Анализ условий электробезопасности
Анализ условий электробезопасности заключается в определении величины тока через тело человека (I h) для конкретного случая.
Сравнивая полученные расчетным путем величины тока через тело человека с величиной условно безопасного тока (10мА) делают вывод об опасности данного случая. Если величина тока через тело человека превышает величину условно-безопасного тока - случай считают опасным. Если нет - не опасным. Так как человек в большинстве случаев пользуется сетью до 1000В, а эти сети, как правило, имеют небольшую протяженность, емкостью фазных проводов относительно земли можно пренебречь, считая, что сопротивление изоляции проводов (R из) относительно земли чисто активным.
Определить величину тока через тело человека можно так:
I h = U пр / R h
Сложность расчета заключается в нахождении напряжения прикосновения (U пр). Для нахождения этой величины прибегают к такому приему: определяют путь тока через тело человека, из которого и находят источник напряжения и сопротивления, через которые протекает ток.
Наиболее характерным бывают две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей.
Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую однофазным.
9.1.1. Двухфазное включение
Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека пойдет большой ток (рисунок. 9.1.).
Рисунок 9.1. Двухфазное включение человека в сеть.
где, I h – ток через тело человека
U пр - напряжение прикосновения
Для сети 380/220
Ток опасный для жизни человека
9.1.2. Однофазное включение.
Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, т.к. напряжение под которым оказывается человек не превышает фазного. Кроме того, на значение тока через тело человека влияет также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление обуви человека и другие факторы.
9.1.2.1. Однофазная сеть.
Рисунок 9.3. Схема включения
Рисунок 9.4. Схема замещения
Ток через тело человека можно найти как:
Из выражения можно сделать выводы:
1. Чем больше сопротивление изоляции относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу
2. Прикосновение человека к проводу с большим сопротивлением изоляции более опасно, т.к. напряжение прикосновение будет больше.
9.1 1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:
Рассмотрим два режима сети:
а) Нормальный режим работы (сопротивление изоляции имеют большое (нормированное) значение.
Рисунок 9.5. Однофазное включение в 3 х фазную сеть
с изолированной нейтралью
При равенстве сопротивлений изоляцииR из1 =R из2 =R из3 , величина тока через тело человека определяется выражением
В таких сетях опасность для человека, прикоснувшегося к проводу, при нормальном состоянии сети, зависит от сопротивления изоляции. Чем оно больше, тем меньше опасность. Поэтому, очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.
Согласно ПЭУ сопротивление изоляции проводов относительно земли в установках до 1000В не должно быть менее 500к.
б) При аварийном режиме - замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление замыкания - R зм.(рисунок 9.6.)
Рисунок 9.6 Аварийный режим в сети
Обычно R зм лежит в пределах от 50 до 200Ом.
Ток через тело человека, как и в нормальном режиме будет протекать и через сопротивления изоляции проводов относительно земли, но его величина будет значительно меньше, чем ток, протекающий через малое сопротивление замыкания. Поэтому величиной тока, протекающего через сопротивление изоляции, можно пренебречь и считать, что ток протекает только через сопротивление замыкания и тело человека.
Это очень опасно.
9.1.2.3. Трехфазная трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью:
Глухозаземленной называется нейтраль трансформатора или генератора присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока).
а) Нормальный режим работы
Рисунок 9.7.
Сопротивление заземления нейтрали R о нормируется в зависимости от максимального напряжения сети.
При U л =660В, R о =2Ом, при U л =380В, R о =4Ом, при U л =220В, R о =8Ом
Током, протекающим через тело человека и сопротивлением изоляции проводов можно пренебречь, по сравнению с током, протекающим через тело человека и малое сопротивление заземления нейтрали. Величина этого тока определяется из выражения:
Из выражения видно, что в сети с глухозаземленной нейтралью в период нормальной работы сети прикосновение к одному из проводов более опасно, чем прикосновение к проводу нормально работающей сети с изолированной нетралью.
б) При аварийном режиме работы - когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое сопротивление R зм (рисунок 9.8.).
Рисунок 9.8.
Если провести анализ этого случая, то можно сделать следующие выводы:
2. Если принять R о равным 0, то человек окажется под фазным напряжением.
В реальных условиях R зм и R о всегда больше нуля, следовательно, человек, касаясь провода в аварийном режиме сети, попадает под напряжение меньше линейного, но больше фазного.
Так как от сопротивления электрической цепи R существенно зависит величина электрического тока, проходящего через человека, то тяжесть поражения во многом определяется схемой включения человека в цепь. Схемы образующихся при контакте человека с проводником цепей зависят от вида применяемой системы электроснабжения.
Наиболее распространены электрические сети, в которых нулевой провод заземлен, т. е. накоротко соединен проводником с землей. Прикосновение к нулевому проводу практически не представляет опасности для человека, опасен только фазный провод. Однако разобраться, какой из двух проводов нулевой, сложно - по виду они одинаковы. Разобраться можно используя специальный прибор - определитель фазы.
