Глава 8
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
§ 8-1. Общие сведения
Поражение человека электрическим током происходит главным образом из-за несоблюдения правил устройства электроустановок, правил их эксплуатации, техники безопасности, неосторожного обращения с электроприемниками, прикосновения к токоведущим частям, из-за дефектов конструкций электрооборудования и т. д.
Характер поражения электрическим током и его последствия определяются такими факторами, как род и величина тока, величина напряжения, путь и продолжительность протекания электрического тока через человека, состояние кожи в местах прикосновения к металлическим частям, степень утомления и нервного напряжения человека и т. п.
Наиболее существенное влияние на степень поражения человека оказывает величина протекающего через него тока. Многочисленные наблюдения и анализы несчастных случаев показывают, что наименьшую опасность представляют токи до 0,005—0,012 А, при которых человек может самостоятельно, без посторонней помощи освободиться от токоведущих частей. Токи промышленной частоты и постоянные токи при величине 0,1 А и выше считаются смертельными.
Большое значение имеет также длительность воздействия тока на организм человека, так как в результате прогревания и пробивания рогового слоя кожи сопротивление тела человека резко уменьшается.
Поражающее действие переменного тока зависит не только от его величины, но и от частоты. Токи промышленной частоты 50— 500 Гц являются одинаково опасными. При очень высоких частотах (десятки и сотни килогерц) поражающее действие тока заметно снижается, что объясняется явлением поверхностного эффекта. Поэтому токи очень высоких частот приводят чаще к нагреву поверхности тела и могут быть причиной ожогов.
Значение поражающего тока Iч при отсутствии изоляции тела человека от токоведущих частей (и от земли) зависит от напряжения U и сопротивления тела человека Rч:
Вследствие непостоянства электрического сопротивления тела человека величина поражающего тока зависит от большого количества факторов, которые в каждом конкретном случае заранее учесть невозможно. Поэтому в технике безопасности объем и характер защитных мероприятий устанавливают по величине напряжения. Так, например, в качестве малых напряжений для питания переносного освещения и инструмента приняты 12 и 36 В, а при электросварке используется напряжение 65 В.
Следует отметить, что понятие «безопасное напряжение» (12 и 36 В) является относительным. Известны несчастные случаи со смертельным исходом при напряжениях переменного тока 36, 24 и даже 12 В.
Безопасность обслуживания электрических установок в большой степени зависит от напряжения установки и окружающей производственной среды.
По напряжению электроустановки делятся на две группы: установки напряжением до 1000 В и выше 1000 В. Работа в установках напряжением выше 1000 В более опасна, поэтому здесь существуют более строгие регламентированные правила и допуски к работе, чем в установках напряжением до 1000 В.
Окружающая производственная среда — влага, пыль, высокая температура, едкие пары.— разрушающе действует на изоляцию электрооборудования и определяет тяжесть поражения электрическим током. В соответствии с этим все помещения разделяются по степени опасности поражения электрическим током на следующие группы:
помещения без повышенной опасности: сухие, не жаркие, с полом, не проводящим ток, без токопроводящей пыли, с небольшим количеством металлических предметов, конструкций, машин и т. п.;
помещения с повышенной опасностью: сырые с относительной влажностью, длительно превышающей 75%; жаркие (при температуре выше 30°С); сухие, но не отапливаемые; с токопроводящими полами; с возможностью одновременного прикосновения к заземленным конструкциям и корпусам электрооборудования;
помещения особо опасные: сырые с влажностью воздуха, близкой к 100%; с химически активной средой, действующей разрушающе на изоляцию электрооборудования; с двумя и более признаками, характеризующими повышенную опасность (например, сырые с токопроводящими полами).
Вопросы повышения электробезопасности тесно связаны с вопросами устройства и эксплуатации производственных электроустановок. Все электроустановки должны выполняться и oбςлyживaτься с соблюдением единых правил. В настоящее время сборниками таких правил являются «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей». В эти сборники включены общие правила монтажа и эксплуатации всех электроустановок промышленности. На их основании разрабатываются внутриведомственные и внутризаводские правила, а также должностные инструкции и памятки, более подробно отражающие требования к устройству и эксплуатации электроустановок, характерных для данной отрасли промышленности.
