Основные причины электротравматизма

Основными причинами поражения электрическим током являются:

- прикосновение к неизолированным токоведущим частям (проводам, клеммам, шинам и т. п.), при котором возникает напряжение прикосновения;

- появление напряжения на частях установок и машин, не находящихся под напряжением в нормальных условиях эксплуатации (корпуса, пульты и др.), что чаще всего происходит вследствие повреждения изоляции;

- образование электрической дуги между токоведущей частью и человеком, что возможно в электрических установках напряжением выше 1 кВ;

- воздействие напряжения шага;

- несогласованные и ошибочные действия персонала, отсутствие надзора за электроустановками под напряжением и ряд других организационных причин.

Во избежание поражения током вследствие возникновения электрической дуги не допускается приближение людей, механизмов и грузоподъемных машин к находящимся под напряжением неогражденным токоведущим частям электроустановок на расстояния менее указанных в таблице 5.5.

Таблица 5.5 – Допустимые расстояния приближения к токоведущим частям,
находящимся под напряжением

Напряжение, кВ	Расстояние от людей и применяемых ими инструментов и приспособлений; от временных ограждений, м	Расстояние от механизмов и грузоподъемных машин в рабочем и транспортном положении; от стропов, грузозахватных приспособлений и грузов, м
До 1 на ВЛ	0,6	1,0
До 1 в прочих электроустановках	Не нормируется (без прикосновения)	1,0
1…35	0,6	1,0
60, 110	1,0	1,5
	1,5	2,0
	2,0	2,5
	2,5	3,5

Опасность поражения электрическим током наступает главным образом при прямом или косвенном прикосновении к частям, находящимся под напряжением. Под прямым понимается электрический контакт людей или животных с токоведущими частями, находящимися под напряжением; под косвенным – электрический контакт людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции (прикосновение к частям оборудования, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции, когда человек (животное) находится в контакте с землей или с другой проводящей частью).

Опасными являются и ситуации, при которых возникает шаговое напряжение. Напряжение шага – напряжение между двумя точками на поверхности земли на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека. Численно напряжение шагаравно разности потенциалов точек, на которых могут находиться ноги человека, оказавшегося в этой зоне.

Поле потенциалов на поверхности земли может возникнуть, например, при замыкании провода на землю в результате его обрыва, при стекании тока с заземлителя и т. п. Рассмотрим это явление подробнее.

Для упрощения анализа принимаем, что ток I_з стекает в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы (рисунок 5.10), грунт однородный и изотропный, его эквивалентное удельное электрическое сопротивление ρ во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя.

Рисунок 5.10 – Растекание тока в грунте

Тогда потенциал точки А, находящейся на расстоянии х от заземлителя, найдется из равенства:

(5.3)

Если пренебречь падением напряжения на самом заземлителе, а также между его поверхностью и прилегающими к ней частицами земли, то потенциал заземлителя φ_з или, иначе говоря, напряжение заземлителя относительно зоны нулевого потенциала (зона нулевого потенциала – часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю):

(5.4)

Таким образом, потенциал на поверхности грунта изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения U_з до нуля при х = ∞.

Зону земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала называют зоной растекания тока замыкания на земле. Эта зона простирается в среднем на расстояние до 20 м от места замыкания на землю.

Оказавшись в зоне растекания тока, человек попадает под напряжение шага. При расположении одной ноги человека на расстоянии х от упавшего провода или заземлителя (рисунок 5.11) и ширине шага а (обычно в расчетах принимается а = 1 м) напряжение шага определяют по следующей формуле:

. (5.5)

Рисунок 5.11 – Напряжение шага

Напряжение шага зависит от формы заземлителя, его расположения в земле, расстояния до него и ширины шага (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем больше U_ш). На рисунке 11 видно, что приближение к месту стекания тока I_з в землю приводит к возрастанию напряжения шага (U_ш1 > U_ш2).

