Большой процент травм, вызванных воздействием электрического тока, имеет место при прикосновении человека к металлическим частям или корпусам электроустановок, случайно оказавшимся под напряжением вследствие неисправности изоляции.

Тяжесть электротравмы зависит от тока, протекающего через тело человека, частоты тока, физиологического состояния организма, продолжительности воздействия тока, пути тока в организме и производственных условий.

При этом человек оказывается под напряжением прикосновения - напряжением между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном к ним прикосновении

где - ток, протекающий через тело человека, А;

-сопротивление тела человека, Ом.

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека, предназначенные для проектирования способов и средств защиты людей, при взаимодействии их с электроустановками нормируются /2/ и при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В переменного 50 Гц тока при продолжительности воздействия свыше 1 с не должны превышать
= 20 В и= 6 мА.

Значения напряжений прикосновения и тока, протекающего через тело человека, зависят от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую сеть, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, а также емкости токоведущих частей относительно земли и т.п. Эту зависимость необходимо знать при оценке той или иной сети по условиям техники безопасности, выборе и расчете соответствующих мер защиты и т.п.

При этом принимаем, что сопротивление основания, на котором стоит человек (грунт, пол и пр.), а также сопротивление его обуви незначительны, и равны нулю.

Сопротивление тела человека изменяется в широких пределах (от 400 до 100000 Ом) в зависимости от состояния кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), плотности контакта, площади контакта, тока, протекающего через тело человека и напряжения прикосновения, а также от времени воздействия тока на человека.

При напряжении до 1000 В в нашей стране применяют, в основном, две схемы сетей трехфазного тока - четырехпроводную с заземленной нейтралью напряжением 220/127, 380/220 и 660/380 В и трехпроводную с изолированной нейтралью напряжением 36, 42, 127, 220, 380 и 660 В.

Проанализируем опасность поражения током при нормальном режиме работы сетей.

2.1. Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью

Рассмотрим сеть напряжением 380/220 В (рис.1).

Прикосновение человека к корпусу электроустановки, оказавшемуся под напряжением, в четырехпроводной сети

При нормальном режиме работы сети сопротивление изоляции фазных и нулевого проводов относительно земли по сравнению с сопротивлением заземления нейтрали имеют весьма большие значения и с некоторым допущением могут быть приравнены к бесконечности, т.е.
.

В этом случае ток, протекающий через тело человека

где = 220 В - фазное напряжение, т.е. в данном случае напряжение между началом и концом одной обмотки трансформатора.

- сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена нейтраль трансформатора, Ом.

В соответствии с ПУЭ /1/ наибольшее значение составляет 66 Ом; сопротивление же тела человека, не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки можно пренебречь значением, т.е.

Таким образом, про прикосновении к корпусу электроустановка, оказавшемуся под напряжением в сети с глухозаземленной нейтралью, человек оказывается практически, под фазным напряжением, т.е. в данном случае под напряжением между фазным и нулевым проводом.

На степень поражения током влияют: сила тока, напряжение, род тока, путь прохождения тока через организм человека, индивидуальные особенности организма человека, его психологическое состояние, наличие в организме алкоголя и наркотических веществ, параметры микроклимата, время нахождения человека под воздействием электрического тока.

Проходя через организм человека эл ток оказывает 4 вида воздействия:

Термическое действие – проявляющееся в ожогах отдельных частей тела, нагреве до высоких температур кровеносных сосудов, крови, нервов, сердца, мозга, что вызывает серьезное расстройство органов.

Электролитическое действие – разложение органической жидкости (лимфы и крови) с нарушением ее состава.

Механическое действие – (динамическое) расслоение, разрыв тканей организма (мышц сердца, сосудов) в результате электродинамического эффекта; мгновенного взрывоподобного образования пара от перегретой током тканевой жидкости и крови.

Биологическое – проявляется в нарушении протекающих в организме биологических процессов, сопровождающихся раздражением (разрушением) нервных и других тканей и ожогах, прекращению деятельности органов дыхания и кровообращения.

Воздействие электрического тока может привести к местным травмам или общему поражению электрическим током (электроударам).

К местным относятся: эклектические ожоги, металлизация кожи, механические повреждения, электроофтальмия (воспаление наружных оболочек глаз).