§ 8-2. Условия поражения электрическим током в трехфазных сетях напряжением до 100 В.
Рис. 8-1. Случаи поражения током при непосредственном прикосновении к неизолированным проводам трехфазной сети:
а — двухполюсное прикосновение; б — однополюсное прикосновение в системе с изолированной нейтралью при исправной изоляции двух других фаз; в — то же, при однополюсном замыкании на землю; г — однополюсное прикосновение в системе с глухозаземленной нейтралью.
Поражение током в электроустановках можно разделить на следующие три случая:
поражения от непосредственного прикосновения к токоведущим частям, находящимся под напряжением; поражения, вызванные прикосновением к конструктивным металлическим частям электроустановок или корпусам электроприемников, оказавшимся под напряжением в результате повреждения изоляции;
поражения «шаговым» напряжением при движении человека по участку вблизи места замыкания токоведущих частей на землю.
Случаи непосредственного прикосновения, характерные для электроустановок напряжением до 1000 В, делятся на двухфазные (двухполюсные) и однофазное (однополюсное). Наиболее опасным является случай двухфазного прикосновения (рис. 8-1, а), когда ток, протекающий через тело человека, ограничивается только его внутренним сопротивлением:
где Uл — линейное напряжение, В.
Все же типичным является случай однофазного прикосновения, когда ток идет через тело человека и через землю. Последствия такого прикосновения зависят во многом от режима нейтрали трехфазной сети (изолирована она от земли или заземлена).
Наименее опасны однофазные прикосновения в сети с изолированной нейтралью (рис. 8-1,б) при исправной изоляции и малой длине линий. Величина поражающего тока в этих условиях определяется суммарным сопротивлением Z, состоящим из последовательно включенных сопротивлений тела человека и полного сопротивления изоляции проводов Z,, двух других фаз:
(8-3)
где R — сопротивление изоляции постоянному току, Ом;
С — суммарная емкость проводов сети по отношению к земле, Ф;
— угловая частота переменного тока, рад/сек.
При малой длине линий (особенно кабельных) емкость проводов С незначительна. Если изоляция проводов будет при этом нормальной, то полное сопротивление изоляции Z будет иметь высокое значение (порядка нескольких миллионов Ом и более), а ток, определяемый фазным напряжением, будет малым. Так, если между проводом одной фазы сети и землей напряжение равно 220 В, а измеренное мегометром сопротивление изоляции этого провода равно 0,5 Мом, то ток этой фазы на землю, называемый током утечки, равен 220:0,5·10-6=0,00044 А, или 0,44 мА. Такой ток не. опасен для человека.
Но считать такие прикосновения малоопасными (тем более безопасными) нельзя, так как возможно совпадение однофазного прикосновения (рис. 8-1, в) с пробоем изоляции на землю на какой-либо другой фазе. Этот случай аналогичен двухфазному прикосновению (рис. 8-1,а). Ток здесь будет определяться линейным напряжением сети
и сопротивлением тела человека Rч (если пренебречь сопротивлением обуви и земли), т. е. будет соответствовать выражению (8-2).
Рассмотренные случаи однополюсного прикосновения в трехфазных сетях с изолированной нейтралью показывают, что сопротивление изоляции в этих сетях является серьезным фактором безопасности и требует к себе большого внимания.
Уязвимым местом системы является возможность однополюсного замыкания на землю (на заземленный корпус), что приводит к повышению напряжения фаз в √3 раз и соответствующему увеличению токов утечки. Такое ненормальное состояние сети может существовать длительное время и не отражаться на работе установки. Однако все это время в сети будут созданы крайне опасные условия эксплуатации.
В трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью (рис.8-1, г) в случае однополюсного прикосновения образуется цепь поражения, которая замыкается через тело человека, обувь, пол, землю, заземление нейтрали. Величина тока, протекающего через тело человека (если пренебречь сопротивлением земли), равна
(8-4)
где — суммарное сопротивление обуви и пола, на котором стоит человек, Ом;
rз — сопротивление заземления, к которому присоединена нейтраль сети, Ом.
Из формулы (8-4) следует, что величина тока Iч, а следовательно, и степень поражения человека в данном случае зависит в основном от величины сопротивления r1 (сопротивление заземляющего устройства r3 очень мало по сравнению с сопротивлением тела человека Rч). При работе в сухом помещении, на токонепроводящем полу и в сухой обуви опасность поражения током меньше, чем при работе в сыром помещении с токопроводящим полом в сырой обуви или при работе на металлических конструкциях.
