ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА-МЕТОДИЧКА

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

ВОЛЬТАМПЕРНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТІЛА ЛЮДИНИ ДЛЯ АВАРІЙНИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК

Мета роботи: Навчитись визначати вольтамперні характеристики тіла людини за дослідними даними, знятими у безпечному діапазоні напруг та дослідити реакцію організму на проходження струму через тіло людини.

1.Зміст роботи

1.Вивчити дану інструкцію.

2.Ознайомитись з схемою лабораторної установки для зняття вольтамперної характеристики.

3.Зняти вольтамперні характеристики для шляху струму “ рука-рука” для різних площ дотику.

4.Побудувати вольтамперні характеристики тіла людини зняті експериментальним та розрахунковим шляхом.

5.Зробити висновки по результатах роботи.

2.Загальні відомості

Електробезпеці як науці властива суперечність між гуманною метою розроблення заходів з запобігання електричних уражень і небезпекою для здоров'я, а іноді і життя, людей під час експериментальних досліджень електричних характеристик тіла і реакції організму на дію електричного струму. Важливо, що в більшості випадків люди, на яких проводилися дослідження, не усвідомлювали небезпеки, а в деяких – піддавались дії електричного струму примусово. Відомі також випадки коли дослідник, проявляючи справжню громадську мужність, проводив експерименти на собі, у тому числі за небезпечних параметрів струму і напруги, звільняючи тим самим своїх послідовників від необхідності ризикувати здоров'ям, а, можливо, і життям для одержання цінної інформації про дію електричного струму на людину.

Опір тіла людини має параметричну залежність не тільки від напруги дотику, але і від площі контакту з електродами F. Цю складну залежність досліджував експериментально на собі проф. Г.Бігельмайєр [1]. Отримані ним результати представлені на рис. 1. Автор [1] звертає увагу, що на напрузі понад 50В криві швидко зближуються. Для напруг дотику понад 150 В, які найчастіше зустрічаються в низьковольтних установках, площа дотику має менше значення, чим прийнято вважати.

При обробленні наявної бази даних необхідно було виділити з повного опору людини

Z h його нелінійну Z h var і лінійну Rhзал=f(f) складові. Спад напруги на лінійній складовій виділяли з умови монотонності і відсутності перегинів кривої спаду напруги на нелінійній складовій. Для проф. Г.Бігельмайєра, що проводив досліди над собою [1], на частоті 50 Гц лінійна складова опору дорівнює

нелінійній частині опору людини до густини струму jh = Ih/F, тобто замінити значення струму Ih на густину струму jh для певної площі F. Врезультаті ми одержимо залежності Uhнл=f(jh) для різних площ дотику F, які практично будуть співпадати. Тому, за допомогою вольтамперної характеристики тіла людини в безпечному діапазоні напруг і на малій площі дотику до

21

електродів можна побудувати вольтамперну характеристику тіла людини на великих площах дотику F. Це актуально, коли людина може доторкнутися великою площею поверхні тіла (наприклад долонею) до електроустановки, яка працює в аварійному режимі.

Рис. 1. Залежність повного опору тіла від напруги дотику для різної площі поверхні дотику електродів F (при площі 1 мм2 і напрузі 220 В утворилися електромітки)

Отже, маючи вольтамперні характеристики тіла людини зняті в безпечному діапазоні напруг і на малих площах дотику, можна отримати вольтамперні характеристики на великих напругах і великих площах дотику.

З використанням дослідних даних проф. Г.Бігельмайєра (рис.1) одержимо розрахункову вольтамперну характеристику на нелінійному опорі тіла людини для шляху струму „ рука-рука” рис. 2. Як видно залежність виду Uhнл= Аln(jh)+B (для Uhнл>А), добре описує характер нелінійності людини в діапазоні напруг 25 - 220 В.

