Глава 11
Основные характеристики судовых электрических систем с разным режимом нейтрали
§ 11.1. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА
Электрический ток, протекающий через тело человека, вызывает физиологическое действие, характер которого определяется величиной тока, продолжительностью его воздействия, родом тока и его частотой.
Подробное изучение воздействия тока привело к заключению, что наиболее опасен для жизни человека переменный ток частотой 50— 60 гц. При токе меньшей или большей частоты опасность поражения снижается.
За безопасную величину переменного тока частотой 50 гц наиболее часто рекомендуют считать ток в 10—30 ма. За безопасную величину постоянного тока принимают 50 ма.
Длительность воздействия тока чрезвычайно существенна главным образом потому, что с ростом ее электрическое сопротивление тела человека уменьшается и ток, следовательно, растет. При длительности воздействия не более секунды степень опасности зависит от того, совпадает ли время прохождения тока с наиболее чувствительной к току фазой работы сердца. Чем короче импульс тока через тело человека, тем больше вероятность несовпадения его с фазой наибольшей чувствительности сердца, тем меньше опасность поражения.
Ток, протекающий через тело человека, естественно, определяется величиной приложенного напряжения и электрическим сопротивлением тела, которое почти целиком зависит от величины сопротивления поверхностного (рогового) слоя кожи. В зависимости от состояния кожи электрическое сопротивление тела человека колеблется в диапазоне от 800—1000 до 10 000—100 000 ом.
За расчетное сопротивление чаще всего принимают 1000 ом. Сопротивление кожи зависит от ее состояния (сопротивление влажной кожи резко падает), величины и плотности контакта с электродами (сопротивление кожи тем меньше, чем больше площадь контакта), величины тока через тело (большой ток сильнее нагревает кожу, увеличивает потовыделение, что резко понижает ее сопротивление).
Сопротивление кожи существенно зависит от величины приложенного напряжения. Особенно существенно сопротивление уменьшается при напряжении 250 в и выше, когда наступает пробой поверхностного (рогового) слоя — основной составляющей электрического сопротивления тела человека.
В связи с тем что электрическое сопротивление человека зависит от целого ряда факторов и колеблется в очень широком диапазоне, определить заранее ток, протекающий через человека почти невозможно. Границу безопасных условий принято поэтому ориентировать на допустимое напряжение, за которое принимают, в зависимости от окружающих условий, 65, 36 и 12 в.
§ 11.2. НАЗНАЧЕНИЕ И ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАЩИТНОГО И РАБОЧЕГО ЗАЗЕМЛЕНИЙ
Поражение человека электрическим током чаще всего происходит в результате неосторожного прикосновения к голым незащищенным частям электрических установок, находящимся под напряжением. В установках высокого напряжения поражение может быть и в результате приближения к токоведущим частям на расстояние, равное разрядному, что приводит к электрическому пробою среды и возникновению дуги, замыкающей цепь тока через человека.
Для предупреждения поражения человека в электрических установках голые токоведущие части следует обязательно ограждать или закрывать или же располагать в недоступных для прикосновения местах.
В судовых установках, где прикосновение особенно опасно, специальное внимание уделяют выбору такого режима работы нейтрали системы, при котором ток, проходящий через человека будет наименьшим.
Поражение током человека может явиться результатом порчи изоляции, например, ее естественного старения и появления по этой причине напряжения на кожухах, станинах машин и аппаратов, которые в нормальных условиях не находятся под напряжением. Контроль за состоянием изоляции в эксплуатационных условиях необходим.
Среди мер, уменьшающих опасность поражения в результате появления напряжения, наибольшее распространение получило защитное заземление. В береговых установках, кроме того, распространено защитное зануление.
Защитным заземлением называется соединение токопроводом с корпусом судна (землей) металлических нетоковедущих частей электрической установки, могущих в результате повреждения изоляции оказаться под напряжением. Корпус судна называют заземлителем. Совокупность заземлителя с заземляющим токопроводом называется заземляющим устройством.
При соединении корпусов аппаратов, машин, приборов и др. с корпусом судна искусственно создается путь току, расположенный параллельно телу человека (рис. 11.1). Очевидно, что при этом ток через тело человека, касающегося корпуса поврежденной электрической установки, уменьшается. Выбирая сопротивление заземляющего устройства небольшим, уменьшают ток через тело человека до значения, безопасного для его жизни.
