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.

Включение человека в электрическую сеть может быть однофазным и двухфазным. Однофазное включение представляет собой подключение человека между одной из фаз сети и землей. Сила поражающего тока в этом случае зависит от режима нейт­рали сети, сопротивлений человека, обуви, пола, изоляции фаз относительно земли. Однофазное включение возникает значитель­но чаще и часто служит причиной электрических травм в сетях любого напряжения. При двухфазном включении человек прикасается к двум фа­зам электрической сети. При двухфазном включении сила тока, протекающего через тело (поражающий ток), зависит лишь от напряжения сети и сопротивления тела человека и не зависит от режима нейтрали питающего трансформатора сети. Электрические сети делят на однофазные и трехфазные. Однофазная сеть может быть изолирована от земли или иметь заземленный провод. На рис. 1 изображены возможные варианты подключения человека к однофазным сетям.

Таким образом, если человек прикоснется к одной из фаз трех­фазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, то он окажется практически под фазным напряжением (R3≤ RЧ) и сила тока, проходящего через человека при нормальной работе сети, практически не изменится с изменением сопротивления изо­ляции и емкости проводов отно­сительно земли.

Воздействие электрического тока на организм человека

Проходя через организм, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие.

Термическое действие проявляется в ожогах кожного покрова или внутренних органов.

При электролитической действия вследствие прохождения тока происходит разложение (электролиз) крови и другой органической жидкости, сопровождающееся разрушением эритроцитов и нарушением обмена веществ.

Биологическое действие выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что сопровождается самопроизвольным судорожным сокращением мышц, в том числе сердца и легких.

Различают два основных вида поражения электрическим током:

§ электрические травмы,

§ электрические удары.

Электрические удары могут быть условно разделены на четыре степени:

1. судорожные сокращения мышц без потери сознания;

2. с потерей сознания, но с сохранением дыхания и работы сердца;

3. потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);

4. клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Клиническая смерть - это переходный период между жизнью и смертью, начинается с момента остановки деятельности сердца и легких. Человек, находящийся в состоянии клинической смерти, не проявляет никаких признаков жизни: у нее отсутствуют дыхание, сердцебиение, реакции на болевые ощущения; зрачки глаз расширены и не реагируют на свет. Однако следует помнить, что в этом случае организм еще можно оживить, если правильно и своевременно подать ему помощь. Продолжительность клинической смерти может составлять 5-8 мин. Если помощь не будет подана своевременно, то наступает биологическая (истинная) смерть.

Результат поражения человека электрическим током зависит от многих факторов. Важнейшими из них являются величина и продолжительность действия тока, род и частота тока и индивидуальные свойства организм

Определение сопротивления растекания тока одиночных заземлителей и порядок расчета защитного контура заземления для стационарного технологического оборудования (ГОСТ 12.1.030-81. CCБТ. Защитное заземление, зануление)

Выполнение заземляющих устройств. Различают заземлители искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – сторонние проводящие части, находящиеся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемые для целей заземления.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

В качестве естественных заземлителей могут использоваться: проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов); обсадные трубы артезианских колодцев, скважин, шурфов и т. п.; металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле; металлические шпунты гидротехнических сооружений и т. п.

Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжения прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземленный корпус не превышают допустимых значений.

Для расчета заземления необходимы следующие сведения:

1) характеристика электроустановки - тип установки, виды основного оборудования, рабочие напряжения, способы заземления нейтралей трансформаторов и генераторов и т. п.;

2) план электроустановки с указанием основных размеров и размещения оборудования;

3) формы и размеры электродов, из которых предусмотрено соорудить проектируемый групповой заземлитель, а также предполагаемая глубина погружения их в землю;

4) данные измерений удельного сопротивления грунта на участке, где должен быть сооружен заземлитель, и сведения о погодных (климатических) условиях, при которых производились эти измерения, а также характеристика климатической зоны. Если земля принимается двухслойной, то необходимо иметь данные измерений удельного сопротивления обоих слоев земли и толщина верхнего слоя;

5) данные о естественных заземлителях: какие сооружения могут быть использованы для этой цели и сопротивления их растеканию тока, полученные непосредственным измерением. Если по каким-либо причинам измерить сопротивление естественного заземлителя невозможно, то должны быть представлены сведения, позволяющие определить это сопротивление расчетным путем;

6) расчетный ток замыкания на землю. Если ток неизвестен, то его вычисляют обычными способами;

7) расчетные значения допустимых напряжений прикосновения (и шага) и время действия защиты, в случае если расчет производится по напряжениям прикосновения (и шага).

