Глава первая
ОСНОВЫ БЕЗОПАСНОСТИ ОБСЛУЖИВАНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
1-1. Электротравмы и критерии электробезопасности
Нарушение нормального состояния и функций организма человека в результате воздействия электрического тока принято называть электротравмами. Характер такого нарушения зависит от характера воздействия напряжения и проявляется в виде электрических ожогов, электрических знаков, металлизации кожи и электрических ударов. Практически электрические знаки (ожоги различной формы в поверхностных слоях кожи) и металлизация кожи (проникновение в кожу мелких частичек металла), как самостоятельный вид электротравм, встречаются крайне редко, чаще всего они сопутствуют электрическим ожогам и электрическим ударам.
Электрические ожоги возникают либо в результате воздействия электрической дуги, сопровождающей коммутации и замыкания в электрических установках, либо при прикосновениях к элементам установки под напряжением, сопровождающимся значительными переходными сопротивлениями в месте контакта. Ожоги возникают в результате термического, химического и биологического действия электрического тока на организм человека и имеют характер поверхностных повреждений кожи либо глубоких повреждений мышц и нервов. Степень термического воздействия определяется количеством тепла, выделяющегося в месте контакта или излучаемого электрической дугой, и зависит в основном от напряжения электроустановки и контактного сопротивления. Химическое и биологическое действие электрического тока выражается в организме человека сложными процессами, сопровождающимися ионизацией, электролизом, изменением потенциала клеток и приводящими к разрушениям костно-мышечных тканей, кожи и нервов. Электрические ожоги принято классифицировать на четыре степени: I степень — покраснение кожи; II степень — образование пузырей; III степень — обугливание кожи; IV степень — обугливание подкожной клетчатки, мышц, сосудов и нервов.
Рис. 1-1. Эквивалентная электрическая схема сопротивления человека.
Ожоги III и IV степени чаще наблюдаются при напряжении выше 1 000 В, однако зарегистрированы и в электроустановках напряжением до 1 000 В.
Электрический удар возникает при прохождении электрического тока через организм человека, т. е. при таком стечении обстоятельств, когда человек является элементом замкнутой электрической цепи. При этом тяжесть электротравмы будет определяться: величиной и характером электрического тока; временем прохождения тока через человека; состоянием организма человека, окружающей среды и условиями включения в электрическую цепь. Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных факторов.
Величина тока, проходящего через тело человека в момент поражения, определяется в основном величиной приложенного напряжение и сопротивлением человека. Общее сопротивление тела человека определяется сопротивлением кожи в местах включения в электрическую цепь и сопротивлением внутренних органов, причем сопротивление кожи составляет основную долю общего сопротивления. Условно сопротивление человека электрическому току можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 1-1)
где RВН — сопротивление внутренних органов; Rк, С — активное сопротивление и емкость кожи.
Суммарное сопротивление человека изменяется в диапазоне 1-100 кОм и более в зависимости от состояния кожи, величины и рода воздействующего напряжения, величины и длительности прохождения тока. При этом внутреннее сопротивление практически является чисто активным, не зависит от параметров электрической цепи и составляет 500—800 Ом.
Уменьшение сопротивления человека при возрастании воздействующего напряжения (рис. 1-2) объясняется в основном разрывами внутримолекулярных связей в коже (при напряженностях электрического поля 15—20 В/м), резко снижающими ее удельное сопротивление. Характер изменения сопротивления человека в зависимости от напряжения определяется, кроме того, условиями эксперимента. По данным А. П. Киселева, эта зависимость при прохождении тока на участке рука — рука составляет [Л. 1]:
Рис 1-2. Зависимость сопротивления человека от напряжения.
Рис. 1-3. Зависимость сопротивления человека от частоты напряжения.