Рис. 11.1. Заземляющее устройство, образующее путь току, параллельный телу человека
Допустим, что корпус электрического аппарата токопроводом связан с корпусом судна. При пробое аварийный ток замыкания на корпус растекается от места заземления во все стороны. Наибольшая плотность тока и наибольшее сопротивление растеканию наблюдается вблизи от места заземления. Здесь имеется и наибольшее падение напряжения. По мере удаления от места заземления сечение проводника — корпуса судна — увеличивается, сопротивление его падает, уменьшается и падение напряжения, приходящееся на единицу длины. На некотором расстоянии от места заземления сечение проводника (корпуса судна) столь велико, что падение напряжения в нем оказывается исчезающе малым, и тогда точки корпуса можно принять за точки нулевого потенциала (земля — в электротехническом смысле слова).
Сопротивление корпуса судна растекающемуся в нем току вместе с небольшим по величине сопротивлением контакта между заземляющим токопроводом и корпусом называется сопротивлением растеканию.
Рис. 11.2. Напряжения прикосновения и шага при растекании тока с одиночного заземлителя
Сопротивление растеканию вместе с сопротивлением заземляющих проводов и переходных контактов называется сопротивлением заземления.
Распределение потенциала вокруг места заземления имеет характер, изображенный на рис. 11.2. Наибольший потенциал UM имеет корпус судна в месте присоединения заземляющего токопровода. Практически тот же потенциал имеет металлически связанный с корпусом судна корпус аппарата, машины и др.
Человек, находящийся на некотором расстоянии от места заземления, касаясь рукой пробитого электрического устройства, становится участком цепи тока, в которой приложена разность потенциалов:
— потенциал корпуса судна в месте расположения ног человека.
Разность потенциалов между точками Uпр, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения. Очевидно, что величина напряжения прикосновения зависит от того, как взаимно расположены место заземления, корпус электрического устройства и человек. По мере удаления заземленного корпуса от места заземления возможное значение напряжения Uпр растет и на некотором расстоянии достигает наибольшего значения, близкого UM.
Человек подвергается воздействию разности потенциалов и тогда, когда его ноги касаются точек корпуса судна с разными потенциалами. Эта разность потенциалов получила название напряжения шага — — U%. За напряжение шага принимают разность потенциалов при величине шага 0,8 м (см. рис. 11.2).
Сразу же заметим, что напряжение прикосновения и напряжение шага на судне с металлическим корпусом, перекрывающим всю защищаемую территорию, очень мало, так как удельное сопротивление стали электрическому току невелико, а ток однофазного (однополюсного) замыкания на землю измеряется долями ампера. Лишь при маловероятном двойном замыкании на корпус судна (двухфазном дли двухполюсном к. з.) через заземляющее устройство напряжения прикосновения и шага могут оказаться значительными, однако лишь на небольшое время срабатывания максимальной защиты.
Таким образом, наличие на стальных судах естественного заземления в виде корпуса судна позволяет получить простое и дешевое заземляющее устройство с идеальными характеристиками.
От защитного заземления следует отличать рабочее заземление, призванное обеспечить нормальные условия работы электрической установки или ее отдельных участков. Так, например, для нормальной работы устройств контроля изоляции обязательно заземление одного из полюсов устройства и т. д. Рабочее заземление также выполняют на металлический корпус судна.
В судовых установках заземляют все доступные для прикосновения металлические части, которые обычно не находятся под напряжением, но при повреждении изоляции могут оказаться под ними. К таким частям относятся корпуса машин, аппаратов, приборов и светильников, каркасы распределительных щитов и устройств, установочная арматура и т. д.
Заземления на металлический корпус судна выполняются с помощью медного провода или жилы заземления в питающем кабеле. При выборе сечения заземляющих проводов считаются с нагревом их возможным током к. з. [30, 2.1.5], а также с тем, чтобы величина тока к.з. через провод была достаточна для срабатывания защиты. Контакт в местах соединения с заземляющими проводами должен быть надежным и устойчивым в эксплуатации. Выключатели и предохранители в проводах защитного заземления устанавливать ни в коем случае нельзя.