Напряжение U_ш делится между сопротивлением тела человека R_h и последовательно соединенными с R_h двумя сопротивлениями подошв его ног, равными в сумме 2R_н. Сопротивление R_н можно определить, аппроксимируя подошву ноги эквивалентным ей по площади диском с диаметром d = 0,17 м, лежащим на поверхности земли, и пренебрегая взаимным влиянием полей растекания токов с ног человека. Используя формулу для расчета сопротивления земли растеканию тока с диска, получим:

(5.6)

Тогда шаговое напряжение, приложенное непосредственно к телу человека:

(5.7)

Данное выражение можно представить следующим образом:

(5.8)

где β₁ – коэффициент напряжения шага, учитывающий расстояние от человека до заземлителя:

(5.9)

β₂ – коэффициент напряжения шага, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека:

(5.10)

Величина коэффициента b₁ может изменяться от единицы (человек одной ногой стоит на заземлителе или проводе, а другой делает шаг на расстояние а = 1 м) и до нуля, при нахождении человека на расстоянии более 20 м от заземлителя (провода). Расстояние 20 м – постоянная величина, не зависящая от напряжения сети и удельного сопротивления грунта.

Поскольку величина напряжения шага уменьшается в зависимости от расстояния до заземлителя по гиперболической зависимости (рисунок 5.11), то безопасное напряжение шага будет уже на расстоянии 8 м от заземлителя. Поэтому к лежащему на земле проводу обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 8...10 м. На более близкие расстояния можно подходить только очень короткими шагами (так называемый «гусиный шаг»). В помещениях с токопроводящими полами (например, бетонными) к лежащему на полу проводу обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 4…6 м.

Коэффициент b₂ также изменяется от единицы (человек стоит босиком на земле) и до нуля (человек использует дополнительные электрозащитные средства – диэлектрические галоши и боты). Используя дополнительные электрозащитные средства, можно вплотную подходить, например, к лежащему на земле проводу.

Электрический ток, протекающий при этом по пути «нога – нога»:

(5.11)

Особую опасность напряжение шага представляет для сельскохозяйственных животных, в первую очередь для крупного рогатого скота и лошадей, так как у них расстояние между передними и задними ногами больше, чем расстояние между ступнями человека.

Напряжение прикосновения часто возникает между частями электроустановок (например, их корпусами), случайно оказавшимися под напряжением, и землей при одновременном прикосновении к ним человека (рисунок 5.12). При замыкании фазы сети на один из корпусов на заземлителе появится напряжение относительно зоны нулевого потенциала:

(5.12)

где R_з – сопротивление заземлителя растеканию тока.

Рисунок 5.12 – Напряжение прикосновения

Если пренебречь малой величиной падения напряжения на заземляющих проводниках, то напряжение на всех корпусах, присоединенных к данному заземлителю, U_к = U_з (линия 1 на рисунке 5.12).

При стекании тока I_з в землю напряжение на ее поверхности, относительно зоны нулевого потенциала, будет уменьшаться от максимального значения U_з практически до нуля вне зоны растекания тока (кривая 2). Напряжение U_x – это напряжение в точке b, расположенной на расстоянии х от заземлителя. Напряжение прикосновения для человека, стоящего на земле в этой точке и касающегося заземленного корпуса:

(5.13)

Напряжение прикосновения, представленное пунктирной кривой 3, зависит от формы кривой 2 и расстояния до заземлителя. Если человек стоит над заземлителем (положение a), то U_x = U_з и U_пр = 0. При значительном удалении от заземлителя (х > 20 м) U_x » 0, отсюда U_пр = U_з будет максимальным (положение с). При промежуточных значениях х напряжение U_пр непрерывно нарастает от 0 до U_з.

Следует отметить, что при рассмотрении напряжения прикосновения не учитывалось сопротивление грунта растеканию тока с ног человека R_гр. С учетом этой величины напряжение прикосновения, приложенное непосредственно к телу человека:

(5.14)

Полагая, что ступни ног отстоят одна от другой на расстоянии шага и взаимодействие их полей растекания тока в земле отсутствует, получим:

(5.15)

При этом сопротивления R_н в данном случае включены в цепи тока I_h параллельно.

В итоге напряжение прикосновения определяется по выражению:

(5.16)

Данное выражение можно записать в виде:

(5.17)

где a₁ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования:

(5.18)

Величина коэффициента a₁ может изменяться от нуля до единицы. При Х = Х_з (когда заземленное электрооборудование размещено непосредственно над заземлителем) a₁ = 0. Следовательно и напряжение прикосновения U_пp также равно нулю. Если же Х стремится к бесконечности, то a₁ = 1 (чем дальше от заземлителя расположено заземленное электрооборудование, тем больше величина напряжения прикосновения). На больших расстояниях от заземлителя U_пp = U_з.

