Знание процессов, протекающих в электроустановках, позволяет энергетикам безопасно эксплуатировать оборудование любого напряжения и вида тока, выполнять ремонтные работы и техническое обслуживание электрических систем.

Избежать случаев поражения током электроустановки помогает информация, излагаемая в ПУЭ, ПТБ и ПТЭ — основных документов, созданных лучшими специалистами на основе анализа несчастных случаев с людьми, пострадавшими от опасных факторов, сопровождающих работу электрической энергии.

Обстоятельства и причины попадания человека под действие электрического тока

Руководящие документы по безопасности выделяют три группы причин, объясняющих поражение работников электрическим током:

• 1. непреднамеренное, нечаянное приближение к токоведущим частям с напряжением на расстояние, меньшее безопасного или прикосновение к ним;
• 2. возникновение и развитие аварийных ситуаций;
• 3. нарушения требований, указанных в руководящих документах, предписывающих правила поведения работников в действующих электроустановках.

Оценка опасностей поражения человека заключается в определении расчетами величин токов, которые проходят через тело пострадавшего. При этом приходится учитывать много ситуаций, когда контакты могут возникнуть в случайных местах электроустановки. К тому же, приложенное к ним напряжение изменяется в зависимости от многих причин, включающих условия и режимы работы электрической схемы, ее энергетические характеристики.

Условия поражения человека током электроустановки

Чтобы через тело пострадавшего стал протекать ток, необходимо создать электрическую цепь подключением его минимум к двум точкам схемы, обладающей разностью потенциалов — напряжением. На электрическом оборудовании возможны проявления следующих условий:

•  одновременное двухфазное или двухполюсное прикосновение к различным полюсам (фазам);
• однофазное или однополюсное прикосновение к потенциалу схемы, когда человек имеет непосредственную гальваническую связь с потенциалом земли;
• случайное создание контакта с проводящими элементами электроустановки, которые оказались под напряжением в результате развития аварии;
• попадание под действие напряжения шага, когда разность потенциалов создана между точками, на которых одновременно находятся ноги или другие части тела.

При этом может возникнуть электрический контакт пострадавшего с токоведущей частью электроустановки, который рассматривается ПУЭ как прикосновение:

• прямое;
• либо косвенное.

В первом случае он создается непосредственным контактом с токоведущей частью, включенной под напряжение, а во втором — при прикосновениях к не изолированным элементам схемы, когда на них прошел опасный потенциал в случае развития аварии.

Чтобы определить условия безопасной эксплуатации электроустановки и подготовить для работников внутри нее рабочее место, необходимо:

• проанализировать случаи вероятного создания путей прохождения электрического тока через организм обслуживающего персонала;
• сравнить его максимально возможную величину с действующими минимально допустимыми нормативами;
• принять решение о выполнении мер обеспечения электрической безопасности.

Особенности анализа условий поражения людей в электроустановках

Для оценки величины тока, проходящего через тело пострадавшего в сети постоянного или переменного напряжения, используются следующие виды обозначений для:

1. сопротивлений:

• Rh — у тела человека;
• R0 — для устройства заземления;

Rиз— слоя изоляции относительно контура земли;

2. токов:

Ih — через тело человека;

Iз — замыкания на контур земли;

3. напряжений;

Uc — цепи постоянного либо однофазного переменного токов;

Uл — линейных;

Uф — фазных;

Uпр — прикосновения;

Uш — шага.

При этом возможны следующие типовые схемы подключения пострадавшего к цепям напряжения в сетях:

1. постоянного тока при:

• однополюсном касании контакта проводника с потенциалом, изолированным от контура земли;
• однополюсном касании потенциала схемы с заземлённым полюсом;
• двухполюсном контакте;

2. трехфазных сетей при;

• однофазном контакте с одним из потенциальных проводников (обобщенный случай);
• двухфазном контакте.