На конкретных примерах рассмотрим возможные схемы включения человека в электрическую цепь при прикосновении к проводникам.
Наиболее редким, но и наиболее опасным, является прикосновение человека к двум фазным проводам или проводникам тока, соединенным с ними (рис. 1).
В этом случае человек окажется под действием линейного напряжения. Через человека потечет ток по пути «рука-рука», г. е. сопротивление цепи будет включать только сопротивление тела ()
Если принять сопротивление тела в 1 кОм, а электрическую сеть напряжением 380-220 В, то сила тока, проходящего через человека, будет равна
Это смертельно опасный ток Тяжесть электротравмы или даже жизнь человека будет зависить прежде всего от того, как быстро он освободится от контакта с проводником тока (разорвет электрическую цепь), ибо время воздействия в этом случае является определяющим.
Значительно чаще встречаются случаи, когда человек одной рукой соприкасается с фазным проводом или частью прибора: аппарата, который случайно или преднамеренно электрически соединен с ним. Опасность поражения электрическим током в этом случае зависит от вида электрической сети (с заземленной или изолированной нейтралью).
II. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
3. Анализ электробезопасности различных электрических сетей
Исход поражения человека электрическим током, определяемый током, протекающим через тело человека I h и напряжением прикосновения U h , существенно зависит от типа сети, питающей потребители электроэнергии и ее параметров, в том числе:
Типовые схемы включения человека в электрическую цепь
Существуют различные “схемы включения” человека в электрическую цепь тока (типовые “схемы включения” показаны на рис.3.5. на примере сети IT):
Рис. 3.5. Типовые схемы включения человека в электрическую цепь
(3.1.)
Из выражений (3.1.) и (
3.2. ) следует, что при двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение сети вне зависимости от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети, проводимости фазных проводов Y L1 , Y L2 , Y L3 относительно земли. Такая схема включения человека в электрическую цепь представляет большую опасность.Случаи двухфазного прикосновения происходят сравнительно редко и являются, как правило, результатом работы под напряжением в электроустановках до 1 кВ, что является нарушением правил и инструкций выполнения работ.
Рис. 3.6. Обобщенная схема для анализа трехфазных сетей
(3.3)
(3.4)
Рис. 3. Двухфазное (двухполюсное) прикосновение к токоведущим частям в системе IT .
U ф – фазное напряжение; I h – сила тока, протекающего через человека;
R h – сопротивление человека; L 1 , L 2 , L 3 – фазные проводники.
Сила тока (I h , А ), протекающего через человека, определяется по формуле
где U л – линейное напряжение, В ;
U ф – фазное напряжение, В ;
R h – сопротивление человека, Ом .
Например, в электросети с линейным напряжением 380 В (U ф = 220 В ) при сопротивлении тела человека 1000 Ом сила тока, протекающего через человека, составляет:
Эта сила тока смертельно опасна для человека.
При двухфазном прикосновении ток, проходящий через человека, практически не зависит от режима работы нейтрали. Опасность прикосновения не уменьшится и в том случае, если человек будет надёжно изолирован от земли.
Однофазное прикосновение (рис.4.) происходит во много раз чаще, чем двухфазное, но оно менее опасно, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного, т.е. меньше линейного в 1,73 раза и, кроме того, ток, протекающий через человека,
Рис.4. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям в системе IT .
r 1 , r 2 , r 3 – сопротивление изоляции проводов электросети; с 1 , с 2 , с 3 – ёмкость проводов электросети.
возвращается к источнику (электросети) через изоляцию проводов, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.
Сила тока (I h , А ), протекающего через человека, для этого случая определяется по формуле
где R п – переходное сопротивление, Ом (сопротивление пола, на котором стоит человек и обуви); Z – сопротивление изоляции фазного провода относительно земли, Ом (активная и емкостная составляющие).
В наиболее неблагоприятной ситуации, когда человек имеет токопроводящую обувь и стоит на токопроводящем полу (R п ~ 0), сила тока, протекающего через тело, определяется по формуле
если U ф = 220 В , R h = 1 кОм , Z = 90 кОм , то I h = 220/(1000 + (90000 / 3)) = 0,007 А (7 мА ).
Трёхфазная четырёхпроводная электрическая сеть переменного тока с заземлённойнной нейтралью (в системе TN ).
Однофазное прикосновение к токоведущим частям.
Рис.5. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям
в системе TN .
R 0 – сопротивление заземления нейтрали электросети.
В четырёхпроводной электрической сети переменного тока с глухозаземлённой нейтралью (система TN ) ток, проходящий через человека, возвращается к источнику (электросети) не через изоляцию проводов, как в предыдущем случае, а через сопротивление заземления нейтрали (R 0 ) источника тока (рис. 5). Сила тока, проходящего через тело человека, определяется при этом по формуле:
где R 0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом .
Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена нейтраль источника тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В . Это сопротивление должно быть обеспечено с учётом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN - или PE -проводника воздушных линий электропередач (ВЛ) напряжением до 1 кВ . Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали источника тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же линейных напряжениях 660, 380 и 220 В .
Пример . В наиболее неблагоприятной ситуации, рассмотренной выше, при U ф = 220 В , R h = 1000 Ом , R п ~ 0 Ом R 0 = 30 Ом сила тока, протекающего через тело человека, составит:
I h = 220/1000 + 30 = 0,214 А (214 мА ), что смертельно опасно для человека.
Если обувь не токопроводящая (например, резиновые галоши с сопротивлением 45 кОм ) и человек стоит на не токопроводящем полу (например, деревянный пол с сопротивлением 100 кОм ), т.е. R п = 145 кОм , то сила тока, протекающего через тело человека, составит:
I h = 220/1000 + 60 + 145000 = 0,0015 А (1,5 мА ), что опасности для человека не представляет.
Таким образом, при прочих равных условиях прикосновение человека к одному фазному проводу электросети сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в электросети с заземлённой нейтралью.
Рассмотренные выше схемы включения человека в электрическую цепь трёхфазного переменного тока справедливы для нормальных (безаварийных) условий работы электрических сетей.
В аварийном режиме работы трёхфазной электрической сети переменного тока один из фазных проводов, например, электросети с заземлённой нейтралью (в системе TN ) может быть замкнут на землю (при срабатывании системы защитного заземления, падении фазного провода на землю и т.п.) через сопротивление R зм (рис. 6).
Рис. 6. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям в аварийном режиме работы электросети.
R зм – сопротивление замыкания фазного провода (L 2 ) на землю.
Сила тока, проходящего через тело человека, касающегося в этой ситуации одного из исправных фазных проводов (L 1 , L 3 ), определяется из уравнения
где R зм – сопротивление замыкания фазного провода на землю, Ом .
Если при этом R зм ~ 0 или намного меньше и R 0 ,и R h , то им можно пренебречь, тогда сила тока, проходящего через тело человека, будет определяться по формуле
т. е. человек будет включаться в электрическую цепь двухфазно, причём вторая фаза подключается к нему через ноги и на величину I h будет оказывать существенное влияниепереходное сопротивление R п .
При напряжениях до 1000 В в производственных условиях широкое распространение получили обе рассмотренные выше схемы трехфазных электрических сетей переменного тока: трёхпроводная с изолированной нейтралью (система IT ) и четырёхпроводная с заземлённой нейтралью (система TN ).
Электрическую сеть с изолированной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень сопротивления изоляции фазных проводов и незначительную ёмкость последних относительно земли. Такими являются электрические сети малоразветвлённые, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Так, например, в угольных шахтах используются только электросети с изолированной нейтралью.
Электрическую сеть с заземлённой нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (например, из-за высокой влажности или агрессивной среды), когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда ёмкостные токи электросети вследствие значительной её разветвлённости достигают больших значений, опасных для человека.
При напряжении выше 1000 В по технологическим причинам электрические сети напряжением до 35 кВ включительно имеют изолированную нейтраль, свыше 35 кВ – заземлённую. Поскольку такие электросети имеют большую ёмкость проводов относительно земли, для человека одинаково опасным является прикосновение к их фазным проводам независимо от режима работы нейтрали энергоисточника. Поэтому режим работы нейтрали электросети напряжением выше 1000 В по условиям безопасности не выбирается.
В процессе эксплуатации электроустановок не исключена возможность случайного прикосновения человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением. Прикосновение будет наиболее опасным, если человек стоит на земле или проводящем основании (пол, площадка) и обувь его обладает некоторой электропроводностью.
Прикосновение человека к токоведущим частям может быть однофазным (однополюсным в цепях постоянного тока) или двухфазным (двухполюсным). В обоих случаях образуется электрическая цепь, одним из участков которой окажется тело человека. Путь тока через человека в первом случае может быть «рука - ноги». Во втором случае - «рука - рука». Возможны и другие схемы включения человека в электрическую цепь, например при касании токоведущих частей лицом, шеей, спиной и др. или включение «нога - нога».
При двухфазном (двухполюсном) включении человек оказывается под полным рабочим напряжением электроустановки и ток, проходящий через него, будет равен
I чел = U л /R чел, (9.1)
где U л - линейное напряжение; R чел - сопротивление тела человека.
При однополюсном (однофазном) прикосновении, которое встречается чаще, ток, протекающий через человека, будет зависеть не только от напряжения электроустановки и сопротивления тела человека, но и от других факторов: режима нейтрали источника питания, состояния изоляции сети, состояния (электропроводности) пола, обуви человека, влажности воздуха и др.