На величину напряжения прикосновения влияет не только расстояние X, но и сопротивление тела человека. Если человек использует основные и дополнительные электрозащитные средства (диэлектрические перчатки, галоши, коврики, изолирующие подставки и др.), напряжение прикосновения необходимо определять по следующей формуле:

(5.19)

где a₂ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека.

Величина этого коэффициента может изменяться от единицы (когда человек касается электрооборудования незащищенной рукой, стоя босиком на земле) до нуля (человек касается электрооборудования, используя исправные основные и дополнительные электрозащитные средства).

Напряжение прикосновения является важной характеристикой, которая используется для расчетов сопротивления заземления и выбора типа защиты. При этом должно выполняться следующее условие:

(5.20)

(5.21)

гдеI_h – ток, протекающий через тело человека, А; R_h – сопротивление тела человека, Ом (принимается R_h = 1000 Ом); U_пp.доп – допустимое напряжение прикосновения, В.

Так как

(5.22)

то

(5.23)

где R_з – сопротивление заземлителя, Ом.

Таким образом, величина U_пp.доп определяет тип заземлителя, применяемый на объекте, поскольку сопротивление заземлителя R_з зависит от формы, размера, числа электродов заземлителя, их взаимного расположения и глубины залегания в грунте.

В целях эксплуатационного контроля состояния электробезопасности на объектах периодически производятся измерения величины напряжения прикосновения. Результаты измерений показывают, обеспечивается ли безопасность человека и животных от поражения электрическим током.

Напряжение прикосновения так же, как и напряжение шага, может представлять существенную опасность при больших значениях тока I_з, что обычно наблюдается в электроустановках напряжением выше 1 кВ и в отдельных случаях в электроустановках до 1 кВ. В качестве средств защиты, наряду с другими, применяют уравнивание и выравнивание потенциалов.

5.5. Исследование опасности поражения током в трехфазных электрических
сетях

Случаи поражения человека током возможны при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение. Опасность такого прикосновения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения и схемы сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей относительно земли.

В агропромышленном комплексе Российской Федерации применяются преимущественно сети переменного тока: трехфазные и однофазные. Трехфазные сети в зависимости от режима нейтрали источника тока разделяют на следующие:

- при напряжении до 1 кВ – с глухозаземленной нейтралью (присоединенной к заземлителю непосредственно или через малое сопротивление) и с изолированной нейтралью;

- при напряжении выше 1 кВ – с глухозаземленной или эффективно заземленной нейтралью и с изолированной нейтралью (не присоединенной к заземлителю или присоединенной через большое сопротивление).

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами (L2 и L3) и между одним проводом L3 и землей (рисунок 5.13). Во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей через сопротивление изоляции проводов относительно земли Z₁, Z₂, Z₃.

Рисунок 5.13 – Включение человека в цепь тока: а – двухфазное включение; б – однофазное прямое включение; в – однофазное косвенное включение

Применительно к трехфазным сетям первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую – однофазным (рисунок 5.13).

Двухфазное включение – прикосновение человека одновременно к двум фазам, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека проходит ток:

(5.24)

где – линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами L1, L2, L3 сети; U – фазное напряжение, т. е. напряжение между началом и концом одной обмотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевым проводами (при наличии последнего).

Двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. При этом изоляция человека от земли, например с помощью диэлектрического коврика, не уменьшит опасность поражения.

Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, обычно меньше линейного. Соответственно меньше будет и ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на значение проходящего через тело человека тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции и емкость проводов относительно земли, сопротивление основания, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и другие факторы.

Рассмотрим трехфазные сети напряжением до 1 кВ при нормальном и аварийном режимах работы. Это сети трехпроводные с изолированной нейтралью и сети с глухозаземленной нейтралью. Последние бывают пятипроводными, содержащими кроме трех фазных два нулевых проводника: рабочий N (neutral) и защитный РЕ (protection earth), и четырехпроводными, в которых нулевые проводники объединены в один PEN-проводник, совмещающий функции N- и РЕ-проводников.

