4. Электробезопасность

1. Действие тока на организм

2. Пороговые значения токов

3. Электрическое сопротивление тела человека

4. Анализ опасности прикосновения к токоведущим частям

4.1. Нормальный режим работы

4.2. Аварийный режиме

4.2.1. Напряжение прикосновения

4.2.2. Напряжение шага

5. Классы опасностей помещений

6. Требования к обслуживающему персоналу

7. Организационные и организационно-технические мероприятия по обеспечению электробезопасности

8. Технические средства защиты в электроустановках

Электробезопасность - система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного действия электрического тока, электрической дуги, электромеханического тока и статического электричества

1. Воздействие электрического тока на организм

Проходя через тело человека электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая:

а) термическое действие б) электролитическое

в) механическое г) биологическое

Любое из перечисленных воздействий тока может привести к электри- ческой травме, т.е. к повреждению организма, вызванного воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ 12.1.009-76).

Различают (условно):

• А. Местные электротравмы:

^{• электрический ожог, перегрев внутренних органов;}

^{• электрические знаки;}

^{• металлизация кожи частицами расплавившегося под действием}

электрической дуги металла;

• механические повреждения, вызванные непроизвольными сокращениями мышц под действием тока (редко).

Б. Общие электротравмы (электрический удар) - из-за нарушения нормальной деятельности отдельных жизненно важных органов (например, при фибрилляции сердца) поражается весь организм. Иногда отс. вида сочетаются, но возможное смертельное поражение без видимых местных травм.

Электрический удар - это процесс возбуждения живых тканей организма электрическим током, сопровождающийся судорожным сокращением мышц.

Интенсивность и характер этого процесса зависит от следующих факторов:

1) характера тока (постоянный, переменный, выпрямленный);

2) его силы;

3) длительности;

4) пути прохождения и др.;

5) состояния первичной системы;

6) определенной среды (неблагоприятные факторы - повышенная температура, пониженное давление).

в) изменения состояния организма (расслабление, алкоголь, утомление,

заболевание щитовидной железы).

2. Пороговые значения токов

При воздействии тока выделяются 3 основные реакции:

1) ощущение;

2) судорожное сокращение мышц;

3) фибрилляция сердца.

Соответственно, токи, вызывающие эти реакции, называются:

1) ощутимыми;

2) неотпускающими;

3) фибрилляционными.

Минимальные их значения называются пороговыми.

При воздействии переменного тока частотой f = 50 гц наблюдаются следующие воздействия тока:

До 1 мА - не ощущается (пороговое значение 0,6 - 1,5 мА, для посто-

янного тока 5 - 7 мА).

1 - 6 мА - ощущения безболезненны, контроль мышц не утрачен.

6 - 20 мА - болезненные ощущения, управление мышцами затруднено.

Действие тока 20-30 мА – ощущения весьма болезненны,

самостоятельное освоождение от контакта невозможно.

30-50 мА - сильные судорожные сокращения мышц, в том числе грудной клетки, дыхание затруднено, возможна остановка сердца.

50-100 мА - паралич дыхания; возможна фибрилляция, смерть.

100-500 мА - фибрилляция, самовосстановление невозможно.

500-1000 мА - ожоги в месте контакта; фибрилляция.

1000 мА - сильные ожоги, возможна фибрилляция.

Далее, до 3000 - 5000 мА фибрилляция может и не возникать.

Неотпускающее значение (6-20 мА) тока приводит к тому, что человек не в состоянии освободиться и возникает опасность длительного протекания тока, а это ведет к затруднению и нарушению дыхания.

При 100 - 1000 мА может возникнуть фибрилляция сердца, т.е. беспорядочные сокращения волокон сердечной мышцы, сердце при этом не может прокачивать по сосудам кровь. Как правило, фибрилляция длится несколько минут, после чего наступает полная остановка сердца.

Процесс фибрилляции сердца необратим, т.е. самовосстановление нормального биения невозможно. Сила тока, вызывающая фибрилляцию, является смертельной. Пороговые значения фибрилляционных токов

индивидуальных: они зависят от массы тела, состояния организма, а также от

длительности протекания тока и его пути.

Электрический ток является сложнейшим раздражителем тканей и органов. Это раздражение бывает первичным (непосредственным) и вторичным (опосредствованным через нервную систему). Ток возбуждает прежде всего нервные окончания - внешние рецепторы. Он сужает их, нарушая нормальную систему кровоснабжения и вызывая сокращение мускулатуры, которое может привести к остановке дыхания либо непосредственно, либо в результате спазмов сосудов головного мозга.