Расчет заземления производится обычно для случаев размещения заземлителя в однородной земле. В последние годы разработаны и начали применяться инженерные способы расчета заземлителей в многослойном грунте.

При расчете заземлителей в однородной земле учитывается, сопротивление верхнего слоя земли (слоя сезонных изменений), обусловленное промерзанием или высыханием грунта. Расчет производят способом, основанным на применении коэффициентов использования проводимости заземлителя и называемым поэтому способом коэффициентов использования. Его выполняют как при простых, так и при сложных конструкциях групповых заземлителей.

При расчете заземлителей в многослойной земле обычно принимают двухслойную модель земли с удельными сопротивлениями верхнего и нижнего слоев r1, и r2 соответственно и толщиной (мощностью) верхнего слоя h1. Расчет производится способом, основанным на учете потенциалов, наведенных на электроды, входящие в состав группового заземлителя, и называемым поэтому способом наведенных потенциалов. Расчет заземлителей в многослойной земле более трудоемкий. Вместе с тем он дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей, которые обычно имеют место в электроустановках с эффективно заземленной нейтралью, т. е. в установках напряжением 110 кВ и выше.

При расчете заземляющего устройства любым способом необходимо определить для него требуемое сопротивление.

Определение требуемого сопротивления заземляющего устройства производят в соответствии с ПУЭ.

Для установок напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей в системе типа IT должно соответствовать условию:

где Rз - сопротивление заземляющего устройства, ом; Uпр.доп – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 в; Iз – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность трансформаторов и генераторов, питающих сеть, не превышает 100 кВА, в том числе суммарная мощность трансформаторов и (или) генераторов, работающих параллельно.

Для установок напряжением выше 1 кВ выше 1 кВ сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать:

0,5 Ом при эффективно заземленной нейтрали (т. е. при больших токах замыкания на землю);

250/Iз, но не более 10 Ом при изолированной нейтрали (т. е. при малых токах замыкания на землю) и условии, что заземлитель используется только для электроустановок напряжением выше 1000 В.

В этих выражениях Iз - расчетный ток замыкания на землю.

В процессе эксплуатации может произойти повышение сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного значения, поэтому необходимо периодически контролировать значение сопротивления заземлителя.

Контур заземления

Контур заземления классически представляет собой группу соединенных горизонтальным проводником вертикальных электродов небольшой глубины, смонтированных около объекта на относительно небольшом взаимном расстоянии друг от друга.

В качестве заземляющих электродов в таком заземляющем устройстве традиционно использовали стальной уголок либо арматура длинами 3 метра, которые забивали в грунт с помощью кувалды.

В качестве соединительного проводника использовали стальную полосу 4х40 мм, которая укладывалась в заранее подготовленную канаву глубиной 0,5 - 0,7 метра. Проводник присоединялся к смонтированным заземлителям электро- или газосваркой.

Контур заземления для экономии места обычно «сворачивают» вокруг здания вдоль стен (по периметру). Если взглянуть на этот заземлитель сверху, можно сказать, что электроды смонтированы по контуру здания (отсюда и название).

Таким образом контур заземления - это заземлитель, состоящий из нескольких электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг здания по его контуру.

Анализ опасности поражения практически сводится к определению значения тока, протекающего через тело человека в различных условиях, в которых он может оказаться при эксплуатации электроустановок, или напряжения прикосновения. Опасность поражения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, емкости токоведущих частей относительно земли и т. п.

Каковы схемы включения человека в электрическую цепь?

Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя фазами электрической сети, между одной фазой и землей. Кроме того, возможно прикосновение к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, а также включение человека под шаговое напряжение.

Что называется нейтралью трансформатора (генератора) и каковы режимы ее работы?