В целях упрощения анализа сетей принимаем, что тело человека обладает только активным сопротивлением R_h, а сопротивление грунта растеканию тока с ног человека R_гр и сопротивление его обуви R_об равными нулю. В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью (рисунок 5.14) ток, проходящий через тело человека, при прикосновении к одной из фаз сети в период ее работы в нормальном режиме (рисунок 5.14, а) определяют в комплексной форме следующим выражением:

(5.25)

где Z_ф – полное комплексное сопротивление одной фазы относительно земли:

(5.26)

где r и С – соответственно активное сопротивление изоляции провода и емкость провода относительно земли (приняты для упрощения одинаковыми для всех проводов сети); ω – угловая частота изменения напряжения в сети; j – мнимая единица ().

Рисунок 5.14 – Однофазное прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью: а – при нормальном режиме; б – при аварийном режиме

Ток в действительной форме определяют следующим уравнением:

(5.27)

Если емкость проводов относительно земли С» 0, что обычно имеет место в воздушных сетях небольшой протяженности, то данное уравнение примет вид:

(5.28)

Отсюда следует, что с увеличением активного сопротивления изоляции r провода опасность поражения током уменьшается. Поэтому важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции провода (не менее 0,5 МОм) и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.

Если же сопротивление изоляции провода r относительно велико, что обычно имеет место в кабельных сетях, ток, протекающий через тело человека, можно определить по следующей формуле:

(5.29)

Отсюда следует, что в таких сетях ток, проходящий через тело человека, зависит от величины емкости фаз относительно земли.

Таким образом, в сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме ее работы ток, протекающий через тело человека при однофазном прикосновении, зависит от активного сопротивления r изоляции проводов и их емкости С относительно земли. Этот ток, а следовательно, и опасность поражения будут незначительными, если обеспечить достаточно большое значение r и малое – С.

При аварийном режиме работы сети, когда возникло замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление r_зм, ее напряжение относительно земли снижается. При этом напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения (рисунок 5.14, б). Таким образом, этот случай прикосновения во много раз опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

В трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью, при ее нормальном режиме работы, активная и емкостная составляющие сопротивления изоляции проводов относительно земли намного больше сопротивления заземления нейтрали. Поэтому при определении тока, проходящего через тело человека, касающегося фазы сети, последними можно пренебречь. Тогда ток (рисунок 5.15, а), проходящий через тело человека:

(5.30)

где r₀ – сопротивление заземления нейтрали.

Поскольку r₀ намного меньше R_h (r₀ ≤ 4 Ом), то можно пренебречь значением r₀ и считать, что человек оказывается практически под фазным напряжением U, а ток I_h» U/R_h. Если, например U = 220 В, R_h = 1000 Ом, то ток I_h = 220 мА и представляет существенную опасность для жизни человека. Ограничить этот ток можно, увеличив сопротивление в цепи тела человека, например, используя диэлектрическую обувь, диэлектрические коврики, изолирующие подставки.

Рисунок 5.15 – Однофазное прикосновение человека к проводу трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью: а – при нормальном режиме; б – при аварийном режиме

При аварийном режиме работы одна из фаз сети замкнута на землю через относительно малое сопротивление r_зм (рисунок 5.15, б). При этом r_зм > r₀. Тогда напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с заземленной нейтралью, всегда меньше линейного и немного больше фазного. Таким образом, прикосновение к исправной фазе сети с заземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.

Выбор схемы сети, а следовательно, и режима нейтрали источника тока производится, исходя из технологических требований и из условий безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение часто отдается пятипроводной (ранее – четырехпроводной) сети с глухозаземленной нейтралью, поскольку она позволяет использовать два рабочих напряжения: линейное и фазное.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов и когда емкость сети относительно земли незначительна. Такими являются мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети теплиц, шахт, торфоразработок, электротехнических лабораторий и т. п.

Сеть с заземленной нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды и пр.), когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда емкостные токи сети достигают больших значений, опасных для человека. Это, как правило, сети жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок.

При напряжении выше 1 кВ по технологическим требованиям сети напряжением до 35 кВ включительно имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ – заземленную. Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов относительно земли, для человека является одинаково опасным прикосновение к проводу сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Поэтому режим нейтрали сети напряжением выше 1 кВ выбирается по экономическим условиям, а не по требованиям безопасности.