Для исхода электротравмы большое значение имеет путь тока. Особенно тяжелое поражение, если на пути тока оказываются сердце, грудная клетка, головной и спинной мозг. Это, в частности, происходит при двухфазном (двухполюсном) прикосновении к токоведущим частям.

Чаще всего на практике ток, протекающий через человека, попавшего под

напряжение, течет по направлению «рука-ноги» и «рука-рука», «нога-нога». Степень поражения при этом зависит от того, какие органы окажутся на пути. Например, при протекании тока «нога-нога» через сердце проходит 0,4% всего тока, а по пути «рука-рука» - 3,3%. Воздействие тока многократно усиливается, если он проходит через так называемые акупунктурные зоны.

Поскольку выделено 3 реакции на действие тока, существует и 3 критерия электробезопасности и соответствующие им уровни допустимых токов (ГОСТ 12.1.038-82):

I. Неощутимый ток, который не вызывает нарушений в организме и допускается для длительного (≤ 10 мин) протекания через тело человека при обслуживании электрооборудования; для тока с f = 50 гц- это ток менее 0,3 мА, (для постоянного - 1 мА).

^{II. Отпускающий ток; действие такого тока допустимо, если t}_{протек.}^≤

30 c. Для переменного тока это - 6 мА (постоянного - 15 мА)

Фибрилляционный ток, не превосходящий пороговый и действующий t

^{≤ 1с. Он нормируется в зависимости от времени действия от 50 до 650 мА}

для переменного тока и от 200 до 650 мА - для постоянного.

Исследование по определению влияния рода тока на опасность поражения человека показали, что f = 50 гц - самая неблагоприятная частота! (Заметное увеличение пороговых значений ощутимого и неотпускающего тока наблюдения при f < 30 гц и f > 100 гц) J при f = 400 ∼ в 3,5 выше.

^{Поэтому одна из мер повышения электрической безопасности -}

увеличение частоты тока f (но только для схем с заземленной нейтралью!)

Параметры окружающей среды тоже в большой мере влияют на электробезопасность. Это, прежде всего, влажность, температура, наличие токопроводящей пыли, материал пола и т.п.). Во влажных помещениях или наружных электроустановках складываются неблагоприятные условия, например, увеличивается площадь контакта человека с токоведущими частями. Если в помещении заземлен пол и есть заземленные металлические конструкции, человек все время как бы связан с одним полюсом (землей) ЭУ. В этом случае любое прикосновение человека к токоведущим частям сразу приводит к его двухполюсному включению в электрическую цепь.

3. Электрическое сопротивление тела человека

Основной фактор, определяющий сопротивление тела человека Rh это кожа, ее роговой слой (нет кровеносных сосудов, большое удельное

_{сопротивление ρ ∼ 10} ^6Ω _{). Этот плохо проводящий ток наружный слой кожи,}

^см

прилегающий к электроду при контакте и внутренняя ткань под этим слоем

можно представить как 2 обкладки конденсатора с емкостью С_м сопротивлением изоляции ι_н . С ростом площади контакта ι_н уменьшается, а С увеличивается. Таким образом полное сопротивление кожи ι_к уменьшается.

Между током, протекающим через тело человека и вызвавшим его напряжением существует нелинейная зависимость, обусловленная нелинейностью Rh = f(U).

Уже при U ∼ 40 ÷ 45В в наружном слое кожи возникают значительные напряженности электрического поля, при которых происходит пробой

наружного слоя, что снижает полное сопротивление человека

В практических расчетах по электробезопасности с учетом наиболее неблагоприятных условий принимают Rh = 1000 Ом.

Допустимое напряжение прикосновения:

^Uдоп ^{= [U] = [I}доп^{] ⋅ Rh}

^{[U] и [I] устанавливаются ГОСТ 12.1.038-82 для токов с f=50 и f=400 гц.}

4. Анализ опасности прикосновения к токоведущим частям ЭУ

Основные причины поражения электрическим током можно свести к следующим:

1) случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям (с поврежденной изоляцией или емкостью), находящихся под напряжением;

2) появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки;

3) появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования (корпусах, кожухах и т.п. в результате повреждения изоляции или других причин);

4) появление шагового напряжения в результате замыкания провода на землю.

Виды электрических сетей. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) разрешается эксплуатировать два вида трехфазных электрических сетей:

а) трехпроводные с изолированной нейтралью;

б) четырехпроводные с глухозаземленной нейтралью.

Трехпроводные сети с заземленной нейтралью и четырехпроводные с изолированной запрещены, как не обеспечивающие безопасности в аварийных режимах: первые - при замыкании фазы на корпус оборудования, у вторых нулевой провод при замыкании фазы на землю оказывается под напряжением фазы.