Найважливішою задачею дослідження вважалося визначення тієї мінімальної напруги Uh, яка гарантувала б відповідність апроксимованої вольтамперної характеристики реальній характеристиці, отриманій експериментально. Тому на першому етапі досліджень враховувалися всі наявні дослідні дані, а потім з бази даних виключалася точка, знята на найвищій напрузі і знову виконувалася апроксимація характеристики. Так повторювалося декілька разів. Було зроблено висновок, що апроксимаційні функції вольтамперних характеристик за дослідними даними [1] знятими на напрузі до 75 В майже не відрізнялися від вольтамперної характеристики побудованої по експериментальних даних на вищих напругах.

Найважливішим висновком із проведеної роботи можна вважати обґрунтування верхньої межі напруги (75В), достатньої для надійної апроксимації спадання напруги на

22

23

Проаналізуємо матеріали МЕК [2] щодо розрахункових значень імпедансу тіла людини для різних значень напруги, що були отримані в основному вимірами на трупах з наступним приведенням до імпедансів живих людей (табл. 1, ліві стовпчики). Відомо, що шляхи проходження електричного струму в тілі живої і мертвої людини істотно відрізняються. Тому, враховуючи, що згадані дані табл. 1 для напруг дотику 25 і 50В отримані на живих людях, використаємо їх разом з наведеними в табл. 1 асимптотичними значеннями імпедансів для побудови вольтамперної характеристики за запропонованою нами методикою. Отримані в такий спосіб розрахункові характеристики для 95% популяції людей (табл. 1) за даними МЕК наведені на рис.3. На рисунку дані МЕК з табл. 1 нанесені також як точки вольтамперних характеристик. У випадку апроксимації вольтамперних характеристик за дослідними даними для конкретної особи з послідовним розширенням кількості дослідних даних коефіцієнти рівнянь апроксимації вигляду Uhнл=Аln(Ih)+B змінюються монотонно. Якщо ж, як дослідні точки використовувати дані МЕК [2] (табл. 1), то коефіцієнти рівнянь апроксимації з розширенням бази дослідних даних змінюються безсистемно (рис. 3) Це ставить під сумнів відповідність зміни опору тіла людини за даними МЕК [2] (табл. 1) реальним процесам в організмі. За згаданими вище причинами можна вважати, що достовірнішими є дані про імпеданс тіла для напруг до 50 В, а, відповідно, більш достовірними є апроксимаційні функції з Uhмакс=50 В. Розраховані за цими апроксимаційними функціями імпеданси тіла людини наведені в табл. 1 (праві стовпчики).

Таблиця 1.

Значення імпедансу тіла в залежності від напруги дотику Uh за матеріалами МЕК і скореговані; шлях струму “ рука-рука”, велика поверхня дотику, руки сухі.

Порівняння даних МЕК і отриманих нами (табл. 1) дозволяє зробити висновок, про те, що швидкість зменшення імпедансів тіла в діапазоні напруг 100-220 В значно більша, ніж вважалося до цього часу.

3.Зміст звіту

1.Схема для зняття вольтамперних характеристик.

2.Таблиця з експериментальними значеннями.

24

3.Вольтамперні характеристики побудовані на ЕОМ і пояснення до них.

4.Висновки по результатах роботи.

Експериментальне зняття вольтамперної характеристики тіла людини.

1. Зібрати схему лабораторної установки згідно рис.4.

V2

вольтметр В7-21А

Рис. 4. Схема лабораторної установки для зняття вольтамперної характеристики тіла людини.

2.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення генератора.

3.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення вольтметра V1, що використовується для реєстрації вихідної напруги генератора.

4.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення універсального вольтметра V2, що використовується для реєстрації струму через тіло людини.

5.Покласти долоні обох рук на електроди циліндричної форми з площею F для зняття вольтамперної характеристики.

6.Потенціометром плавного регулювання вихідної напруги встановити задані викладачем напруги на виході генератора і проконтролювати їх величину за показом вольтметра V1. Фіксувати значення струму через тіло людини для кожного значення напруги.