К общим : электрический удар, при котором поражается (или создается угроза поражения) весь организм из-за нарушения нормальной деятельности жизненно важных органов. Общие травмы сопровождаются возбуждением различных групп мышц тела человека, что может привести к судорогам, параличу органов дыхания сердца, остановке сердца.

35. Факторы, влияющие на тяжесть поражения электрическим током

Факторы, определяющие опасность поражения электрическим током:

1. Электрические:

Напряжение;

Род тока;

Его частота;

Электрическое сопротив­ление человека.

2. Неэлектрические:

Индивидуальные особенности человека;

Продолжительность дей­ствия тока;

Его путь через человека.

3. Состояние окружающей среды .

4. Электрический ток наименьшей силы , вызывающий раздражающее ощущение чело­веком, называется пороговым ощутимым током . Это примерно 1,1 МА для тока частоты 50 Гц, а для постоянного тока – 6 МА.

36. Однофазное и двухфазное включение человека в различных электрических сетях

Поражение человека током возникает при замыкании электрической цепи через тело человека. Это происходит в случае прикосновения человека не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми имеется некоторое напряжение. Включение человека в цепь может произойти по нескольким схемам: между проводом и землей, называемое однофазным включением; между двумя проводами – двухфазное включение. Эти схемы наиболее характерны для трехфазных сетей переменного тока. Возможно также включение между двумя проводами и землей одновременно; между двумя точками земли, имеющими разные потенциалы, и т. п.

Однофазное включение человека в сеть представляет собой непосредственное соприкосновение человека с частями электроустановки или оборудования, нормально или случайно находящимися под напряжением. При этом степень опасности поражения будет различной в зависимости от того, имеет ли электрическая сеть заземленную или изолированную нейтраль, а также в зависимости от качества изоляции проводов сети, ее протяженности, режима работы и ряда других параметров. При однофазном включении в сеть с заземленной нейтралью человек попадает под фазное напряжение, которое в 1,73 раза меньше линейного, и подвергается воздействию тока, величина которого определяется величиной фазного напряжения установки и сопротивления тела человека.. Дополнительное защитное действие оказывает изоляция пола, на котором стоит человек, и обувь.

Двухфазное прикосновение является, как правило, более опасным, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение (для трехфазной сети – линейное), а ток //г, проходящий через тело человека, оказывается независимым от режима нейтрали (для трехфазной сети) или от наличия заземления одного из проводов в однофазной сети и имеет наибольшее значение. Случаи двухфазного прикосновения происходят очень редко.

Анализ опасности поражения электрическим током в различных сетях

Поражение человека электротоком возможно лишь при его непосредственном контакте с точками электроустановки, между которыми существует напряжение, или с точкой, потенциал которой отличается от потенциала земли. Анализ опасности такого прикосновения, оцениваемой величиной проходящего через человека тока или напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электросеть, ее напряжения, режима нейтрали, изоляции токоведущих частей, их емкостной составляющей и т. п.

При изучении причин поражения током необходимо различать прямой контакт с токоведущими частями электроустановок и косвенный. Первый, как правило, возникает при грубейших нарушениях правил эксплуатации электроустановок (ПТЭ и ПТБ), второй - в результате аварийных ситуаций, например при пробое изоляции.

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Однако наиболее распространенными являются две: между двумя различными проводами - двухфазное включение и между одним проводом или корпусом электроустановки, одна фаза которой пробита, и землей - однофазное включение.

Статистика показывает, что наибольшее число электротравм происходит при однофазном включении, причем большинство из них - в сетях напряжением 380/220 В. Двухфазное включение является более опасным, поскольку в данном случае человек находится под линейным напряжением, при этом сила тока, проходящего через человека, составит (в А)

где Uл - линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами, В; Uф - фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом одной обмотки (или между фазным и нулевым проводом), В.

Как видно из рис. 8.1, опасность двухфазного включения не зависит от режима нейтрали. Нейтралью называется точка соединения обмоток трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через аппараты с большим сопротивлением (сеть с изолированной нейтралью), либо непосредственно соединенная с заземляющим устройством - сеть с глухозаземленной нейтралью.

При двухфазном включении ток, проходящий через тело человека, не уменьшится при изолировании человека от земли с использованием диэлектрических галош, бот, ковриков, полов.

