5.1.9. Электрический ток

Воздействие электрических сетей на человека и окру­жающую материальную среду многообразно. Значительную

опасность представляют электрические сети для людей, ока­завшихся в условиях непосредственного контакта с сетями.

При коротком замыкании в электрических сетях с обра­зованием электрической дуги возможно возникновение воз­гораний горючих веществ, приводящее к пожарам и взрывам, травмированию обслуживающего персонала и посторонних лиц, оказавшихся в зоне влияния дуги.

Опасность поражения человека электрическим током определяется, прежде всего, величиной тока I , проходящего через тело человека. Его определяют по формуле:

где U — напряжение прикосновения; — сопротивление тела человека.

Прохождение тока может вызывать у человека раздраже­ние и повреждение различных органов. Электрический ток оказывает действие на нервные клетки, кровеносные сосуды и кровь, а также на сердце, головной мозг, органы дыхания и т.д. Наиболее часто в результате поражения током встре­чаются следующие явления: судороги, фибрилляция сердца, прекращение дыхания, паралич сердца и ожоги.

Минимальная величина тока, при котором возникает судо­рожное сокращение мышц, называют пороговым неотпускающим током. Его значение для переменного тока частотой 50 Гц лежит в пределах 6—16 мА. Дальнейший рост перемен­ного тока частотой 50 Гц сопровождается его воздействиями на человека, показанными в табл. 5.15.

Таблица 5.15

Влияние силы переменного тока на человека

Важными факторами, влияющими на результат воздей­ствия электрического тока на человека, являются следую­щие факторы:

• род тока и частота;

• путь прохождения тока;

• температура и влажность воздуха;

• состояние кожных покровов человека.

В общем случае показано, что при напряжении до 500 В переменный ток опаснее постоянного, а при напряжении более 500 В опаснее постоянный ток.

Наибольшую опасность представляет ток частотой 50 Гц. Рост и уменьшение частоты снижают опасность его воздей­ствия.

Путь прохождения тока многовариантен. Наиболее опас­ное воздействие наблюдается в случаях, когда ток проходит через сердце или мозг.

Увеличение времени воздействия тока на человека повы­шает опасность смертельного поражения. Длительные судо­роги мышц могут привести к остановке дыхания и сердца.

Сопротивление тела человека во многом зависит от состоя­ния его кожных покровов. Если кожа увлажнена, имеет трещины, то ее сопротивление значительно уменьшается, достигая значений 650—1000 Ом и приближаясь к внутрен­нему сопротивлению, равному 650—800 Ом.

Опасность поражения человека электрическим током зави­сит от состояния и вида помещения, где применяются элек­трические сети и электроустановки. По опасности поражения током различают следующие виды помещений:

• помещения без повышенной опасности, в которых отсут­ствуют условия, создающие повышенную или особую опас­ность;

• помещения с повышенной опасностью, характеризую­щиеся наличием одного из следующих условий:

• сырости (относительная влажность длительно превы­шает 75%) или токопроводящей пыли;

• токопроводящих полов (металлические, земляные, железобетонные и т.п.);

• высокой температуры, постоянно или периодиче­ски (более 1 сут) превышающей +35 ºС;

• возможности одновременного прикосновения к метал­лическим корпусам электрооборудования, с одной стороны, и к металлоконструкциям зданий, имеющим соединение с землей, технологическим аппаратам, механизмам и т.п. — с другой. Сюда можно отнести, например, складские неота­пливаемые помещения;

• помещения особо опасные, характеризующиеся одним из следующих признаков:

• особой сыростью (влажность близка к 100%);

• химически активной или органической средой, разрушаю­щей изоляцию и токоведущие части электрооборудования;

• наличием одновременно двух или более условий повы­шенной опасности. К таким помещениям относится большая часть производственных помещений.

Кроме того, опасными с точки зрения возможности пора­жения электрическим током могут быть работы, проводимые на территориях размещения наружных электроустановок, которые по опасности поражения током приравниваются к особо опасным помещениям.

Опасность поражения человека электрическим током наступает вследствие:

• напряжения шага, которое равно напряжению между точками земли, обусловленному растеканием тока замыка­ния на землю, при одновременном касании их ногами чело­века. Численно напряжение шага равно разности потенциалов точек, на которых находятся ноги человека. 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.;

• прикосновения к неизолированным токоведущим частям, когда человек одновременно находится в контакте с потенциалом земли или другой токоведущей частью иного потенциала (пря­мое прикосновение), или прикосновения к части электрического оборудования, которая находится под напряжением, вследст­вие повреждения изоляции, когда человек находится в кон­такте с потенциалом земли или другой проводящей частью оборудования иного потенциала (косвенное прикосновение).

Рассмотрим опасность напряжения шага. Для упрощения анализа растекания тока в грунте принимаем, что ток стекает в грунт через одиночный проводник, грунт однородный и изо­тропный, удельное сопротивление грунта во много раз пре­вышает удельное сопротивление материала заземлителя.

заземлителя.

Напряжение шага. Для анализа рассекания тока в грунте принимаем, что ток стекает в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы (рис. 5.22), грунт однородный и изотропный, его удельное сопротивление р во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя.

Тогда потенциал точки А на расстоянии х выразится зависимостью а потенциал на заземлителе , где I₃ — ток, стекающий с заземлителя диаметром 2х в грунт.

