Опасность поражения электрическим током в трехфазных сетях. Схемы включения человека в электрическую цепь тока. Меры обеспечения электробезопасности

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.

1) Однофазное прикосновение к проводу сети с изолированной нейтралью при исправной изоляции (рис.1):

Рисунок 1 - Однофазное включение человека в электрическую сеть.

Ток, проходящий через человека I h , возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением изоляции R из. До 1000В R из равна 0,5 МОм и больше. Ток, протекающий через тело человека, определяется выражением:

(1)

где R h - сопротивление тела человека, при расчетах берется 1000 Ом;

R из - сопротивление изоляции фаз относительно земли;

U ф - фазное напряжение

С учетом сопротивление обуви R об и пола R п, включенных последовательно сопротивлению тела человека R h , ток, проходящий через человека, будет равен:

(2)

2) Однофазное прикосновение к проводу сети с заземленной нейтралью (рис.2):

Рисунок 2 - Однофазное прикосновение к сети с заземленной нейтралью

Величина тока через человека определяется только сопротивлением тела человека, величины сопротивлений изоляции проводов не влияют на ток, проходящий через тело человека.

, (3)

где R 0 - сопротивление заземления нейтрали. При Uл= 380 В R 0 не превышает 4 0м, то им при расчетах можно пренебречь. В этом случае сопротивление пола и обуви играют большую роль в безопасности человека, т.к. включены в цепь с человеком последовательно.

(4)

При R п = 0 и R об = 0

I h = = 0,22 А = 220 мА > 100 мА >> 10 мА ,

это очень опасно!

При замыкании фазы на землю сеть с изолированной нейтралью (рис. 4) оказывается более опасной, чем с заземленной (рис. 5). Так как, в сети с изолированной нейтралью напряжение, обуславливающее величину тока через тело человека равно U л, а в сети с заземлённой нейтралью оно лежит в пределах:

U л >U пр >U ф

Рисунок 4 - Сеть с изолированной нейтралью

I h = , (7)

где R h - сопротивление тела человека;

R зм - сопротивление замыкания фазы земли

В случае пробоя фазы на корпус оборудования, которое в нормальных условиях не должно находится под напряжением, человек, работающий с этим оборудованием, оказывается в режиме однофазного прикосновения. Для защиты от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью применяется защитное заземление (рис. 6).

Рисунок 5 - Сеть с заземленной нейтралью

Защитное заземление

Защитное заземление выполняется с целью обеспечения безопасности людей при нарушении изоляции токоведущих частей. Применяется также заземление для защиты от действия атмосферного электричества электрооборудования, зданий и сооружений.

Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических частей оборудования, в обычных условиях находящихся не под напряжением, но могущих оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановок.

Действие защитного заземления заключается в том, что оно снижает напряжение между корпусом оборудования, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения.

Поясним это на примере сети с изолированной нейтралью (рис. 6). Если корпус электрооборудования не заземлен и он оказался в контакте с фазой, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно однофазному включению. Если же корпус заземлен, то потенциал корпуса относительно земли падает до безопасно малого значения.

Рисунок 6 - Защитное заземление

Заземлять необходимо металлические части электроустановок, корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, приводы электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов, каркасы распределительных щитов, щитов управления, шкафов и др.

Защитное заземление применяется в трехфазных трехпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях напряжением 1000 В и выше – с любым режимом нейтрали (рис. 3.18).

Прохождение тока через человека, является следствием его прикосновения не менее, чем к двум точкам электрической цепи, между которыми есть некоторая разность потенциалов (напряжение).

Опасность такого прикосновения неоднозначна и зависит от ряда факторов:

схемы включения человека в электрическую цепь;

напряжения сети;

схемы самой сети;

режима нейтрали сети;

степени изоляции токоведущих частей от земли;

ёмкости токоведущих частей относительно земли.

Классификация сетей напряжением до 1000 В

Однофазные сети

Однофазные сети разделятся на двухпроводные и однопроводные.

Двухпроводные

Двухпроводные сети делятся на изолированные от земли и с заземлённым проводом.