Точка соединения обмоток питающего трансформатора (генератора) называется нейтральной точкой, или нейтралью. Нейтраль источника питания может быть изолированная и заземленная.

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

Изолированной называется нейтраль генератора или трансформатора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление (приборы сигнализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы).

Что положено в основу выбора режима нейтрали?

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

При напряжении до 1000 В широкое распространение получили обе схемы трехфазных сетей: трехпроводная с изолированной нейтралью и четырехпроводная с заземленной нейтралью.

По технологическим требованиям предпочтение часто отдается четырехпроводной сети, она использует два рабочих напряжения - линейное и фазное. Так, от четырехпроводной сети 380 В можно питать как силовую нагрузку - трехфазную, включая ее между фазными проводами на линейное напряжение 380 В, так и осветительную, включая ее между фазным и нулевым проводами, т. е. на фазное напряжение 220 В. При этом становится значительно дешевле электроустановка за счет применения меньшего числа трансформаторов, меньшего сечения проводов и т. п.

По условиям безопасности выбирают одну из двух сетей исходя из положения: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети более безопасной является сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период - сеть с заземленной нейтралью. Поэтому сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции сети и когда емкость сети относительно земли незначительна. Это могут быть мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети небольших предприятий, передвижные установки.

Сети с заземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию электроустановок (из-за высокой влажности, агрессивной среды и пр.) или нельзя быстро отыскать и устранить повреждение изоляции, когда емкостные токи сети вследствие значительной ее разветвленности достигают больших значений, опасных для жизни человека. К таким сетям относятся сети крупных промышленных предприятий, городские распределительные и пр.

Существующее мнение о более высокой степени надежности сетей с изолированной нейтралью недостаточно обоснованно.

Статистические данные указывают, что по условиям надежности работы обе сети практически одинаковы.

При напряжении выше 1000 В вплоть до 35 кВ сети по технологическим причинам имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ - заземленную.

Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов относительно земли, для человека одинаково опасно прикосновение к проводу сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Поэтому режим нейтрали сети выше 1000 В по условиям безопасности не выбирается.

Какова опасность двухфазного прикосновения?

Под двухфазным прикосновением понимается одновременное прикосновение к двум фазам электроустановки, находящейся под напряжением (рис. 1).

Рис. 1. Схема двухфазного прикосновения человека к сети переменного тока

Двухфазное прикосновение более опасно. При двухфазном прикосновении ток, проходящий через тело человека по одному из самых опасных для организма путей (рука-рука), будет зависеть от прикладываемого к телу человека напряжения, равного линейному напряжению сети, а также от сопротивления тела человека:

• U л - линейное напряжение, т. е. напряжение между фазными проводами сети;
• R чел - сопротивление тела человека.

В сети с линейным напряжением U л = 380 В при сопротивлении тела человека R чел = 1000 Ом ток, проходящий через тело человека, будет равен:

Этот ток для человека смертельно опасен. При двухфазном прикосновении ток, проходящий через тело человека, практически не зависит от режима нейтрали сети. Следовательно, двухфазное прикосновение одинаково опасно как в сети с изолированной, так и с заземленной нейтралью (при условии равенства линейных напряжений этих сетей).

Случаи прикосновения человека к двум фазам происходят сравнительно редко.

Чем характеризуется однофазное прикосновение?

Однофазным прикосновением называется прикосновение к одной фазе электроустановки, находящейся под напряжением.

Оно происходит во много раз чаще, чем двухфазное прикосновение, но менее опасно, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного. Соответственно меньше оказывается и ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на этот ток большое влияние оказывают режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов сети относительно земли, сопротивление пола (или основания), на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.

Какова опасность однофазного прикосновения в сети с заземленной нейтралью?