Таким образом, потенциал на поверхности грунта изменя­ется по закону гиперболы (рис. 5.23). Максимальный потен­циал будет при х = х₃.

Рис 5.23 Напряжение шага

Зону земли, за пределами которой электрический потен­циал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю, называют зоной растека­ния тока замыкания на землю. Зона растекания тока прости­рается, в среднем, на расстояние до 20 м от места замыкания на землю.

При расположении одной ноги человека на расстоянии х от упавшего провода заземлителя и ширине шага а (обычно принимается, а = 1 м) получаем напряжение шага

где - напряжение шага, которое зависит от расстояния

до заземлителя и ширины шага (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем коэффициент β больше). Электрический ток через тело человека, обусловленный напряжением шага, равен

где R_ч — сопротивление в цепи протекания тока через человека, состоящее из сопротивлений тела человека, обуви и опорной поверх­ности, на которой он находится.

Опасность поражения током в электрических сетях. Слу­чаи поражения человека током возможны лишь при замы­кании электрической цепи через тело человека, т.е. при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует напряжение (разность потен­циалов). Опасность такого прикосновения зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей относительно земли.

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными (рис. 5.24). Наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами (двухфазное включение) и между одним проводом и землей (однофазное включение). Во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей.

Двухфазное включение — прикосновение человека о, временно к двум фазам, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной напряжение — линейное, и поэтому через тело человека прой­дет ток

где U_л — линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами сети; U_ф — фазное напряжение; U_Л = 1,73 U

Рис. 5.24. Случаи включения человека в электрическую цепь:

а — двухфазное; бив— однофазное (соответственно прямое и косвенное); Z — полное сопротивление фазы относительно земли

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, не превышает фазового. Соответственно меньшим будет и ток, проходящий через тело человека. Кроме того, на значение этого тока влияют режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции и емкость проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление его обуви тугие факторы. Рассмотрим подробнее получившие широкое распространение трехфазные сети напряжением до 1 кВ при нормальном и аварийном режимах работы. Это сети трехпроводные с изолированной нейтралью и сети с глухозаземленной нейтралью.

В трехфазной трехпроводной сети с изолированной ней­тралью ток, проходящий через тело человека, при прикосно­вении к одной из фаз сети в период ее нормальной работы определяют следующим выражением:

где r- сопротивление изоляции провода

Из этого выражения следует, что с увеличением сопро­тивления изоляции опасность поражения током уменьша­ется. Поэтому очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неис­правностей.

При аварийном режиме работы сети (рис.5.25), когда воз­никло замыкание одной из фаз на землю через малое сопро­тивление r_зм, ее напряжение относительно земли снижается, поскольку r_зм<< r.

Рис 5.25 Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при аварийном режиме

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. Таким образом, этот случай прикосновения опаснее прикосновения к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

В трехфазной четырехпроводной сети с заземленной ней­тралью при нормальном режиме работы сети (рис. 5.26, а) ток, проходящий через тело человека, равен

Iч = Uф/ (Rч + r₀)

где r₀ — сопротивление заземления нейтрали.

Как правило, r₀ < 8 Ом и r₀<< R_ч, следовательно, без большой ошибки в формуле можно пренебречь значением r₀ и считать, что человек оказывается практически под фаз­ным напряжением U_ф, а ток I_Ч ≈ U_ф/R_ч. Ограничить прохож­дение тока через человека можно, увеличив сопротивление R_ч , например, используя диэлектрическую обувь, диэлектри­ческие коврики, изолирующие подставки.

Отсюда следует, что прикосновение к фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью в период нормальной ее работы более опасно, чем прикосновение к фазе нормально работаю­щей сети с изолированной нейтралью.

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю через относительно малое сопротивление r_зм (рис. 5.26, б), напряжение, под которым оказывается человек, прикос­нувшийся в аварийный период к исправному фазному про­воду трехфазной сети с заземленной нейтралью, всегда меньше линейного, но больше фазного. Таким образом, прикоснове­ние к исправной фазе сети с заземленной нейтралью в ава­рийный период более опасно, чем при нормальном режиме.

При выборе схемы сети, а, следовательно, и режима нейт­рали источника тока, исходя из технологических требований, часто отдается предпочтение четырехпроводной сети с глухо-заземленной нейтралью, поскольку она позволяет использо­вать два рабочих напряжения — линейное и фазное.

Проведенный выше анализ сетей напряжением до 1 кВ показал, что по условиям безопасности (в случае прикос­новения к фазному проводу в период нормального режима работы сети) более безопасной является, как правило, сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период — сеть с заземленной нейтралью. Следовательно, сети с изолирован­ной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоля­ции проводов. Такими являются мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и нахо­дящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети электротехниче­ских лабораторий.

Сеть с заземленной нейтралью из условий безопасности 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. Это, как правило, сети жилых, обще­ственных и промышленных зданий и наружных установок.

Электрическая дуга. Она возникает при коротком замы­кании, электрическом пробое воздушных зазоров и т.п. Тем­пература дуги может достигать 7000 °С, вызывая тяжелые ожоги и травмы. При контакте кожи человека с металлическими токоведущими частями оборудования, оказавши­мися под высоким напряжением (1000 В и более), возникают «электрические знаки».