Для электропитания основных производств, жилых и олбщественных зданиях используется, в основном, четырехпроводная схема с заземленной нейтралью (рис.1). Сети с глухозаземленной нейтралью имеют технологическое преимущество, так как они универсальны, и к ним могут подключаться как однофазные, так и трехфазные нагрузки. Кроме того, они менее опасны в аварийном режиме замыкания фазы на землю.

Схемы прикосновения человека к сети. Возможны два варианта прикосновения человека к сети: между двумя фазами - двухфазное и между фазой и нулевой точкой - однофазное (рис.2). По сути речь идет о включении человека в электрическую цепь, так как само по себе прикосновение становится опасным, если человек становится как бы элементом электрической цепи, обладающим определенным сопротивлением и пропускающим через себя ток определенной величины.

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к человеку непосредственно прикладывается наибольшее напряжение сети - линейное, а ток зависит только от сопротивления организма и имеет наибольше значение I_h, А.

Рис.1

л

=

=

U _ф 3 _U

^{I h R}_h ^R_h

(1)

где U_ф- фазное, U_л - линейное напряжение сети, R_h - сопротивление организма человека. В расчетах принимают R_h = 1 кОм.

3

2

1

^r₁ ^r₂

c₁

3

2

₁

^r₃

^c₂ ^c3

r₁ r₂

c₁

r₃

^c₂ ^c3

_а ^б

Рис..2 - Схемы прикосновения человека к сети: а - однофазное,

б - двухфазное

Однофазное включение является менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток через человека ограничивается сопротивлением обуви и пола, а также сопротивлением изоляции фазных проводов, однако вероятность однофазных прикосновений на порядок выше. Поэтому однофазное включение является основной схемой, вызывающей поражение людей током в сетях любого напряжения. На рис. 2 представлена схема сравнительной опасности поражения человека электрическим током при различных схемах его включения в цепь.

При двухфазном прикосновении человек оказывается под линейным (межфазным) напряжением U_лин.=U_ф⋅√3. При U_Ф=220В U_лин = 380В. Это самый опасный случай. Иначе обстоит дело при однофазном прикосновении к сети. Рассмотрим случай однофазного прикосновения при различных режимах работы электроустановок.

4.1 Нормальный режим работы электроустановок

Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью. При однофазном прикосновении (рис.3) ток, проходящий через человека, определяется

_{зависимостью}

_{I h =} ^{U Ф (2)}

^R_ch ^{+ r} ₀

где r₀ - сопротивление заземления нейтрали, а R_ch – сопротивление цепи «человек- земля», в которую входит собственно сопротивление человека, сопротивление обуви, пола. Согласно Правилам Устройства Электроустановок,

r₀

J_h

R_h

Рис.3

r₀ не должно превышать 10 Ом, следовательно, в выражении (2) значением r₀ можно пренебречь. Если человек при этом находится в особо электроопасном помещении (высокая влажность, проводящие полы), можно считать, что сопротивление цепи “человек - земля” не превышает R_ch = R_h =1000 Ом (R_h - активное сопротивление тела человека). Человек при этом оказывается практически под фазным напряжением U_ф, а ток, протекающий через него в 2,2 раза превышает ток порога фибрилляции. В помещениях же с сухими электроизоляционными полами R_ch >> R_h и U_h << U_ф , и в этом случае вероятен исход, благоприятный для человека.

4.2 Аварийный режим

Выделяют следующие виды аварийного режима работы электроуста-

новок:

а) нарушение изоляции фаз относительно земли (например, при падении

неизолированного провода электросети на землю);

б) появление напряжения на корпусе электроустановок,

электроприборов из-за нарушения изоляции проводов внутри корпуса.

А. Нарушение изоляции фаз относительно земли. Рассмотрим ситуацию, возникающую при нарушении изоляции фаз относительно земли.

В четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме, когда одна из фаз, например, фаза 3 (рисунок 3) замкнута на землю через сопротивление r_зам (обычно это составляет десятки Ом), а остальные фазы имеют исправную изоляцию, напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшись в аварийном режиме к фазному проводу трехфазной сети с заземленной нейтралью, значительно меньше линейного, но несколько больше фазного: U_л >> U_h > U_ф . Таким образом, прикосновения человека к исправной фазе сети с заземленной нейтралью в аварийном режиме более опасно, чем при нормальном режиме.

