Анализ опасности поражения током в зависимости от режима работы электроустановки
Степень опасности и исход поражения током зависят от пяти факторов:
- схемы «подключения» человека в электрическую цепь;
- напряжения сети;
- схемы самой сети и режима ее нейтрализации;
- степени изоляции токоведущих частей от земли;
- сопротивления самого человека воздействию электрического тока.
На предприятиях используют две схемы электрической сети:
- трехфазную четырехпроводную с заземленной нейтралью;
- трехфазную с изолированной нейтралью.
Нейтральной точкой трансформатора (генератора) называют точку соединения обмоток питающего трансформатора. При нормальном режиме работы электрической сети в этой точке напряжение U0=0. Нейтраль источника питания может быть заземленная и изолированная от земли, что определяет режим ее работы. Заземление нейтрали называют рабочим заземлением R0.
Выбор схемы сети и режима нейтрали источника тока осуществляют в зависимости от технологических требований и условий безопасности.
По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, так как эта сеть характеризуется двумя напряжениями – линейным и фазным (380/220 В). Линейным напряжением Uл=380В питают силовую нагрузку – включают электродвигатели производственного оборудования между фазными проводами. Фазное напряжение Uф=220В используют для осветительной установки – подключают лампы между фазным и нулевым проводами. Линейное напряжение всегда больше фазного в 1,73 раза (Uл= 
×Uф).
По условиям безопасности сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции сети, обеспечивающий незначительную емкость проводов относительно земли. Это могут быть малоразветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала.
Сети с заземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить высокий уровень изоляции электроустановки и нельзя быстро отыскать и устранить ее повреждение.
Поражение человека электрическим током может быть вызвано однополюсным (однофазным) или двухполюсным (двухфазным) прикосновением к токоведущей части установки.
Однофазное подключение является менее опасным, чем двухфазное, однако оно возникает значительно чаще и является основной причиной электротравматизма. На исход поражения в этом случае оказывает решающее влияние режим нейтрали электросети.
На рис.3.1. представлена схема прикосновения к одной из фаз сети с изолированной нейтралью. Последовательно с сопротивлением человека по этой схеме оказываются включенными сопротивления изоляции и емкости относительно земли двух других неповрежденных фаз.
Рис.3.1. Однополюсное прикосновение к сети с изолированной нейтралью
при нормальном режиме работы.
При нормальном режиме работы электросети напряжение нейтрали источника питания по отношению к земле равно нулю. Напряжения фаз относительно земли одинаковы и равны фазным напряжениям источника питания.
Если человек коснется фазы L1, то через его тело потечет ток по цепи: фаза L1®тело человека (Rh) ®земля (Rз)®проводимость неповрежденных фаз L2 и L3®фаза L1.
Сопротивление изоляции проводов никогда не равно бесконечно большой величине, обязательно имеют место токи утечки. Сопротивление изоляции проводов по отношению к земле изображены в виде сосредоточенных сопротивлений r1, r2 и r3. Значения С1, С2 и С3 – собственная емкость фазных проводов. Провода и земля в этом случае являются как бы обкладками конденсатора, между которыми возникает электрическое поле. Чем более протяженная электрическая сеть, тем больше ее емкость.
С увеличением мощности сети возрастает ток утечки, следовательно, увеличивается электрическое поле между проводами и землей. С целью снижения тока утечки на предприятиях используют короткие электрические сети.
Силу тока (Ih), прошедшего через тело человека при однофазном подключении в трехфазную сеть с изолированной нейтралью определяют по формуле:
где Uф – фазное напряжение, В;
Rh – сопротивление организма человека воздействию электрического тока, Ом;
Rиз – сопротивление изоляции электропроводов, Ом.
Сопротивлением земли можно пренебречь из-за его бесконечно малого значения, так как в этом случае площадь земли равна площади ступней человека.
В соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли должно быть Rиз ³ 0,5 МОм ³ 500000 Ом.
В сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, главным образом зависит от сопротивления изоляции проводов относительно земли. С увеличением сопротивления изоляции опасность поражения электрическим током уменьшается.