Схемы поражения в цепях постоянного тока

Однополюсный контакт человека с потенциалом, изолированным от земли

Под действием напряжения Uc по последовательно созданной цепочке из потенциала нижнего проводника, тела пострадавшего (рука-нога) и контур земли через удвоенное сопротивление изоляции среды протекает ток Ih.

Однополюсный контакт человека с заземленным потенциалом полюса

В этой схеме ситуацию усугубляет подключение к контуру земли одного потенциального провода с сопротивлением R0, близким к нулю и значительно меньшим, чем у тела пострадавшего и слоя изоляции внешней среды.

Сила искомого тока приблизительно равна отношению напряжения сети к сопротивлению человеческого тела.

Двухполюсный контакт человека с потенциалами сети

Напряжение сети напрямую прикладывается к телу пострадавшего, а ток через его организм ограничивается только его собственным незначительным сопротивлением.

Общие схемы поражения в цепях переменного трехфазного тока

Создание контакта человека между фазным потенциалом и землей

В общем случае между каждой фазой схемы и потенциалом земли имеется свое сопротивление и создается емкость. Нейтраль обмоток источника напряжения имеет обобщенное сопротивлением Zн, величина которого в разных системах заземления цепи меняется.

Формулы расчета проводимостей каждой цепочки и общей величины тока Ih через фазное напряжение Uф представлены на картинке формулами.

Образование контакта человека между двумя фазами

Наибольшую величину и опасность представляет ток, проходящий через цепочку, созданную между непосредственными контактами тела пострадавшего с фазными проводами. При этом часть тока может пройти по пути через землю и сопротивления изоляции среды.

Особенности двухфазного прикосновения

В цепях постоянного и трехфазного переменного токов создание контактов между двумя различными потенциалами наиболее опасно. При такой схеме человек попадает под действие наибольшего напряжения.

В схеме с источником питания постоянного напряжения величина тока через пострадавшего вычисляется по формуле Ih=Uc/Rh.

В трехфазной сети переменного тока это значение вычисляется по соотношению Ih=Uл/Rh=√3Uф/Rh.

Считая, что среднее электрическое сопротивление тела человека составляет 1 килоом, рассчитаем ток, который возникает в сети постоянного и переменного напряжения 220 вольт.

В первом случае он составит: Ih=220/1000=0,22А. Этой величины в 220 мА достаточно для того, чтобы пострадавший подвергся судорожному сжатию мышц, когда без посторонней помощи он освободиться от воздействия случайного прикосновения уже не в состоянии — удерживающий ток.

Во втором случае Ih=(220·1,732)/1000=0,38А. При таком значении в 380 мА возникает смертельная опасность поражения.

Также обращаем внимание на то, что в сети переменного трехфазного напряжения положение нейтрали (может быть изолирована от земли или наоборот — подсоединена накоротко) очень мало влияет на величину тока Ih. Его основная доля идет не через цепочку земли, а между потенциалами фаз.

Если человек применил средства защиты, обеспечивающие его надежную изоляцию от контура земли, то они в подобной ситуации окажутся бесполезными и не помогут.

Особенности однофазного прикосновения

Трехфазная сеть с глухо заземленной нейтралью

Пострадавший прикасается к одному из фазных проводов и попадает под разность потенциалов между ним и контуром земли. Такие случаи происходят чаще всего.

Хотя напряжение фазы относительно земли меньше чем линейное в 1,732 раза, такой случай остается опасным. Ухудшить состояние пострадавшего может:

• режим нейтрали и качество ее подключения;
• электрические сопротивления диэлектрического слоя проводов относительно потенциала земли;
• вид обуви и ее диэлектрические свойства;
• сопротивление грунта в месте нахождения пострадавшего;
• другие сопутствующие факторы.

Значение тока Ih в этом случае можно определить по соотношению:

Ih=Uф/(Rh+Rоб+Rп+R0).

Напомним, что сопротивления: человеческого тела Rh, обуви Rоб, пола Rп и заземления у нейтрали R0, принимаются в Омах.