Рис. 2. Схема прикосновения человека к одной фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью

В сети с заземленной нейтралью (рис. 2) цепь тока, проходящего через тело человека, включает в себя сопротивления тела человека, его обуви, пола (или основания), на котором стоит человек, а также сопротивление заземления нейтрали источника тока. С учетом указанных сопротивлений ток, проходящий через тело человека, определяется из следующего выражения:

• U ф - фазное напряжение сети, В;
• R чел - сопротивление тела человека, Ом;
• R об - сопротивление обуви человека, Ом;
• R п - сопротивление пола (основания), на котором человек стоит, Ом;
• R o - сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

При наиболее неблагоприятных условиях (человек, прикоснувшийся к фазе, имеет на ногах токопроводящую обувь - сырую или подбитую металлическими гвоздями, стоит на сырой земле или на проводящем основании - металлическом полу, на заземленной металлоконструкции), т. е. когда R об = 0 и R п = 0, уравнение принимает вид:

Поскольку сопротивление нейтрали R o обычно во много раз меньше сопротивления тела человека, то им можно пренебречь. Тогда

Однако при этих условиях и однофазное прикосновение, несмотря на меньший ток, весьма опасно. Так, в сети с фазным напряжением U ф = 220 В при R чел = 1000 Ом ток, проходя через тело человека, будет иметь значение:

Такой ток смертельно опасен для человека.

Если человек имеет на ногах непроводящую обувь (например, резиновые галоши) и стоит на изолирующем основании (например, на деревянном полу), то

• 45 000 - сопротивление обуви человека, Ом;
• 100 000 - сопротивление пола, Ом.

Ток такой силы не опасен для человека.

Из приведенных данных видно, что для безопасности работающих в электроустановках большое значение имеют изолирующие полы и непроводящая ток обувь.

Каковы особенности однофазного прикосновения в сети с изолированной нейтралью?

В сети с изолированной нейтралью (рис. 3) ток, проходящий через тело человека в землю, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.

С учетом сопротивлений обуви R об и пола или основания R п, на котором стоит человек, включенных последовательно сопротивлению тела человека R чел, ток, проходящий через тело человека, определяется уравнением:

где R из - сопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом.

Рис. 3. Схема прикосновения человека к одной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью

При наиболее неблагоприятном случае, когда человек имеет проводящую ток обувь и стоит на токопроводящем полу, т. е. при R об = 0 и R п = 0, уравнение значительно упростится:

Для этого случая в сети с фазным напряжением U ф = 220 В и сопротивлением изоляции фазы R из = 90 000 Ом при R чел = 1000 Ом ток, проходящий через человека, будет равен:

Этот ток значительно меньше тока (220 мА), вычисленного нами для случая однофазного прикосновения при аналогичных условиях, но в сети с заземленной нейтралью. Он определяется в основном сопротивлением изоляции проводов относительно земли.

Какая сеть является более безопасной - с изолированной или заземленной нейтралью?

При прочих равных условиях прикосновение человека к одной фазе сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сети с заземленной нейтралью. Однако этот вывод справедлив лишь для нормальных (безаварийных) условий работы сетей, при наличии незначительной емкости относительно земли.

В случае же аварии, когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с изолированной нейтралью может оказаться более опасной. Объясняется это тем, что при такой аварии в сети с изолированной нейтралью напряжение неповрежденной фазы относительно земли может возрасти с фазного до линейного, в то время как в сети с заземленной нейтралью повышение напряжения окажется незначительным.

Однако современные электрические сети ввиду их разветвленности и значительной протяженности создают большую емкостную проводимость между фазой и землей. В этом случае опасность прикосновения человека к одной и двум фазам практически одинакова. Каждое из этих прикосновений весьма опасно, так как ток, проходящий через тело человека, достигает очень больших значений.

Что такое напряжение шага?

Под напряжением шага понимается напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Величина шага обычно принимается равной 0,8 м.

Для некоторых животных (лошади, коровы) величина напряжения шага больше, чем для людей, и путь тока захватывает грудную клетку. По этим причинам они более подвержены поражениям шаговым напряжением.

Шаговое напряжение возникает вокруг места перехода тока от поврежденной электроустановки в землю. Наибольшая величина будет около места перехода, а наименьшая - на расстоянии более 20 м, т. е. за пределами, ограничивающими поле растекания тока в грунте.

На расстоянии 1 м от заземлителя падение напряжения составляет 68% полного напряжения, на расстоянии 10 м - 92%, на расстоянии 20 м потенциалы точек настолько малы, что практически могут быть равны нулю.

Такие точки поверхности почвы считаются находящимися вне зоны растекания тока и называются «землей».