При однофазном же включении человека в сеть сила тока во многом определяется режимом нейтрали. Для рассматриваемого случая сила тока, проходящего через человека, составит (в А)

, (8.3)

где w - частота; С - емкость фаз относительно земли

Рис. 8.1. Включение человека в трехфазную сеть с изолированной нейтралью:
а - двухфазное включение; б - однофазное включение; Ra, Rt, Rc - электросопротивление изоляции фаз относительно земли. Ом; Са, Сb, Сс - емкость проводов относительно земли, Ф, Ia, Ib, IС токи, стекающие на землю через сопротивление изоляции фаз (токи утечки)

Для упрощения формулы принято, что Ra = Rb = Rc = Rиз, а Са = Cb = Cc = С.

В производственных условиях изоляция фаз, изготовленная из диэлектрических материалов и имеющая конечную величину, в процессе старения, увлажнения, покрытия пылью изменяется у каждой фазы неодинаково. Поэтому расчет безопасных условий, который в значительной степени осложняется, необходимо вести с учетом реальных значений сопротивления R и емкостей С для каждой фазы. Если емкость фаз относительно земли мала, т. е. Са = Cb = Сс = 0 (например, в воздушных сетях небольшой протяженности), то

Iч = Uф/(Rч+Rиз/3), (8.4)

Если же емкость велика (Са = Сь = Сс не равно 0) и Rиз велико (например, в кабельных линиях), то сила тока, протекающего через тело человека, будет определяться только емкостной составляющей:

, (8.5)

где Хс = 1/wС- емкостное сопротивление, Ом.

Из приведенных выражений видно, что в сетях с изолированной нейтралью опасность поражения человека током тем меньше, чем меньше емкостная и выше активная составляющая фазных проводов относительно земли. Поэтому в таких сетях весьма важно постоянно контролировать Rиз для выявления и устранения повреждений.

Рис. 8.2. Включение человека в трехфазную сеть с изолированной нейтралью при аварийном режиме. Пояснения в тексте

Если емкостная составляющая велика, то высокое сопротивление изоляции фаз не обеспечивает необходимой защиты.

В случае аварийной ситуации (рис. 8.2), при замыкании одной из фаз на землю, сила тока, проходящего через человека, будет равна (в А)

Если принять, что Rзм = 0 или Rзм << Rч (что бывает в реальных аварийных условиях), то, исходя из приведенного выражения, человек окажется под линейным напряжением, т. е. попадет под двухфазное включение. Однако чаще всего R3M не равно 0, поэтому человек будет находиться под напряжением, меньшим Uл, но большим Uф, при условии, что Rиз/3 >> Rзм.

Замыкание на землю существенным образом изменяет и напряжение токоведущих частей электроустановки относительно земли и заземленных конструкций здания. Замыкание на землю всегда сопровождается растеканием тока в грунте, что, в свою очередь, приводит к возникновению нового вида поражения человека, а именно попадание под напряжение прикосновения и напряжение шага. Такое замыкание может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.

В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое """поле (зона) растекания тока". Теоретически оно простирается до бесконечности, однако в реальных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя плотность тока растекания и потенциал практически равны нулю.

Характер потенциальной кривой растекания существенным образом зависит от формы заземлителя. Так, для одиночного полусферического заземлителя потенциал на поверхности земли будет изменяться по гиперболическому закону (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя (ф - изменение потенциала заземлителя на поверхности земли; фз -максимальный потенциал заземлителя при силе тока замыкания на землю I3; r - радиус заземлителя)

Рис. 8.4. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе (ф3 - суммарное сопротивление грунта растеканию тока от заземлителя):
1 - потенциальная кривая; 2 - кривая, характеризующая изменение Uпр по мере удаления от заземлителя; 3 - пробой фазы на корпус

В зависимости от места нахождения человека в зоне растекания и его контакта с электроустановкой б, корпус которой заземлен и находится под напряжением, человек может попасть под напряжение прикосновения Uпр (рис. 8.4), определяемое как разность потенциалов между точкой электроустановки, которой касается человек ф3, и точкой грунта, на которой он стоит - фосн (в В)

Uпр = ф3 - фосн = ф3 (1 - фосн/ф3), (8.7)

где выражение (1 - фосн/ф3) = а1 представляет собой коэффициент напряжения прикосновения, характеризующий форму потенциальной кривой.