Чем меньше величина знаменателя, тем сильнее создается ток. Если работник носит токопроводящую обувь, например, промочил ноги или подошвы подбиты металлическими гвоздями, и вдобавок находится на металлическом полу или сырой земле, то можно считать, что Rоб=Rп=0. Так обеспечивается самый неблагоприятный случай для жизни пострадавшего.

Ih=Uф/(Rh+R0).

При фазном напряжении в 220 вольт получим Ih=220/1000=0,22 А. Или ток смертельной опасности 220 мА.

Теперь рассчитаем вариант, когда работник использует средства защиты: диэлектрическую обувь (Rоб=45 кОм) и изолирующее основание (Rп=100 кОм).

Ih=220/(1000+45000+10000)=0,0015 А.

Получили безопасную величину тока 1,5мА.

Трехфазная сеть с изолированной нейтралью

Здесь отсутствует прямая гальваническая связь нейтрали источника тока с потенциалом земли. Фазное напряжение приложено к сопротивлению слоя изоляции Rиз, обладающей очень высокой величиной, которая контролируется при эксплуатации и постоянно поддерживается в исправном состоянии.

Цепь протекания тока через тело человека зависит от этой величины в каждой из фаз. Если учесть все слои сопротивления току, то его величину можно просчитать по формуле: Ih=Uф/(Rh+Rоб+Rп+(Rиз/3)).

Во время самого неблагоприятного случая, когда созданы условия максимальной проводимости через обувь и пол, выражение примет вид: Ih=Uф/(Rh+(Rиз/3)).

Если рассматривать сеть 220 вольт с изоляцией слоя в 90 кОм, то получим: Ih=220/(1000+(90000/3)) =0,007 А. Такой ток в 7 мА будет хорошо ощущаться, но смертельную травму обеспечить не сможет.

Обратим внимание, что мы в рассматриваемом примере умышленно упустили сопротивление грунта и обуви. Если их учесть, то ток снизится до безопасной величины, порядка 0,0012 А или 1,2 мА.

Выводы:

1. в схемах с изолированной нейтралью безопасность работников обеспечить проще. Она напрямую зависит от качества диэлектрического слоя проводов;

2. при одинаковых обстоятельствах прикосновения к потенциалу одной фазы схема с заземленной нейтралью представляет наибольшую опасность, чем с изолированной.

Аварийный режим однофазного прикосновения в трехфазной сети с заземленной нейтралью

Рассмотрим случай касания металлического корпуса электрического прибора, если внутри него пробита изоляция диэлектрического слоя у потенциала фазы. Когда человек прикоснется к этому корпусу, то через его тело пойдет ток на землю и далее через нейтраль к источнику напряжения.

Схема замещения показана на картинке ниже. Сопротивлением Rн обладает создаваемая прибором нагрузка.

Сопротивление изоляции Rиз совместно с R0 и Rh ограничивает ток междуфазного прикосновения. Он выражается соотношением: Ih=Uф/(Rh+Rиз+Rо).

При этом, как правило, еще на стадии проекта, выбирая материалы для случая, когда R0=0 стараются соблюдать условие: Rиз>(Uф/Ihg)—Rh.

Величина Ihg называется порогом неощутимого тока, значение которого человек не будет чувствовать.

Делаем вывод: сопротивление диэлектрического слоя всех токоведущих частей относительно контура земли определяет степень безопасности электроустановки.

По этой причине все подобные сопротивления нормированы и учтены утвержденными таблицами. С этой же целью нормируют не сами сопротивления изоляции, а токи утечек, которые через них протекают при испытаниях.

Напряжение шага

В электроустановках по разным причинам может возникнуть авария, когда потенциал фазы непосредственно касается контура земли. Если на воздушной ЛЭП один из проводов под действием различного типа механических нагрузок оборвался, то как раз в этом случае и проявляется подобная ситуация.

При этом в месте контакта провода с землей образуется ток, который создает вокруг точки касания зону растекания — площадку, на поверхности которой появляется электрический потенциал. Его величина зависит от тока замыкания Iз и удельного состояния почвы r.