_Б. R_h

^r₀

J_h

Рис. 4

^rзам

Напряжения прикосновения и шага при замыкании на землю. Протекание тока через землю может происходить только при наличии замкнутого контура, т.е. соединения с землей как минимум двух точек сети с разными потенциалами.

Потенциал токоведущей части относительно земли, ϕ₃, определяется выражением

^ϕ₃ ^{= I}_з^r_{з ,} ⁽³⁾

^{где I}_З ^{– ток замыкания, r}_З ^{– сопротивление растеканию тока. При этом вокруг}

точки замыкания на поверхности грунта происходит снижение потенциала по

закону, представленному на рис. 5. Нахождение человека на расстоянии менее 20 м опасно для человека, т.к. он может попасть под опасную разность потенциалов (шаговое напряжение).

х

I_з

ϕ _ϕз

20м 20м

Рис. 5 - Растекание тока в земле через полусферический заземлитель.

По мере удаления от места замыкания токоведущей части на землю значение потенциала грунта снижается и становится равным нулю теоретически в бесконечности. Практически на расстоянии

20 м от места замыкания потенциал грунта принимают равным нулю. Более точно форма потенциальной кривой

определяется удельным сопротивлением грунта и формой заземлителя.

^{Напряжение прикосновения. Напряжением прикосновения U}_пр ^[В]

называется разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых

одновременно касается человек, или, другими словами, падение напряжения на сопротивлении тела человека R_h. Если пренебречь сопротивлением обуви и основания, на котором стоит человек, то

U_пр = I_h⋅R_h , (4)

где I_h - ток, проходящий через человека.

В устройствах защитных заземлений, занулений и т.п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя ϕ_З, а другая - потенциал основания ϕ_ос (см. рисунок 4.6). Тогда

_{Uпр = ϕ3 - ϕос = ϕ3 (1 -}

^{бϕ ос} _{) или U = ϕ ⋅ α, (5)}

пр 3

^ϕ _з

где α - коэффициент напряжения прикосновения.

_{α = 1 -} ^{ϕ ос}

^ϕ _з

≤ 1 . (6)

В зависимости от расстояния человека до заземлителя коэффициент напряжения прикосновения может принимать значения 0,1 ÷ 1, однако в реальных условиях он близок к единице, поэтому в расчетах для одиночных заземлителей принимается α = 1.

Из рисунка видно, что из двух случаев расположения заземлителей случай

I оказывается более опасным, так как напряжение прикосновения получается бо- лее высоким (U_пр1 > U_пр2). Наиболее опасным будет прикосновение, когда чело- век находится на расстоянии ≥ 20 м от заземлителя.

^Uпр1

^Uпр2

^ϕоc

II ϕ_{з I}

20 м ^{20 м}

Рис. 6

Напряжение шага. Напряжением шага называется напряжение между двумя точками на поверхности грунта, находящимися одна от другой на расстоянии шага, которое принимается равным 0,8 м (см. рисунок 4.7),

^U_ш ^{= I}_ш^⋅R_ch ^{, (7)}

ϕ_з

^U_ш

^ϕx

^ϕx+a

_Х ^{20м 20м}

где I_ш - ток, , проходящий по пути “нога- нога”, R_ch - сопротивление цепи “человек-земля”. Если выразить напряжение шага через разность потенциалов, имеем

^{Рис. 7}

^{U щ = ϕx − ϕx + a}

(8)

^{Чтобы выразить ϕ}_х ^{и ϕ}_х+а ^{через ϕ}_з^{, разделим обе части (1.15) на ϕ}_з ^.

_{U = (} ^ϕx

^{ш ϕ}_з

₋ ^ϕx+a

^ϕз

_{ϕ ϕ}

)⋅ ϕ_з , или U_ш = ϕ_з ⋅β

(9)

_{где β = (} ^x ₋ ^x+a _).

^ϕз ^ϕз

^{Коэффициент β называется коэффициентом напряжения шага}

(коэффициентом шага) и учитывает форму потенциальной кривой. Значения

^{β лежат в диапазоне 0,15 ÷ 0,6.}

Напряжение шага зависит, таким образом, от величины потенциала в

точке заземления, формы заземлителя и сопротивления грунта. Однако на практике часто говорят о шаговом напряжении между условными точками поверхности, которых касаются ноги человека (а иногда, в случае его падения руки и ноги), расстояние между ними не обязательно 0,8 м. Вот почему, оказавшись в зоне растекания тока, выходить из нее следует, осторожно передвигаясь как можно более мелкими шажками или прыжками

«ноги вместе».

Коэффициент напряжения шага играет большую роль в понимании ме-

ханизма действия защитного заземления.