Из рис. 8.4 видно, что напряжение прикосновения будет максимальным при удалении человека от заземлителя на 20 м и более (электроустановка в) и численно равно потенциалу заземлителя Uпр = ф3, при этом а1 = I. Если же человек стоит непосредственно над заземлителем (электроустановка а), то Unp = 0 и а1 =0. Это самый безопасный случай.

Выражение (8.7) позволяет вычислить Unp без учета дополнительных сопротивлений в цепи человек - земля, т. е. без учета сопротивления обуви, сопротивления опорной поверхности ног и сопротивления пола. Все это учитывается коэффициентом а2, поэтому в реальных условиях величина напряжения прикосновения будет еще меньше.

Существуют различные схемы включения человека в электрическую цепь тока:

Однофазное прикосновение – прикосновение к проводнику одной фазы действующей электроустановки;

Двухфазное прикосновение – одновременное прикосновение к проводникам двух фаз действующей электроустановки;

Прикосновение к нетоковедущим частям электроустановок, оказавшихся под напряжением в результате повреждения изоляции;

Включение под напряжение шага – включение между двумя точками земли (грунта), находящимися под разными потенциалами.

Рассмотрим наиболее характерные схемы включения человека в электрическую цепь тока.

Однофазное прикосновение в сети с глухозаземленной нейтралью. Ток, протекающий через тело человека (I h ) при однофазном прикосновении (рис. 6) замкнется по цепи: фаза L 3 – тело человека - основание (пол) – заземлитель нейтрали – нейтраль (нулевая точка).

Рис. 6. Схема однофазного прикосновения в сети

с глухозаземленной нейтралью

По закону Ома: ,

Где R о – сопротивление заземления нейтрали,

R осн - сопротивление основания.

Если основание (пол) токопроводящее, то R осн ≈ 0

Учитывая то, что R о « R h , то

U h = U ф

Такое прикосновение крайне опасно.

Однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью. Ток, протекающий через тело человека (рис. 7) замкнется по цепям: фаза L 3 – тело человека – пол и далее возращается в сеть через изоляции фаз L 2 и L 1 , т.е. далее ток следует по цепям: изоляция фазы L 2 - фаза L 2 - нейтраль (нулевая точка) и изоляция фазы L 1 - фаза L 1 – нейтраль (нулевая точка). Таким образом, в цепи тока, протекающего через тело человека, последовательно с ним оказываются включенными изоляции фаз L 2 и L 1 .

Рис. 7. Схема однофазного прикосновение в сети

с изолированной нейтралью

Сопротивление изоляции фазы Z имеет активную (R ) и емкостную составляющие (С ).

R – характеризует неидеальность изоляции, т.е. способность изоляции проводить ток, хотя и значительно хуже, чем металлы;

С – емкость фазы относительно земли определяется геометрическими размерами воображаемого конденсатора, «пластинками» которого являются фазы и земли.

При R 1 = R 2 = R 3 = R ф и С 1 = С 2 = С 3 = С Ф ток, протекающий через тело человека:

где Z - полное сопротивление изоляции фазного провода относительно земли.

Если емкость фаз пренебречь С ф = 0 (воздушные сети небольшой протяженности), то:

откуда следует, что величина тока зависит не только от сопротивления человека, но также от сопротивления изоляции фазного провода относительно земли.

Если, например, R 1 = R 2 = R 3 = 3000 Ом, то

; U h = 0,0111000 = 110 В

Двухфазное прикосновение. При двухфазном прикосновении (рис. 8) независимо от режима нейтрали человек окажется под линейным напряжением сети U л и по закону Ома:

при U л =380 В: I = 380/1000 = 0,38 А = 380 мА.

Рис. 8. Схема двухфазного прикосновения человека

Двухфазное прикосновение крайне опасно, такие случаи сравнительно редки и являются, как правило, результатом работы под напряжением в электроустановках до 1000 В, что является нарушением правил и инструкции.

Прикосновение к металлическому корпусу, оказавшемуся под напряжением. Прикосновение к корпусу электроустановки (рис. 9), в которой фаза (L 3) замкнулась на корпус, равносильно прикосновению к самой фазе. Поэтому анализ и выводы для случаев однофазного прикосновения, рассмотренные ранее, полностью применяются для случая замыкания на корпус.

Рис. 9. Схема прикосновения человека к металлическому

корпусу, оказавшемуся под напряжением

Анализ условий электробезопасности

Анализ условий электробезопасности заключается в определении величины тока через тело человека (I h) для конкретного случая.

