сети с заземленной нейтралями (при одинаковых линейных напряжениях).

Очевидно, что при двухфазном прикосновении опасность не уменьшается и в том случае, если человек надёжно изолирован от земли.

Однофазное прикосновение

Однофазное (однополюсное) прикосновение происходит во много раз чаще, чем двухфазное прикосновение, но является менее опасным, поскольку напряжение, под которым оказывается человек не превышает фазного напряжения сети и ток через тело человека меньше в 1,73 раза. Кроме того, на этот ток большое влияние оказывает режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов сети относительно земли, сопротивление земли, сопротивление основания (пола), на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.

При нормальном режиме работы однофазной 2-х проводной сети изолированной от земли(рис. 2.10, а), у которой ёмкостью проводов относительно земли можно принять равными нулю, а сопротивления изоляции проводов равны по величиненапряжение прикосновения ток, проходящий через тело человека прикоснувшегося к одному из проводов можно вычислить по формулам:

где: итоки, проходящие через сопротивления изоляции проводовисоответственно.

Учитывая, что и

получаем:

тогда напряжение прикосновения:

а ток, проходящий через человека:

.

Так как то выражения упрощаются и примут вид:

Очевидно, что чем лучше изоляция проводов относительно земли, тем меньше опасность однофазного(и двухфазного)прикосновения к проводу.

При аварийном режиме однофазной 2-х проводной сети изолированной от земли, когда один из проводов сети замкнут на землю через сопротивление(рис. 2.10, б), которое намного меньше по сравнению с сопротивлением изоляции проводов и, которое можно принять равным нулю, напряжение прикосновения и ток через человека, прикоснувшегося к исправному проводу, будут иметь наибольшие возможные значения:

Очевидно, что при аварийном режиме работы сети (при замыкании одного провода на землю) человек, прикоснувшийся ко второму исправному проводу, оказывается под полным напряжением сети независимо от сопротивления изоляции проводов. Опасность поражения в этом случае значительно выше, чем в случае прикосновения к тому же проводу сети в период её нормально работы.

Рис. 2.10. Прикосновение человека к проводу однофазной двухпроводной сети изолированной от земли:

а) при нормальном режиме;

б) при аварийном режиме

В однофазной двухпроводной сети с заземлённым проводом(рис. 2.11), ёмкостью которой можно пренебречьпри прикосновении к незаземлённому проводунапряжение прикосновения и ток через тело человека определяются выражениями:

где: - сопротивление заземления провода.

Очевидно, что при человек оказывается практически под полным напряжением сети, а ток через тело человека имеет наибольшее значение.

Влияние сопротивлений иизоляции проводов сети в этом случае незначительно и ими можно пренебречь.

Необходимо отметить исключительно важное значение изоляции основания (полов и обуви) на котором стоит человек. Сопротивления обуви и полавключаются последовательно с сопротивлением тела человека. С учётом этого расчётная формула величины тока через тело человека будет иметь вид:

Рис. 2.11. Прикосновение человека к проводу однофазной двухпроводной сети с заземлённым проводом

а) прикосновение к незазмлённому (L) проводу;

б) прикосновение к заземлённому (N) проводу в нормальном режиме работы сети;

в) прикосновение к заземлённому проводу в режиме к.з. между проводами сети.

Прикосновение человека к заземлённому проводу ошибочно считают безопасным полагая, что напряжение этого провода относительно земли мало. В действительности же при прикосновении к заземлённому проводу (Рис. 28, б), человек оказывается под воздействием напряжения равного падению напряжения в заземлённом проводе на участке от места его заземления (А) до места касания (В):

где: - ток нагрузки, проходящий по проводу;

- сопротивление провода.

В нормальных условиях это напряжение не велико, а наибольшее его значение соответствует наиболее удалённой от источника точке.

При к.з. между проводами сети (рис. 2.11, в) ток резко возрастает. Очевидно, что и напряжение прикосновения возрастает практически пропорционально увеличению тока в проводе и при к.з. может достигать опасных для человека значений.

Известно, что в 3-х фазной 4-х проводной сетинапряжение прикосновения приложенное к телу человека, прикоснувшегося к фазному проводу электрической сети с нейтралью (в общем случае) заземлённой через активное и индуктивное сопротивление определяется выражением:

,

а ток, проходящий при этом через тело человека, выражением:

где: ,,,,,полные проводимости, соответственно, фазных (1,2,3) проводов, нейтрального провода (н), заземления (о) и тела человека (h),а– фазный оператор 3-х фазной системы, учитывающий сдвиг фаз.

При нормальном режиме работы сетипроводимости фазных и нулевых проводов относительно земли по сравнению снезначительны и их можно приравнять к нулю, т.е.

