2.5.1. Схеми включення людини в електричні мережі. Величина струму через людину 

Умови ураження людини електричним струмом – включення людини в електромережу або контакт її тіла в двох точках з різним потенціалом.

В промисловості, в основному, використовуються трифазні мережі (трипровідні) з ізольованою нейтраллю та чотирипровідні з глухо заземленою нейтраллю.

Нейтраль, або нейтральна точка обмотки джерела електричного живлення, - це точка, напруга якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки однакова за абсолютним значенням. Мережі з ізольованою нейтраллю застосовуються в тих випадках, коли є можливість підтримувати високий рівень ізоляції проводів, а ємність мережі відносно землі незначна. До них відносяться малорозгалужені мережі, які не підлягають впливу агресивного середовища та знаходяться під постійним наглядом персоналу. Мережу із заземленою нейтраллю застосовують там, де неможливо забезпечити якісну ізоляцію проводів (через високу вологість, агресивне середовище та ін.), коли не можна швидко знайти або усунути пошкодження ізоляції або коли ємнісні струми електричного кола через значну розгалуженість мережі досягають великих значень, небезпечних для людини.

Схеми включення людини в електричні мережібагатоваріантні, але найбільш розповсюдженими і ймовірними схемами в мережі трифазного перемінного струму є:

- між проводом і землею (однофазне);

- між двома проводами (двофазне);

- між двома проводами і землею одночасно (двох- і однофазне);

- між двома точками землі (напруга кроку).

Найбільшу небезпеку для людини становить двофазний (двополюсний) дотик до електричного кола, тому що в цьому випадку людина опиняється під лінійною напругою мережі(рис.6.2). Лінійною напругою називається та напруга, яка існує між лінійними провідниками трифазної системи змінного струму. Номінальна величина лінійної (Uл) напруги в Україні дорівнює 380 В.

Uл = √3Uф,

де Uф – фазна напруга. Фазна напруга - напруга, яка існує між одним з лінійних провідників і нейтраллю. В Україні її номінальне значення дорівнює 220 В.

Тяжкість ураження людини у всіх перерахованих вище випадках визначається величиною струму, що проходить через її тіло. Величина струму через людину, в свою чергу, залежить від напруги під яку потрапляє людина, від опору тіла людини, від опору ізоляції фазних проводів відносно землі, від ємнісної складової мережі а також від конструкційних особливостей мережі живлення.

В реальній лінії електропередач (повітряній чи кабельній) oпip ізоляції проводів відносно землі (rіз) розподіляється по всій довжині ліній електропередач – oпopнi, підвісні, натяжні ізолятори, ізоляція кабелю. Чим більше протяжність лінії електропередач, тим менший загальний oпip ізоляції проводів відносно землі. Необхідний oпip ізоляції регламентується чинними нормативами і відповідно до ПУЕ має бути щонайменше 0,5 МОм (1 кОм на вольт напруги). Ізоляція струмопровідних лінії електропередач виконується з діелектриків, питомий oпip яких внаслідок старіння ізоляції з часом, частого зволоження, забруднення, нагрівання, дії агресивного середовища тощо знижується.

Кожна ділянка лінії електропередач, що знаходиться під напругою, крім опору ізоляції має певну ємність відносно землі. Ємнісна складова струму (С) через людину у разі потрапляння під напругу в розгалужених мережах може досягати небезпечних для людини значень. Наслідки ураження людини електричним струмом у випадку дотику її до металоконструкцій, які опинилися під напругою залежать від конструкційних особливостей мережі живлення, а саме, від кількості фаз і режиму нейтралі – ізольованої чи глухозаземленої. Дотик може бути одно- або двополюсним у однофазних мережах або у мережах постійного струму та одно- або двофазним у трифазних мережах.

Однофазна мережа, ізольована від землі.

В однофазній мережі, ізольованій від землі, за непошкодженої ізоляції (рисунок 2.2) величина струму через тіло людини практично не залежить від опору тіла людини i визначається опором ізоляції проводу до якого доторкнулась людина відносно землі. Знехтувавши ємнісною складовою струму через людину (С1 = С2 = 0), та за умови, що r1 = r2 = rіз величину струму через людину можна визначена як:

,                                        (2.25)

де U – напруга мережі, В; Rл – опір людини (Rл = Rтіла + Rвзуття + Rпідлоги), Ом; rіз  – oпip ізоляції проводів 1 i 2 відносно землі, Ом.

В знаменнику Rл при розрахунку струму через людину за несприятливих умов (відсутності ізолюючого взуття, підлоги) приймають як Rтіла в межах 103 Ом, а rіз відповідно до чинних нормативів на декілька порядків більше.

Рисунок 2.2 – Принципова схема включення людини під напругу в однофазній мережі ізольованій від землі в нормальному режимі роботи

У разі двополюсного дотику, струм через людину визначається за наступною формулою

                                               (2.26)

де U – напруга мережі, В; RТ – опір тіла людини, Ом ; RТ = 1000 Ом.

Трифазна мережа, ізольована від землі. У разі дотику людини до фазного проводу трифазної мережі, ізольованої від землі виникає мережа замикання на землю, більш розгалужена, ніж в однофазній. Основні елементи цієї мережі: “фазний провід С” – “людина паралельно з опором ізоляції цього проводу відносно землі rС” – “земля” – “опори ізоляції проводів А і В відносно землі rА i rВ” – “фазні проводи А i В” (рисунок 2.8 а).