7.Записати в таблицю 2 покази приладів.

Таблиця 2

Результати експериментального зняття вольтамперної характеристики тіла людини.

Обробка даних на ЕОМ

1.По знятих експериментально даних в програмі GRAPHER побудувати

вольтамперні характеристики тіла людини для різних площ дотику, які будуть описуватись апроксимаційним рівнянням вигляду Uh=A·lnIh+B+Rhзал·Ih.

2.З даних вольтамперних характеристик необхідно виділити і побудувати

вольтамперні характеристики на нелінійному опорі тіла людини Uhнл=A·lnIh+B.

25

Значення лінійних опорів тіла людини Rhзал для різних площ взяти із лабораторної роботи „ Синтез моделей тіла людини при дії на неї довготривалих допустимих напруг” (дослід на частоті 20000 Гц).

3.Для найменшої площі дотику F=0.2 см2 будуємо залежність Uhнл=f(jh), де jh=Ih/F – густина струму, А/см2.

4.По залежності Uhнл=f(jh) будуємо вольтамперні характеристики тіла людини Uhнл=f(Ih) для решти площ дотику.

5.Порівняти вольтамперні характеристики побудовані по експериментальних даних (п.2) з вольтамперними характеристиками тіла людини для різних площ дотику, які побудовані згідно п.4.

Контрольні запитання

1.Від чого залежить і з яких складових складається опір тіла людини.

2.В чому полягає суть методики зняття вольтамперних характеристик у безпечному діапазоні напруг на малих площах дотику.

3.Як можна використати практично вольтамперні характеристики у безпечному діапазоні напруг.

4.Вказати діапазон зміни імпедансу тіла людини взалежності від напруги дотику для 5%, 50%, 95% популяції людей.

26

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИСТРОЮ ЗАХИСНОГО ВИМКНЕННЯ

Мета роботи: ознайомитися з конструкцією пристрою захисного вимкнення, визначити його характеристики.

1.Зміст роботи.

1.1.Вивчити дану інструкцію.

1.2.Ознайомитись із схемою лабораторного стенда для перевірки і випробування пристрою (ПЗВ) захисного вимкнення (рис. 9).

1.3.Перевірити роботу кнопки ТЕСТ ПЗВ.

1.4.Визначити номінальну уставку по струму ПЗВ.

1.5.Експериментально зняти ампер-секундну характеристику ПЗВ.

1.6.Побудувати експериментальну ампер-секундну характеристику ПЗВ, порівняти її з нормативною (табл. 2) і зробити висновок про придатність ПЗВ до експлуатації.

2.Загальні відомості.

В70-ті роки робоча група Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК) зробила спробу систематизувати і узагальнити всі нагромаджені дані про електротравматизм. Результатом

роботи групи було видання в 1974 році Рапорту 479 МЕК “ Дія струму при протіканні через тіло людини”. Проведенні пізніше наукові дослідження поширили і поглибили розуміння про природу дії електричного струму на живі організми і дозволити переглянути з нових позицій раніше зібрані матеріали Рапорту 479 МЕК, що й було зроблено в 1984 та 1987 роках. В 1994 році було підготовлено нове, третє видання Рапорту 479 МЕК. Рапорт 479 МЕК є нормативним документом, він має рекомендаційний характер і може служити основою для національних норм з електробезпеки.

Згідно Рапорту 479 МЕК ефекти дії на тіло людини електричного струму частотою 50-60 Гц такі як поріг невідпускання, утруднення дихання, фібриляція серця, зростають зі збільшенням часу дії на тіло людини електричного струму. Вони характеризуються струмочасовими залежностями наведеними на рис. 1.

Рис. 1. Струмо-часові залежності дії струму на тіло людини згідно МЕК 479-1.