====0.

Рис. 2.12. Прикосновение человека к одной фазе 3-х фазной сети с заземленной нейтралью.

В 3-х фазной сети с заземлённой нейтралью(рис. 2.12), цепь тока, проходящего через человека включает в себя, кроме сопротивления тела человека, ещё и сопротивление его обуви, сопротивление пола, а также сопротивление заземления источника тока. Причём все эти сопротивления включены последовательно.

Ток, проходящий через тело человека в этом случае будет определяться по формуле:

(2.3)

где:	Uф	фазное напряжение сети, В;
	Rh	cопротивление тела человека, Ом;
	Rоб	сопротивление обуви человека, Ом;
	Rn	сопротивление пола (основания), Ом;
	R0	сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом

Наиболее неблагоприятный случай будет, когда человек, прикоснувшийся к фазному проводу, имеет на ногах токопроводящую обувь (сырую или подбитую металлическими гвоздями) и стоит непосредственно на сырой земле или на токопроводящем (металлическом) полу (или на заземленной металлической конструкции). В этом случае R_об = и R_n=0.

Ток, проходящий через тело человека будет определяться по формуле:

(2.4)

Обычно сопротивление заземления нейтрали (R₀) во много раз меньше сопротивления тела человека (R_h) и не превышает 10 Ом, им можно пренебречь, и тогда ток через тело человека можно определить по формуле:

Так, в сети с фазным напряжением 220 В при R_h=1000 Ом, ток через человека будет:

Этот ток также смертельно опасен для человека.

В случае. когда человек имеет на ногах непроводящую обувь (например, диэлектрические галоши) и стоит на изолирующем основании (например, на деревянном полу), то принимая R_об= 45000 Ом и R_n=100000 Ом, получим:

Этот ток не опасен для человека.

В действительных условиях диэлектрическая обувь и изолирующие основания обладают значительно большими сопротивлениями, и ток, проходящий человека, будет ещё меньше.

Рис. 2.13. Присоединение человека к одной фазе 3-х фазной сети с изолированной нейтралью

В сети 3-х фазной с изолированной нейтральюток (рис. 2.13), проходящий через человека в землю, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.

С учётом сопротивлений обуви (R_об) и пола (R_n), на котором стоит человек, включенных последовательно сопротивлению тела человека (R_h), ток, проходящий через человека, определяется по формуле:

(2.5)

где:

Rиз

cопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом

При наиболее неблагоприятном случае (R_обиR_n=0) уравнение упростится и примет вид:

(2.6)

Для случая сети с U_ф=220 В при R_из=90000 Ом и R_h=1000 Ом ток через тело человека будет равен:

Этот ток будет ощутимым, но не смертельным для человека.

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что в сети с изолированной нейтралью условия безопасности находятся в прямой зависимости от сопротивления изоляции проводов сети относительно земли, (чем лучше изоляция, тем меньше ток, проходящий через тело человека).

Кроме того, в сети с изолированной нейтралью, ток через человека, прикоснувшегося к фазному проводу будет ограничиваться сопротивлением обуви и пола.

При R_об=45000 Ом и R_n=100000 Ом ток через человека:

Этот ток практически безопасен для человека.

Таким образом, при прочих равных условиях прикосновение человека к одной фазе в сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сети с заземленной нейтралью.

Если человек прикасаться к нетоковедущим частям (к корпусу) электроустановки, то ток через него зависит и от сопротивления изоляции между корпусом и токоведущими частями. В большей степени эта зависимость проявляется при прикосновении к корпусу однофазного электроприемника в сети с глухозаземленной нейтралью. Схема замещения для этого случая приведена на рис. 2.14, гдеR_н–сопротивление нагрузки,R_из– сопротивление изоляции между корпусом и токоведущими частями электроприемника.

Рис. 2.14. Схема замещения сети с глухозаземленной нейтралью при прикосновении человека к корпусу электроустановки.

Из схемы видно, что R_изпредставляет собой дополнительное сопротивление в цепи тела человека, поэтому ток через человека будет определяться выражением:

(2.7)

Сопротивление изоляции в этом случае (при малом R₀) должно удовлетворять условию:

R_из-R_h(2.8)

где:

Ihq

пороговый неощутимый ток

В этом случае человек не будет ощущать воздействие электрического тока при обслуживании электроустановки.

Таким образом, на безопасность электроустановок значительное влияние оказывают сопротивления изоляции токоведущих частей относительно земли и корпусов электроустановок. Эти сопротивления нормируются. В ряде случаев нормируются не сопротивления изоляции, а токи, определяемые ими (токи утечки).