Изолированные от земли

С заземлённым проводом

Данные сети широко используются в народном хозяйстве, начиная с питания малым напряжением переносного инструмента и заканчивая питанием мощных однофазных потребителей.

Однопроводные

В случае однопроводной сети, роль второго провода выполняет земля, рельс и т.д.

Однофазная сеть. Однопроводная

Основное применение данные сети получили в электрифицированном транспорте (электровозы, трамваи, метро и т.д.).

Трёхфазные сети

В зависимости от режима нейтрали источника тока и наличия нейтрального или нулевого проводника могут быть выполнены по четырём схемам.

Нейтральная точка источника тока - точка, напряжения на которой относительно всех фаз одинаковы по абсолютному значению.

Нулевая точка источника тока - заземлённая нейтральная точка.

Проводник,присоединённый к нейтральной точке, называется нейтральным проводником (нейтралью), а к нулевой точке - нулевым проводником.

1. Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью

2. Трёхпроводная сесть с заземлённой нейтралью

3. Четырёх проводная сеть с изолированной нейтралью

4. Четырёх проводная сеть с заземлённой нейтралью

При напряжении до 1000В в нашей стране используются схемы «1» и «4».

Схемы включения человека в электрическую цепь

Двухфазное прикосновение - между двумя фазами электрической сети. Как правило, наиболее опасное т.к., имеет место быть линейное напряжение. Однако данные случаи довольно редки.

Однофазное прикосновение - между фазой и землёй. При этом предполагается наличие электрической связи между сетью и землёй.

Подробнее о схемах включения человека в цепь см. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках.

Однофазные сети

Изолированная от земли

Нормальный режим

Чем лучше изоляция проводов относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу.
Прикосновение человека к проводу с большим электрическим сопротивлением изоляции более опасно.

Аварийный режим

При замыкании провода на землю, человек прикоснувшийся к исправному проводу, оказывается под напряжением, равным почти полному напряжению линии, независимо от сопротивления изоляции проводов.

С заземлённым проводом

Прикосновение к незаземлённому проводу

В данном случае, человек оказывается практически под полным напряжением сети.

Прикосновение к заземлённому проводу

В нормальных условиях прикосновение к заземлённому проводу практически не опасно.

Прикосновение к заземлённому проводу. Аварийный режим работы

При коротком замыкании напряжение на заземлённом проводе может достигать опасных значений.

Трёхфазные сети

С изолированной нейтралью

Нормальный режим

Опасность прикосновения определяется полным электрическим сопротивлением проводов относительно земли, с увеличением сопротивления, опасность прикосновения уменьшается.

Аварийный режим

Напряжение прикосновения практически равно линейному напряжению сети. Наиболее опасный случай.

С заземлённой нейтралью

Нормальный режим

Человек в данном случае оказывается практически под фазным напряжением сети.

Аварийный режим

Величина напряжения прикосновения лежит между линейным и фазным напряжением, зависит от соотношения между сопротивлением замыкания на землю и сопротивлением заземления .

Меры обеспечения электробезопасности

Исключение контакта человека с токоведущими частями.
Релаизуется посредством расположения токоведущих частей в недосягаемых местах (на высоте, в кабельных каналах, коробах, трубах и т.д.)

Использование малых напряжений (12, 24, 36 В).
Например, для питания ручного инструмента в помещениях с повышенной опасностью поражения электрическим током.

Использование двойной изоляции.
Например, выполнение корпуса электроустановки из диэлектрика.

Применение средств индивидуальной защиты.
Перед применением СИЗ необходимо обязательно убедиться в их исправности, целостности, а также проверить сроки предыдущей и последующей поверки инструмента.

Основные защитные средства обеспечивают непосредственную защиту от поражения электрическим током.
Дополнительные защитные средства не могут самостоятельно обеспечить безопасность, но могут помочь при использовании основных средств.

Контроль изоляции оборудования и сетей.
- Выходной контроль.
- Плановый.
- Внеочередной и т.д.

Защитное разделение сетей.
Позволяет уменьшить ёмкость линий вблизи потребителей электрической энергии.