При аварийном режиме работы этой же сети, когда имеет место замыкание фазы на землю, напряжение в нейтральной точке может достигать фазного напряжения, напряжение неповрежденных фаз относительно земли становиться равным линейному напряжению. В этом случае, если человек прикоснется к одной фазе, он окажется под линейным напряжением, через него пойдет ток по пути «рука-нога». В данной ситуации на исход поражения сопротивление изоляции проводов не играет никакой роли. Такое поражение током чаще всего приводит к летальному исходу.
На предприятиях, где сети разветвленные и имеют значительную протяженность, а следовательно, большую емкость, система с изолированной нейтралью теряет свое преимущество, так как увеличивается ток утечки, снижается сопротивление участка фаза-земля. С точки зрения электробезопасности в таких случаях предпочтение отдается сети с заземленной нейтралью.
На рис.3.2. показана схема прикосновения человека к одной фазе сети с заземленной нейтралью. При прикосновении к одной из фаз сети с заземленной нейтралью через тело человека ток пойдет по цепи:
Фаза L1 ® тело человека Rh ® земля Rз ®сопротивление заземления нейтрали Rф ® фаза L1.
В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжение отдельных фаз по отношению к земле остается практически постоянным и равно фазному напряжению Uф. Поэтому при прикосновении человека к фазному проводу сети он оказывается под действием фазного напряжения (Uф). Сила тока Ih, протекающего через тело человека Rh определяется формулой:
где Rз – сопротивление земли, Ом;
R0 – сопротивление заземления нейтрали, Ом
Рис. 3.2. Схема прикосновения человека к одной фазе сети
с заземленной нейтралью
Сопротивлением земли, как и в случае электрической сети с изолированной нейтралью можно пренебречь.
Согласно требованиям ПУЭ R0 не должно превышать 10 Ом, что значительно меньше минимального сопротивления человека, поэтому в расчете силы тока Ih сопротивлением рабочего заземления I0 можно пренебречь.
Таким образом, при подключении к одной фазе трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью человек оказывается под фазным напряжением Uф, а сила тока, проходящего через него, определяется по формуле:
Случаи двухфазного прикосновения происходят редко и преимущественно в электроустановках до 1000 В при работах на щитах и сборках, при эксплуатации оборудования с неизолированными токоведущими частями и т.п.
Напряжение прикосновения
Поражение током возможно при прикосновении к заземленному корпусу электрооборудования, на которое произошло замыкание. В этом случае, когда человек касается одновременно корпуса, оказавшегося под напряжением, и земли, на которой стоит, он может оказаться под напряжением прикосновения Uпр.
Напряжение прикосновения – разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.
Потенциалы на поверхности грунта при замыкании тока на корпус потребителя распределяются по гиперболической кривой. Напряжение прикосновения равно разности потенциалов корпуса электрооборудования и точек почвы, на которых находятся ноги человека. Чем дальше электродвигатель находится от заземления, тем под большее напряжение прикосновения человек попадает, и наоборот, чем ближе к заземлителю, тем меньше напряжение прикосновения Uпр. За пределами зоны растекания тока напряжение прикосновения равно напряжению на корпус оборудования относительно земли.
Силу тока Ih, протекающего через тело человека, находящегося под напряжением прикосновения, определяют по формуле:
где Iз – ток замыкания на корпус оборудования, А;
Rз – сопротивление системы защитного заземления, Ом (сопротивление системы защитного заземления д.б. Rз £ 4 Ом);
r – удельное сопротивление грунта, Ом × м;
x – расстояние от места стекания тока в землю до человека, м.
Из формулы видно, что чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше будет сила тока, прошедшего через человека, и наоборот, чем ближе к заземлителю, тем она будет меньше.
На рис.3.3. показана схема прикосновения человека к заземленному оборудованию при напряжении прикосновения.