При наиболее неблагоприятных условиях (если пренебречь сопротивлением земли, обувью человека и заземлением) величина тока протекающего через тело человека, будет равна
(8-5)
Следовательно, сопротивление изоляции проводов в отличие от изолированной нейтрали при глухом заземлении нейтрали не защищает человека.
В аварийном режиме при замыкании, например, второй фазы на землю, напряжения неповрежденных фаз не претерпевают заметных изменений, как это имело место в сети с изолированной нейтралью, и поэтому величина поражающего тока значительно при этом не изменяется.
Рассматривая случаи поражения током при однополюсном прикосновении, можно сделать следующие выводы. Более предпочтительной с точки зрения электробезопасности является трехфазная система с изолированной нейтралью. Если же электроустановка эксплуатируется в условиях, при которых не обеспечивается высокий уровень изоляции и малая емкость проводов, а вероятность замыкания на землю одной из фаз не исключена, более безопасной будет система с глухозаземленной нейтралью. Поэтому такая система преимущественно и применяется на промышленных предприятиях.
На торфяных предприятиях применяются обе системы трехфазного тока напряжением до 1000 В.
Рис. 8-2. Распределение потенциалов при однополюсном замыкании на землю.
Система с изолированной нейтралью напряжением 500 В используется для питания электрифицированных машин, применяемых для подготовки торфяных месторождений, для добычи, сушки, уборки и погрузки торфа.
В поселках торфопредприятий, в мастерских и подсобных цехах применяется четырехпроводная трехфазная система с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В.
Нейтраль трехфазных генераторов передвижных электростанций напряжением до 500 В по соображениям электробезопасности выполняется изолированной от земли. Заземлять нейтраль, согласно Правилам, запрещается.
Поражение током при замыкании частей электроустановок на землю происходит под действием падения напряжения, обусловленного растекающимся в земле током замыкания на землю. В качестве примера на рис. 8-2 рассмотрен случай пробоя изоляции на корпус электрического аппарата. Корпус аппарата заземлен с помощью одиночного заземлителя.
Аналогично здесь можно рассматривать также случай обрыва и падения провода действующей линии на землю. В подобных аварийных режимах при замыканиях на землю отдельные точки почвы на некотором расстоянии от места замыкания получают различные потенциалы. Распределение потенциалов на поверхности почвы происходит по гиперболическом кривой (рис. 8-2). На расстоянии 20 м от места замыкания (от заземлителя) практически потенциалы всех точек земли можно принята равными нулю, и поэтому точки почвы, находящиеся вне зоны растекания тока, называют «землей» в электротехническом смысле слова.
Напряжение, возникающее при замыкании частей электроустановок на землю, между заземленной частью электроустановки и точками земли называют напряжением относительно земли Uз. Отношение этого напряжения к току Iз, протекающему через заземлитель в землю, называют сопротивлением заземлителя:
(8-6)
При пробое изоляции на корпус, соединенный с заземлителем, все оборудование, имеющее металлическую связь с этим корпусом, получит потенциал относительно земли такой же, как и заземлитель:
(8-7)
Рука человека, касающаяся металлического корпуса, соединенного с заземлителем, также будет иметь потенциал φз. Ноги же этого человека получат потенциал тех точек почвы, с которыми он соприкасается. Следовательно, между рукой и ногой человека (на расстоянии 0,8 м от заземлителя) возникает разность потенциалов, которую называют напряжением прикосновения (рис. 8-2). Напряжение прикосновения по мере удаления от заземлителя увеличивается и достигает максимального значения на расстоянии 20 лют одиночного заземлителя. В этом случае
(8-8)
Поражение током может произойти и под действием шагового напряжения Uшаг, равного разности потенциалов между двумя точками поверхности земли на расстоянии одного шага (ширина шага человека при расчетах принимается равной 0,8 м). Шаговое напряжение возрастает по мере приближения к точке соединения токоведущих частей с землей (к заземлителю) и может быть равно напряжению прикосновения. По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается и на расстоянии более 20 м практически равно нулю.
