6. Ситуационный анализ поражения током

Наиболее характерны два случая замыкания цепи тока через тело человека: когда человек касается одновременно двух проводов и когда он касается одного провода. Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным прикосновением, а вторую – однофазным.

1. Типы электрических сетей

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), электроустановки в отношении мер электробезопасности разделяются:

1. на электроустановки выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);

2. электроустановки выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);

3. электроустановки до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;

4. электроустановки до 1 кВ с изолированной нейтралью.

На величину тока, проходящего через тело человека в аварийной ситуации, оказывают влияние режим нейтрали сети, сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола (или основания), на котором стоит человек, и другие факторы.

2. Двухфазное прикосновение

А

а

б

С

Рис. 11. Схема прохождения тока через тело человека при двухфазном прикосновении:

а – общая схема; б – векторная диаграмма напряжений фаз относительно земли

Ток, проходящий через тело человека, в этом случае не зависит от режима нейтрали:

,

где U_л – линейное напряжение;

U_ф – фазное напряжение;

r_h – сопротивление тела человека.

Двухфазное прикосновение считается наиболее опасным, поскольку человек оказывается под линейным напряжением, которое в раз больше фазного.

3. Однофазное прикосновение а. Однофазное прикосновение в сетях с заземленной нейтралью

Рис. 12. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении в сети с заземленной нейтралью

Ток, проходящий через тело человека:

,

где R_н – сопротивление заземления нейтрали, R_н ≤ 4 Ом;

r_п, r_об , r_од – сопротивление пола, обуви, одежды.

Б. Однофазное прикосновение в сетях с изолированной нейтралью

Рис. 13. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении в сети с изолированной нейтралью

В сетях с изолированной нейтралью условия электробезопасности определяются сопротивлениями изоляции и емкостью относительно земли.

Ток, проходящий через тело человека:

.

Если емкость проводов относительно земли мала, т.е. С_ф–>0, что обычно бывает в воздушных сетях небольшой протяженности, то ток через тело человека определится выражением

,

где R_ф – сопротивление изоляции фазы.

Если же емкость велика, а проводимость изоляции незначительна, т.е. R_ф→∞, что обычно бывает в кабельных сетях, то сила тока через тело человека:

где Х_с – емкостное сопротивление, Х_с = 1/ ωС, Ом;

ω – угловая частота, рад/с.

Таким образом, при поддержании параметров сети R_ф и С_ф на соответствующем нормам уровне можно добиться обеспечения электро-безопасных условий эксплуатации сети. Поэтому при эксплуатации электри-ческих сетей, работающих в режиме изолированной нейтрали, особое значение имеет контроль изоляции. По требованию безопасности R_из ≥ 0,5 Мом.

Приведенные формулы справедливы для работы установок в нормальном режиме (т.е. при сохранении нормативных значений сопротивления изоляции).

С хема прохождения тока через тело человека в аварийном режиме (при неисправности изоляции фаз) приведена на рис. 14.

Рис. 14. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении в сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю одной из фаз (аварийный режим)

Ток, проходящий через тело человека в аварийном режиме определяется выражением

.

В аварийных ситуациях (при неисправности изоляции фаз) человек попадает под действие линейного напряжения.

Таким образом, при неисправности изоляции фаз человек попадает под действие линейного напряжения.

Аварийные режимы возникают при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением и по другим причинам. Потенциал токоведущей части падает при этом до потенциала ₃, где ₃ = J₃·r₃; здесь J₃ – ток замыкания; r₃ – сопротивление цепи в точке замыкания.

Растекание тока замыкания в грунте определяет характер распределения потенциала на поверхности земли. Для упрощения анализа предположим, что ток стекает в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы, что грунт однородный и изотропный и что удельное сопротивление грунта ρ во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя. Тогда плотность тока в точке на расстоянии х выразится зависимостью

,

где – ток, стекающий с заземлителя в грунт; – площадь поверхности полусферы радиусом х, =

Падение напряжения в элементарном слое грунта толщиной dx выразится через напряженность поля Е и толщину этого слоя:

DU = Edx.

Напряженность поля определяется законом Ома в дифференциальной форме Е = ρ.

Потенциал точки х равен падению напряжения от точки х до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом. Поэтому

.

Обозначив , получим .

Таким образом, потенциал на поверхности грунта распределяется по закону гиперболы. Схема растекания тока в грунте представлена на рис.15.

Рис. 15. Распределение потенциала по поверхности земли при стекании тока на землю

Напряжение прикосновения (рис.16) – это напряжение между двумя точками цепи замыкания на землю (корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Численно оно равно разности потенциалов корпуса и точек грунта, в которых находятся ноги человека, :

;

; ; ,

где – удельное сопротивление грунта;

r – радиус условного полусферического заземлителя;

– коэффициент напряжения прикосновения. В пределах зоны растека-ния тока меньше единицы, а за пределами этой зоны равен единице. Напряжение прикосновения увеличивается по мере удаления от заземлителя, и за пределами зоны растекания тока оно равно напряжению на корпусе оборудования.

Ток, протекающий через тело человека при прикосновении,

.

Напряжение шага (рис. 16) – разность потенциалов, обусловленная растеканием тока замыкания на землю, между точками цепи тока, находящихся на расстоянии шага а (а = 0,8 м), которых одновременно касается ногами человек.

Рис.16. Схема возникновения напряжения прикосновения и шагового напряжения

; ; ; ,

где _ш – коэффициент шагового напряжения.

Напряжение шага зависит от потенциала замыкания и удельного сопротивления грунта, а также расстояния от заземлителя и ширины шага.

Напряжение шага максимально у заземлителя и уменьшается по мере удаления от заземлителя; вне поля растекания оно равно нулю.

Ток, обусловленный напряжением шага,

.

Следует отметить, что условия поражения человека напряжением прикосновения и напряжением шага различны, так как ток протекает по разным путям: через грудную клетку – от напряжения прикосновения и по нижней петле – от напряжения шага. Значительные напряжения шага вызывают судорогу в ногах, человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль всего тела человека.