Рис.3.3. Схема распределения потенциалов при напряжении прикосновения: I – распределение потенциала на поверхности грунта в момент замыкания фазы на корпус; II – напряжение прикосновения Uпр при изменении расстояния от заземлителя; 1,2,3 – корпуса электродвигателей.
Напряжение прикосновения и величина тока, протекающего через организм человека при нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановки переменного тока частотой 50 Гц, не должны превышать соответственно 2В и 0,3 мА.
Снизить напряжение прикосновения и силу тока можно за счет малого сопротивления системы защитного заземления или увеличения потенциала поверхности в зоне растекания тока на землю.
Напряжение шага
При наличии токопроводящих полов или грунта человек, находящийся недалеко от корпуса электрооборудования, на которое произошло замыкание тока, или упавшего на землю электропровода может оказаться под напряжением шага Uш. Напряжение шага возникает вокруг места перехода тока от поврежденной электроустановки в землю.
Напряжение шага – напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.
Характер распределения потенциалов на земной поверхности подчиняется гиперболическому закону.
На расстоянии 1м от места стекания тока на землю потенциал снижается на 68%, на расстоянии 10м снижение достигает 92%, а на расстоянии 20м потенциал точек земли практически равен нулю. Такое распределение потенциалов объясняется тем, что вблизи заземлителя площадь проводника земли малая, поэтому здесь земля оказывает большое сопротивление прохождению тока, а по закону Ома: 
где I – сила тока электроцепи, А; U – напряжение, В; Rз – сопротивление (в данном случае земли), Ом;
По мере удаления от заземлителя сечение проводника – земли увеличивается, сопротивление его уменьшается, следовательно, и падение напряжения уменьшается. На расстоянии более 20м от места замыкания тока земля практически не оказывает сопротивления прохождению тока.
Человек, находясь в зоне растекания тока, даже не прикасаясь к поврежденному оборудованию, может попасть под высокое напряжение.
Это происходит потому, что различные точки земли, которых касаются ноги человека, имеют различные потенциалы. Например, левая нога отстоящая от заземлителя на расстоянии х, приобретает потенциал xх, величину которого определяют по формуле:
где Iз - ток замыкания на землю, А;
r - удельное сопротивление грунта, Ом × м;
Правая нога соответственно приобретает потенциал xх+а, определяемый выражением:
где а – ширина шага, м.
Разность потенциалов, под которой могут оказаться ноги человека, называют напряжением шага:
Отсюда определяют напряжение шага:
Из равенства следует, что напряжение шага зависит от тока замыкания, ширины шага, расстояния от человека до места замыкания тока на землю, а также от удельного сопротивления грунта. По мере удаления от места замыкания напряжение шага становится меньше.
Силу тока, проходящего через человека, попавшего под напряжение шага, определяют по формуле:
где Rh – сопротивление человека воздействию электрического тока, Ом.
Максимальное значение Ih будет, когда человек одной ногой стоит на участке земли в точке замыкания тока на землю, а другой – на расстоянии шага от этой точки. Минимальное значение Ih соответствует случаю, когда человек стоит на точках с одинаковыми потенциалами, тесно сомкнув ноги. В этом случае Ih=0.
Напряжение шага является причиной частой гибели людей и крупных животных (коров, лошадей). При обнаружении соединения с землей какой-либо токоведущей части установки запрещается приближение к месту повреждения на расстояние ближе 4м в помещениях и ближе 20м – на открытых площадях.
Необходимо отметить, что характер зависимости напряжения шага от расстояния между человеком и заземлителем противоположен той же зависимости напряжения прикосновения, которое увеличивается с увеличением расстояния.
Без учета дополнительных сопротивлений в электрической цепи человека максимальное напряжение шага меньше напряжения прикосновения. Однако поражение людей при воздействии напряжения шага объясняется тем, что под действием тока в ногах возникают судороги и человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль его тела через дыхательные органы – легкие и сердце, что приводит к параличу их деятельности.
Оказавшись в зоне напряжения шага, выходить из нее следует небольшими шагами (гусиными скользящими шагами) в сторону, противоположенную месту замыкания электрического провода на землю.