- Зависимость сопротивления человека от частоты напряжения объясняется емкостным характером сопротивления кожи. Как следует из соотношения (1-1), с увеличением частоты суммарное сопротивление человека будет уменьшаться (рис. 1-3). Соответственно сопротивление постоянному току больше, чем переменному.
Величиной электрического тока в значительной степени определяется исход электротравмы. При прохождении электрического тока в организме человека возникает ответная реакция на раздражение большого количества периферических нервных волокон, подающих сигнал в центральную нервную систему. Большие токи могут вызывать разрушение мышечных тканей, серьезные повреждения центральной нервной системы и нарушать работу сердца и дыхания. При этом деятельность сердца сама не восстанавливается и возможен смертельный исход электротравмы.
Таблица 1-1
Характер действия различных по величине токов на человека
При длительном воздействии человек не ощущает постоянные токи величиной 1 мА (0,001 А) и несколько меньшие переменные токи, а при токах 20 мА человек уже не может самостоятельно освободиться из электрической цепи. Приблизительное представление о воздействии на человека токов различной величины показано в табл. 1-1, без учета влияния величины напряжения, длительности протекания тока, пути протекания и т. п. [Л. 2].
Однако абсолютная величина тока еще не определяет исход электротравмы. Не меньшее значение имеет длительность его воздействия на организм человека. По данным проф. С. Ф. Дальзиеля (США), величина тока через человека (мА), не вызывающего фибрилляции сердца у 99,5% пострадавших, связана с временем его воздействия соотношением
(1-2)
где а= 165-185 — экспериментальный коэффициент; t — время воздействия тока, с.
По соотношению (1-2) построена зависимость допустимого тока от времени воздействия (рис. 1-4). Советские исследователи (В. Е. Манойлов, А. П. Киселев) считают данные С. Ф. Дальзиеля несколько завышенными. По данным А. П. Киселева, зависимость верхнего порогового значения нефибрилляционного тока от времени следующая:
Однако вероятностный анализ не подтверждает эквивалентности приведенных параметров с точки зрения безопасности [Л. 3]. Если за безопасную вероятность принять граничное значение, рекомендованное Макеевским научно - исследовательским институтом безопасности в горной промышленности для рудничного электрооборудования 
, и рассчитать вероятность безопасности для двух значений допустимого тока и времени его воздействия, результат окажется неэквивалентным:
(не отвечает безопасной вероятности);
(отвечает безопасной вероятности).
Эта оценка свидетельствует, с одной стороны, об неэквивалентности приведенных параметров безопасного тока в зависимости от времени его воздействия и, с другой стороны, о большей эффективности уменьшения допустимого тока, чем уменьшения времени его протекания. Например, при уменьшении t от 0,5 до 0,1 с Р уменьшается в 10 раз, тогда как при уменьшении Ih от 0,5 до 0,1 А Р уменьшается в 1 000 раз. Тем не менее приведенные значения допустимых токов дают достаточно высокую вероятность безопасности и могут использоваться при расчетах соответствующих защитных устройств.
Рис. 1-4. Зависимость безопасного тока от времени его воздействия на человека.
Опасность поражения зависит от характера изменения тока во времени. Очевидно, что при прочих равных условиях токи с резким изменением амплитуды и направления оказывают на организм человека большее раздражающее действие, так как физиологические законы обусловливают ответную реакцию возбужденной физиологической ткани только на изменение величины электрического тока. Постоянный по величине и направлению электрический ток оказывает возбуждающее действие на организм человека только в момент включения (либо отключения) его в электрическую цепь. Поэтому постоянный ток напряжением до 500 В менее опасен, чем переменный ток промышленной частоты. При дальнейшем повышении напряжения опасность постоянного тока возрастает в связи с большей вероятностью ожогов электрической дугой. Этот вывод подтверждается и результатами анализа электротравматизма. По данным проф. В. Е. Манойлова в электроустановках постоянного тока напряжением до 1 000 В не зарегистрированы случаи смертельных электротравм [Л. 4].