Опасность напряжения шага увеличивается, если человек, подвергшийся его воздействию, падает. И тогда напряженйе шага возрастает, так как путь тока проходит уже не через ноги, а через все тело.

Случаи поражения людей из-за воздействия напряжения шага относительно редки. Они могут произойти, например, вблизи упавшего на землю провода (в такие моменты до отключения линии нельзя допускать людей и животных на близкое расстояние к месту падения провода). Наиболее опасны напряжения шага при ударе молнии.

Оказавшись в зоне шагового напряжения, выходить из нее следует небольшими шагами в сторону, противоположную месту предполагаемого замыкания на землю, и в частности лежащего на земле провода.

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.

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различными:

· между двумя проводами;

· между проводом и землей;

· между двумя проводами и землей одновременно и т.п.

Однако наиболее характерными являются первые две схемы. Применительно к трехфазным сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую – однофазным.

Двухфазное включение, т.е. прикосновение человека одновременно к двум фазам (рис. 11.3.), как правило, более опасно, чем однофазное, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через человека пойдет больший ток, сила которого определяется по формуле:

где I ч – сила тока, проходящего через тело человека, А; U л = 1,73 U ф – линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами сети, в; U ф – фазное напряжение, В; R ч – сопротивление тела человека, Ом.

Рис. 11.3 Схема двухфазного включения

человека в цепь тока в трехфазной сети

Нетрудно видеть, что при двухфазном включении ток, проходящий через человека, практически не зависит от режима нейтрали сети, следовательно, двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралями.

Однофазное включение происходит значительно чаще, нo оно менее опасно, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного, т.е. меньше линейного в 1,73 раза. Кроме того, на значение этого тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.

В сети с заземленной нейтралью (рис. 11.4) последовательно с сопротивлением тела человека (R ч) оказываются включенными сопротивление обуви (R об), сопротивление пола (R n) и сопротивление заземления нейтрали источника тока (R о).

Рис. 11.4 Схема однофазного включения человека в цепь тока в трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью

С учетом этих сопротивлений сила тока (I ч), проходящего через человека, будет отделяться по формуле:

I ч = ,

где R ч – сопротивление тела человека, Ом; R об – сопротивление обуви, Ом; R n – сопротивление пола, Ом; R о – сопротивление заземления нейтрали, Ом.

В сети с изолированной нейтралью (рис.

11.5.), ток, проходящий через человека, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов, которая обладает большим сопротивлением. Значение силы тока, проходящего через человека, определяется для этого случая по формуле:

I ч = ,

где R из – сопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом.

В сети с изолированной нейтралью условия безопасности находятся в прямой зависимости не только от сопротивления пола и обуви, но и от сопротивления изоляции проводов относительно земли: чем лучше изоляция, тем меньше ток, протекающий через человека.

Рис. 11.5 Схема однофазного включения человека в цепь тока в трехфазной сети с изолированной нейтралью

Таким образом, при прочих равных условиях однофазное включение человека в сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сети с заземленной нейтралью. Этот вывод справедлив дня нормальных (безаварийных) условий работы сети. В случае же аварии, когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с изолированной нейтралью может оказаться более опасной, так как вследствие старения изоляции, увлажнения и при других неблагоприятных условиях сопротивление изоляции снижается. В результате этого напряжение между любой неповрежденной фазой и землей может увеличиться с фазного до линейного, в то время как в сети с заземленной нейтралью напряжение неповрежденных фаз относительно земли практически не возрастает, т.е. остается в пределах фазного.

Таким образом, безопасность человека обеспечивается высоким качеством изоляции, которое контролируется в процессе профилактических испытаний. Периодический контроль изоляции заключается в том, чтобы определить сопротивление изоляции каждой фазы относительно земли и между фазами на каждом участке, между двумя последовательно установленными предохранителями, аппаратами или за последним предохранителем.

Электрическая изоляция силовой или осветительной электропроводки считается достаточной, если ее сопротивление между проводом каждой фазы и землей, или между разными фазами на участке, ограниченном последовательно включенными плавкими предохранителями, составляет не менее 0,5 МОм (согласно правилам устройства электроустановок).