Сравнивая полученные расчетным путем величины тока через тело человека с величиной условно безопасного тока (10мА) делают вывод об опасности данного случая. Если величина тока через тело человека превышает величину условно-безопасного тока - случай считают опасным. Если нет - не опасным. Так как человек в большинстве случаев пользуется сетью до 1000В, а эти сети, как правило, имеют небольшую протяженность, емкостью фазных проводов относительно земли можно пренебречь, считая, что сопротивление изоляции проводов (R из) относительно земли чисто активным.

Определить величину тока через тело человека можно так:

I h = U пр / R h

Сложность расчета заключается в нахождении напряжения прикосновения (U пр). Для нахождения этой величины прибегают к такому приему: определяют путь тока через тело человека, из которого и находят источник напряжения и сопротивления, через которые протекает ток.

Наиболее характерным бывают две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей.

Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую однофазным.

9.1.1. Двухфазное включение

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека пойдет большой ток (рисунок. 9.1.).

Рисунок 9.1. Двухфазное включение человека в сеть.

где, I h – ток через тело человека

U пр - напряжение прикосновения

Для сети 380/220

Ток опасный для жизни человека

9.1.2. Однофазное включение.

Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, т.к. напряжение под которым оказывается человек не превышает фазного. Кроме того, на значение тока через тело человека влияет также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление обуви человека и другие факторы.

9.1.2.1. Однофазная сеть.

Рисунок 9.3. Схема включения

Рисунок 9.4. Схема замещения

Ток через тело человека можно найти как:

Из выражения можно сделать выводы:

1. Чем больше сопротивление изоляции относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу

2. Прикосновение человека к проводу с большим сопротивлением изоляции более опасно, т.к. напряжение прикосновение будет больше.

9.1 1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:

Рассмотрим два режима сети:

а) Нормальный режим работы (сопротивление изоляции имеют большое (нормированное) значение.

Рисунок 9.5. Однофазное включение в 3 х фазную сеть

с изолированной нейтралью

При равенстве сопротивлений изоляцииR из1 =R из2 =R из3 , величина тока через тело человека определяется выражением

В таких сетях опасность для человека, прикоснувшегося к проводу, при нормальном состоянии сети, зависит от сопротивления изоляции. Чем оно больше, тем меньше опасность. Поэтому, очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.

Согласно ПЭУ сопротивление изоляции проводов относительно земли в установках до 1000В не должно быть менее 500к.

б) При аварийном режиме - замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление замыкания - R зм.(рисунок 9.6.)

Рисунок 9.6 Аварийный режим в сети

Обычно R зм лежит в пределах от 50 до 200Ом.

Ток через тело человека, как и в нормальном режиме будет протекать и через сопротивления изоляции проводов относительно земли, но его величина будет значительно меньше, чем ток, протекающий через малое сопротивление замыкания. Поэтому величиной тока, протекающего через сопротивление изоляции, можно пренебречь и считать, что ток протекает только через сопротивление замыкания и тело человека.

Это очень опасно.

9.1.2.3. Трехфазная трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью:

Глухозаземленной называется нейтраль трансформатора или генератора присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока).

а) Нормальный режим работы

Рисунок 9.7.

Сопротивление заземления нейтрали R о нормируется в зависимости от максимального напряжения сети.

При U л =660В, R о =2Ом, при U л =380В, R о =4Ом, при U л =220В, R о =8Ом

Током, протекающим через тело человека и сопротивлением изоляции проводов можно пренебречь, по сравнению с током, протекающим через тело человека и малое сопротивление заземления нейтрали. Величина этого тока определяется из выражения:

Из выражения видно, что в сети с глухозаземленной нейтралью в период нормальной работы сети прикосновение к одному из проводов более опасно, чем прикосновение к проводу нормально работающей сети с изолированной нетралью.

б) При аварийном режиме работы - когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое сопротивление R зм (рисунок 9.8.).

Рисунок 9.8.

Если провести анализ этого случая, то можно сделать следующие выводы:

2. Если принять R о равным 0, то человек окажется под фазным напряжением.

В реальных условиях R зм и R о всегда больше нуля, следовательно, человек, касаясь провода в аварийном режиме сети, попадает под напряжение меньше линейного, но больше фазного.