27

У зоні 1 (рис. 1) зовсім відсутні будь-які реакції на дію струму незалежно від її тривалості. Зона 2 характеризується значним неприємним відчуттям на дію струму без втрати контролю за м’язами та, звичайно, без небезпечних наслідків. У зоні 3 не виникає майже ніяких органічних пошкоджень, але існує велика ймовірність судоми м’язів та ускладнення дихання у випадку протікання струму довше 2 секунд. Зворотні порушення ритму скорочення серця, у тому числі фібриляція та тимчасова зупинка серця, без фібриляції зростають із збільшенням струму та часу дії. У зоні 4 на додаток до ефектів зони 3 можуть виникати та посилюватись зі збільшенням струму та часу дії такі патофізіологічні ефекти, як зупинка серця, дихання, тяжкі опіки. Крива С1 характеризує можливість виникнення фібриляції серця з ймовірністю до 5%, С2 – до 50%, а крива С3 – понад 50%.

В залежності від умов довкілля, особливо з наявністю чи відсутністю вологи, згідно зі стандартом NF 15-100 прийнято, що величина безпечної напруги (UL) змінного струму становить: 50 В для сухої атмосфери, 25 В для вологої атмосфери.

Витримки часу захисту від ураження електричним струмом за умовами, обмеженими кривою b (рис. 1) в залежності від роду струму, напруги дотику та атмосферних умов наведені в табл. 1. Значний ризик має зона для умов справа від кривої b. Тому величини часу з табл. 1 слід вважати максимально допустимими.

Таблиця 1.

Найбільша витримка часу захисту, сек.

З табл. 1 видно, що найбільша витримка часу захисту від ураження електричним струмом нелінійно зменшується з ростом напруги дотику і збільшенням вологості атмосфери.

Захист людини від ураження електричним струмом повинен забезпечуватися як у випадку нормального (неаварійного) стану електроустановки (захист від прямого дотику), так і в випадку, пошкодження електроустановки (захист від непрямого дотику).

Випадки ураження, людини електричним струмом можна розділити на дві групи.

Перша група – це ураження внаслідок прямого дотику тіла (частіше всього рук) до частин електроустановки, що звичайно знаходяться під напругою. Це відбувається шляхом торкання або недопустимого наближення до незахищених частин електроустановки. Захист від ураження першої групи називається основним, або захистом від прямого дотику.

28

Друга група – це ураження внаслідок дотику тіла до електричного або іншої металевої частини, яка в нормальних умовах не знаходиться під напругою, але на якій напруга з’являється в результаті пошкодження робочої ізоляції, або при перенесенні напруги з іншої з’єднаної з нею металевої частини. Захист від ураження другої групи називають додатковим захистом або захистом від непрямого дотику.

До основних захистів відносять наступні заходи:

-ізоляція струмопровідних частин;

-використання огорож та оболонок;

-встановлення бар’єрів;

-розміщення поза зоною досяжності;

-доповнення захисту від прямого дотику застосуванням пристроїв захисного вимкнення (ПЗВ), що реагують на диференційні струми (струми витоку на землю).

Допоміжний захист полягає в застосуванні одного чи декількох з наступних заходів:

-автоматичне вимкнення живлення;

-застосування обладнання з подвійною ізоляцією (чи посиленою або рівноцінною ізоляцією) – обладнання II класу захисту;

-ізолювання робочого місця;

-застосування незаземленого місцевого вирівнювання потенціалів;

-електричне розділення мереж (захисне розділення).

Крім того, існують спеціальні або особливі способи захисту від прямого та непрямого дотику шляхом створення спеціальних або особливих мереж:

-із застосуванням наднизьких безпечних та захисних напруг;

-із застосуванням наднизьких функційних напруг, а також обмеженням енергії

розряду.

Захисне вимкнення за допомогою ПЗВ є прогресивним і дуже ефективним способом захисту людини від ураження електричним струмом, а також запобігання виникнення пожежі внаслідок пошкодження ізоляції та вирішення деяких інших проблем.