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей, могущих оказаться под напряжением, с землёй или её эквивалентом (популярно о заземлении на geektimes.ru).

В сетях до 1000 В защитное заземление применяется в сетях с изолированной нейтралью.
Принцип действия заключается в уменьшении до безопасного значения напряжения прикосновения.

Когда заземление невозможно, в целях защиты выравнивают потенциал основания на котором стоит человек и оборудования, путём повышения. Например, соединение ремонтной корзины с фазным проводником ЛЭП.

Заземлители делятся на:
a. Искусственные, предназначенные для целей заземления непосредственно.
b. Естественные, находящиеся в земле металлические предметы иного назначения, которые могут быть использованы в качестве заземлителей. Исключения по критерию взырвопожароопасности (газопроводы и т.д.).

Сопротивление заземления должно быть не более нескольких Ом. При этом со временем в результате коррозии сопротивление заземлителя возрастает. Поэтому его величина должна периодически контролироваться (зима/лето).

Защитное зануление - преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей, могущих оказаться под напряжением, с многократно заземлённым нулевым защитным проводником.

Область применения - электроустановки с заземлённой нейтралью с напряжением до 1000В.

Принцип действия - превращение замыкания на корпус оборудования в однофазное короткое замыкание, с последующим отключением оборудования по превышению максимально допустимой силы тока.

Токовая защита реализуется либо с помощью автоматических выключателей, либо плавких предохранителей. Особое внимание необходимо уделить выбору толщины нулевого защитного провода, достаточной для проведения тока короткого замыкания.

Применение УЗО (устройств защитного отключения).

Данный вид защиты срабатывает, когда токи входящий и выходящий в отслеживаемом контуре не совпадают по величине т.е., когда имеет место быть утечка тока. Например, при прикосновении человека к фазному проводу, часть тока уходит мимо основного контура в землю, что и вызывает отключение питания оборудования в контролируемом контуре. Подробнее, .

Оглавление книги Следующая страница>>

§ 3. Опасность поражения человека электрическим током.

Схема однофазного включения человека в сеть трехфазного тока с заземленной нейтралью.

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 (рис. 69). Дополнительное защитное действие оказывает изоляция пола, на котором стоит человек, и обувь.

Рис. 69. Схема однофазного включения человека в сеть трехфазного тока с заземленной нейтралью

Таким образом, в четырех проводной трехфазной сети с заземленной нейтралью цепь тока, проходящего через человека, включает сопротивление его тела, а также сопротивления пола, обуви и заземления нейтрали источника тока (трансформатора и т. п.). При этом величина тока

где U л - линейное напряжение, В; R т - сопротивление тела человека, Ом; R п - сопротивление пола, на котором находится человек, Ом; R об - сопротивление обуви человека, Ом; R 0 - сопротивление заземления нейтрали, Ом.

В качестве примера рассмотрим два случая однофазного включения человека в трехфазную четырехпроводную электрическую сеть с заземленной нейтралью при U л = 380 В.

Случай с неблагоприятными условиями . Человек, прикоснувшийся к одной фазе, находится на сыром грунте или токо-проводящем (металлическом) полу, его обувь сырая или имеет металлические гвозди. В соответствии с этим принимаем сопротивления: тела человека R т =1000 Ом, грунта или пола R п =0; обуви R об = 0.

Сопротивление заземления нейтрали R 0 = 4 Ом в расчет в виду незначительной величины не принимаем. Через тело человека пройдет ток

являющийся опасным для жизни.

Случай с благоприятными условиями . Человек находится на деревянном сухом полу сопротивлением R п = 60 000 Ом, имеет на ногах сухую непроводящую (резиновую) обувь сопротивлением R об = 50 000 Ом. Тогда через тело человека пройдет ток

являющийся длительно допустимым для человека.

К тому же сухие полы и резиновая обувь обладают значительно большим сопротивлением в сравнении с величинами, принятыми для расчета.

Данные примеры показывают большое значение изолирующих свойств пола и обуви для обеспечения безопасности лиц, работающих в условиях возможного контакта с электротоком.

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