При увеличении частоты переменного тока его опасность возрастает в диапазоне частот от 30 до 100 Гц. При дальнейшем увеличении частоты реакция организма замедляется и постепенно на смену раздражающему приходит тепловое воздействие, разогревающее наружную поверхность тела. При частоте 200 кГц и выше электротравма возможна только в виде ожогов.
Зависимость допустимого тока от частоты при различном времени воздействия характеризуется данными А. П. Киселева (рис. 1-5). Наибольшую опасность представляют токи с частотой f = 304-100 Гц. Увеличение частоты от 100 до 200 Гц уменьшает опасность поражения в 2 раза. Этот принцип может использоваться для повышения уровня безопасности. Однако кривые на рис. 1-5 нельзя использовать как критерии безопасности, так как они построены без учета влияния частоты на сопротивление человека и, следовательно, характеризуют лишь физиологическую сторону вопроса.
Рис. 1-6. Зависимость сопротивления человека от площади контакта.
Условия включения человека в электрическую цепь характеризуются путями прохождения тока в организме и плотностью контакта в местах прикосновения. Путь тока определяется не только местом включения человека под напряжение, но и размещением участков наименьшей проводимости в организме человека. Более опасен путь тока, затрагивающий жизненно важные органы (сердце, голова) и наибольшее число нервных волокон (например, вдоль всего организма — от руки к ноге). Наименее опасен путь тока от ноги к ноге. Существенное значение имеет также место на теле человека, в котором произошло прикосновение. По данным В. Е. Манойлова наиболее опасны прикосновения местами сосредоточенных нервных окончаний (тыльная сторона ладони, висок, голень и др.). Наконец, плотностью контакта человека с элементами, находящимися под напряжением, определяется площадь соприкосновения, связанная обратно пропорциональной зависимостью с сопротивлением человека (рис. 1-6). Поэтому плотные охваты опаснее легких прикосновений.
Параметрами окружающей среды, влияющими на электротравматизм, является температура, влажность и давление. С увеличением температуры и влажности уменьшается суммарное сопротивление человека и возрастает опасность поражения, с увеличением давления опасность уменьшается. Влага, смачивая наружные поверхности кожи, резко снижает ее сопротивление. Влияние температуры и давления еще недостаточно изучено.
Состояние организма человека в момент электротравмы влияет на его сопротивление и возбудимость нервных волокон. Различные раздражения, возникающие для человека неожиданно, на несколько минут существенно снижают его сопротивление. Проводимость человека изменяется даже под влиянием дыхания, кашля, речи и т. п. Утомление, болезненное состояние и алкогольное опьянение существенно повышают опасность электротравмы.
Критериями электробезопасности принято называть допустимые для определенного времени воздействия токи через организм человека. В настоящее время такие критерии разработаны только для переменного тока промышленной частоты, однако они могут использоваться и для постоянного тока с некоторым запасом безопасности. А. П. Киселев [Л. 1] предложил следующие первичные критерии электробезопасности: при длительном воздействии — верхнее пороговое значение неощутимого тока, равное 1 мА (первый критерий); при времени воздействия 20—30 с — верхнее пороговое значение отпускающего тока, равное 6 мА (второй критерий); при времени воздействия менее 3 с — верхнее пороговое значение нефибрилляционного тока, зависящее от времени воздействия (третий критерий). Таким образом, первый критерий характеризуется неощутимым током, второй — отпускающим и третий — током, не вызывающим опасной для жизни фибрилляции сердца. Последний критерий был также разработан и принят комиссией Центрального общества электротехнической промышленности (ЦЕНТО ЭП). В решении ЦЕНТО ЭП указанный критерий представлен зависимостью допустимого тока от времени воздействия:
Приведенными значениями критериев безопасности рекомендуется пользоваться при проектировании и настройке различного рода устройств защиты от поражения электрическим током, хотя они и не являются официальным нормативным материалом.