Досвід країн Західної Європи, Канади, Австралії, ПАР та інших засвідчує, що широке запровадження (починаючи з кінця 70-х років) пристроїв захисного вимкнення забезпечило значне зниження електротравматизму. За приблизними розрахунками в країнах Західної Європи в експлуатації знаходиться понад 800 мільйонів ПЗВ, встановлених в житлових та громадських будівлях.

Значним поштовхом запровадження пристроїв захисного вимкнення в електричних мережах низької напруга стали високий рівень електротравматизму з одного боку, і значне нагромадження досвіду у дослідженні та розробленні нормативної бази, а також налагодження випуску високоякісних та надійних пристроїв з розчеплювачем сумарного струму витоку з другого боку.

Приєднання України до Європейської спільноти вимагає виконання нормативних вимог Міжнародної електротехнічної комісії, зокрема вимог нового стандарту МЕК 60364-4-41 “ Захист від нещасних випадків при ураженні електричним струмом”, який передбачає застосування ПЗВ.

З метою забезпечення захисту населення від ураження електричним струмом і захисту будівель і споруд від пожеж Міненерго, Держбуд і Держнаглядохоронпраці підписали в листопаді 1997 р. спільний наказ про обов’язкове застосування пристроїв захисного вимкнення:

29

1.Усім проектним і проектно-конструкторським організаціям, незалежно від форм власності, при розробці проектів на будівництво, капітальний ремонт і реконструкцію житлових будинків, будівель та споруд громадського призначення проектування яких закінчується після 1.01.98р. передбачити встановлення ПЗВ в схемах електропостачання вказаних споживачів.

2.Подачу електроенергії при уведенні до експлуатації будівель і споруд житлового і громадського призначення з 1.01.99 р. здійснювати тільки при наявності ПЗВ.

В вітчизняній практиці до недавнього часу для захисту від ураження електричним струмом використовувалась ізоляція струмопровідних частин (побутова мережа 220 В) або ізоляція і автоматичні вимикачі (мережі будівель споруд 380/220 В) .

Розглянемо можливі небезпечні ситуації при таких варіантах захисту. Багатьом знайома ситуація, коли холодильник або порохотяг раптово починають “ бити” електричним струмом. Сила “ удару” значно зростає, якщо людина стоїть босоніж на вологій підлозі. Електроприймач 3 (рис. 2) в цьому випадку підключений до мережі вилкою з двома однаковими “ штирями”, які можна вставити в розетку 1 будь-яким чином.

При порушенні ізоляції в електроприймачі 3 його металевий корпус буде під напругою, близькою до фазної. Але, в наслідок того, що корпус безпосереднього контакту з “ землею” не має (холодильник стоїть на пластмасових ніжках 4) в мережі підвищених струмів не спостерігається і запобіжник 2 не спрацьовує.

Рис. 2. Схема ураження людини в побутовій мережі без уземлення корпусів обладнання (L – фазний провідник; N – робочий нульовий провідник).

Коли людина, що стоїть на підлозі, торкається металевого корпусу, вона попадає під цю напругу, і через її тіло починає протікати струм Ih. Таке ураження людини електричним струмом дуже часто приводить до електротравм різної системи важкості.

Електроприймачі з вилкою, що має три “ штиря” ( так звані, євровилки і євророзетки), мають більш ефективний захист. У такій вилці-розетці забезпечується з’єднання корпуса електроприймача з нульовим робочим провідником мережі окремим захисним РЕ провідником

5 (рис. 3).

При порушенні ізоляції в мережі (рис. 3) разом з робочим струмом I1 починає протікати струм I2 по контуру фаза L-корпус – захисний провід РЕ-нульовий провід РЕN-джерело. Величина струму I2 залежить від опору в місці пошкодження ізоляції. В більшої кількості випадків пошкодження ізоляції приводить до “ металевого” замикання , і в колі через фазний провід L і захисний провід РЕ починає протікати струм короткого замикання, що приводить до

30