Защиту человека и животных от поражения электрическим током трудно обеспечить при неисправных электроустановках. Основные причины аварий в электроустановках: короткие замыкания (контакт фазных либо фазного и нулевого проводников через малое сопротивление) и длительные перегрузки, изнашивающие изоляцию.

5.6. Защита электрооборудования от токов коротких замыканий и токов
перегрузки

При определенных условиях в сети могут возникнуть токи короткого замыкания (КЗ) и перегрузки, так называемые сверхтоки, а также ток утечки, следствием которых могут стать повреждения электрооборудования, поражения людей, пожары. Сверхтоки возникают часто в результате повреждения изоляции токопроводов или подключения электроприемников избыточной мощности. Токи утечки возникают, как правило, вследствие недопустимого снижения сопротивления изоляции или прикосновения человека к частям, находящимся под напряжением. Быстрое прерывание протекания сверхтоков обеспечивают автоматические выключатели и предохранители, а отключение защищаемого объекта от питающей сети при возникновении в нем тока утечки осуществляют устройства защитного отключения. Защиту при возникновении обоих видов опасных токов выполняют дифференциальные автоматические выключатели.

Токи уставок (I_уст) автоматических выключателей (АВ) и номинальные токи (I_ном) плавких вставок (ПВ) предохранителей, защищающих отдельные участки сети, выбирают, по возможности, наименьшими, исходя из расчетных токов этих участков или номинальных токов подключенных здесь электроприемников, но таким образом, чтобы аппараты защиты не отключали электроустановки при кратковременных перегрузках (пусковые токи, токи при самозапуске и т. п.). Аппараты защиты от токов КЗ должны обеспечивать наименьшее время отключения защищаемой электрической цепи в рамках установленных ПУЭ допустимых значений и соответствовать требованиям селективности. Аппараты защиты предохраняют от перегрузок осветительные сети жилых зданий, включая цепи бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, плиток, холодильников, пылесосов, стиральных и швейных машин и т. п.), а также, при необходимости, силовые сети этих зданий.

Аппараты защиты должны иметь надпись, указывающую значения I_уст расцепителя и I_ном плавкой вставки. Номинальный ток ПВ предохранителя указывается производителем на имеющемся на нем клейме. Если ток в цепи, защищенной предохранителем, превысит I_ном ПВ, то она расплавляется, обеспечивая разрыв цепи и предотвращая тем самым перегрев проводов и возможное возникновение пожара. После устранения причин, вызвавших перегрузку, плавкую вставку заменяют новой. Установка «жучков» – проволок, шунтирующих или заменяющих перегоревшую калиброванную на заводе проволочку плавкой вставки недопустима, так как может стать причиной пожара.

Более удобны в эксплуатации предохранители автоматические резьбовые (ПАР). При возникновении сверхтоков, превышающих ток срабатывания ПАР, они автоматически отключают защищаемую сеть. После устранения причин перегрузки питание вновь подается в сеть нажатием кнопки «Пуск», установленной на ПАР. Нажатием кнопки «Стоп» можно при необходимости отключить сеть от источника питания. Предохранители и автоматические выключатели пробочного типа присоединяют к сети так, чтобы при вывинченной пробке винтовая гильза аппарата оставалась без напряжения.

Промышленностью выпускаются различные типы автоматических выключателей, что позволяет выбрать подходящий с необходимым номинальным током. Например, выключатели автоматические серии ВА 45-29 со встроенной защитой от токов перегрузки и КЗ, а также от пожаров при сверхтоках могут быть использованы в однофазных и трехфазных сетях напряжением 220 и 380/220 В. Выключатели ВА 45-29 могут иметь 1, 2, 3 или 4 полюса. Они выпускаются с номинальным током I_н – 10, 16, 25, 32, 40, 50, 63 А; временем отключения не более 0,1 с при токе 10I_н и номинальной включающей и отключающей способностью I_max = 3000 А. Внешний вид трехполюсного автоматического выключателя и чертеж его секции в двух проекциях с габаритными и установочными размерами показаны на рисунке 5.16.

Рисунок 5.16 – Выключатель автоматический серии ВА 45-29: а – трехполюсный (внешний вид); б – однополюсная секция

При числе полюсов: 1, 2, 3, 4 размер L (рисунок 5.16, б) соответственно будет составлять 18, 36, 54, 72 мм.