До цієї мережі прикладена лінійна напруга Uл, а не фазна Uф, як у однофазній мережі. Оскільки , то в трифазній мережі за інших рівних факторів величина струму замикання на землю, як i величина струму, що проходить через людину при її дотику до фазного проводу, має бути більшою.

За piвності oпорів ізоляції (rА = rВ = rС = rіз) i ємностей (СА = СВ =СС = С) струм, що проходить через людину, визначиться виразом:

,                        (2.27)

де Uф – фазна напруга мережі, В; Rл – опір людини, Ом; rіз  – oпip ізоляції проводів А, В і С відносно землі, Ом, ω – кутова частота мережі, Гц (ω = 2πf, де f = 50 Гц – частота промислового струму); С – ємність проводів відносно землі, Ф.

У випадку відсутності ємнісної складової струму, тобто коли СА = СВ =СС = 0 (що досить ймовірно для нерозгалужених повітряних мереж), за умови rА = rВ = rС = rіз, величина струму, що проходить через людину, визначиться виразом

,                                (2.28)

де Uф – фазна напруга мережі, В; Rл – опір людини, Ом; rіз  – oпip ізоляції проводів А, В і С відносно землі, Ом.

Порівнюючи вираз (2.28) для величини струму, що проходить через людину, в нормальному режимі роботи ектроустановки в однофазній мережі i вираз (2.29), бачимо, що в трифазній мережі Iл практично, в три рази більше.

У випадку однофазного дотику людини в аварійному режимі роботи мережі з ізольованою нейтраллю, тобто, коли один із фазних проводів замкнутий на землю (рисунок 2.3 б), струм через людину визначається за формулою:

                                               (2.29)

де Uл –  лінійна напруга мережі, В; RТ – опір тіла людини.

а                                                        б

а – нормальний режим роботи мережі (відсутність замикань на землю фазних проводів);
б – аварійний режим роботи мережі

Рисунок – 2.3. Схема включення людини під напругу у випадку однофазного дотику в мережі з ізольованою нейтраллю

Трифазна чотирипровідна мережа з глухозаземленою нейтраллю. Нейтраль вторинної обмотки трансформатора, від якого живиться така мережа, заземлена через R0 << Rл. У випадку дотику людини до фазного проводу С утворюється мережа струму “фазний провід С – людина – земля – R0 – фазний провід C”, в якій вci елементи з’єднані послідовно.

Струм через людину у випадку однофазного дотику до фазного проводу за непошкодженої ізоляції інших фазних проводів (рисунок 2.4 а) визначиться виразом:

,                                        (2.30)

де R0 – опір заземлення, Ом.

У цій мережі найбільший опір має елемент “людина” – 1000 Ом. Опір інших елементів проходженню струму знаходиться в межах 10 Ом. Тому можна вважати, що людина попадає, практично, під фазну напругу (Uдom = Uф) а величина струму залежить, в основному, від Rл.

Тому величина струму через людину у випадку її однофазного дотику до неізольованих струмовідних частин, які знаходяться під напругою, в мережах із глухозаземленою нейтраллю має бути на два порядки більшою, ніж в мережах, ізольованих від землі за нормального стану ізоляції.

В аварійному режимі роботи мережі із глухозаземленою нейтраллю (рисунок 2.4 б), струм через людину у випадку її однофазного дотику визначиться за формулою:

                                       (2.31)

де Uф – фазна напруга мережі, В; RТ – опір тіла людини.

       а                                                        б

а – нормальний режим роботи мережі (відсутність замикань на землю фазних проводів);
б – аварійний режим роботи мережі

Рисунок 2.4 – Схема включення людини під напругу у випадку однофазного дотику в трифазній чотирипровідній мережі з глухозаземленою нейтраллю

У випадку двофазного дотику людини незалежно від режиму нейтралі трансформатора (рисунок 2.5) основна частина струму проходить шляхом «рука-рука».

Величина струму, який пройде через людину визначиться виразом:

                                               (2.32)

де Uф – фазна лінійна мережі, В; RТ – опір тіла людини.

а                                                        б

а – мережа з ізольованою нейтраллю; б – мережа з глухозаземленою нейтраллю

Рисунок 2.5 – Схема включення людини під напругу у випадку двофазного дотику в трифазній чотирипровідній мережі з глухозаземленою нейтраллю

На виробництві і в побуті найчастіше застосовуються мережі із глухозаземленою нейтраллю. І тільки в гірничодобувній промисловості і на торфорозробках, відповідно до вимог електробезпеки, обов’язковим є застосування мереж, ізольованих від землі.

Такий підхід до вибору режиму нейтралі електричної мережі обумовлений такими обставинами:

– в умовах виробничих підприємств, громадських установ, житлового сектора і т. ін. забезпечення необхідного опору ізоляції у випадку застосування мереж, ізольованих від землі, пов’язано з певними технічними і економічними проблемами;

– в мережах із глухозаземленою нейтраллю можливо забезпечити більш ефективний захист у випадку пошкодження ізоляції і переході напруги на неструмовідні частини електроустановок.

Завдання 2.8 Визначити силу струму, що проходить через тіло людини у випадку її однофазного дотику до оголеного проводу трифазної мережі з глухозаземленою нейтраллю в а) нормальному і б) аварійному режимі роботи.

Напруга живлячого трансформатора U = 380/220 В. Інші вихідні дані: опір тіла людини Rтіла, кОм, опір підлоги Rпідлоги, кОм, опір ізоляції rіз, кОм і опір взуття Rвзуття, кОм наведені в таблиці 2.19.

Таблиця 2.19 – Вихідні дані до завдання 2.8

Завдання 2.9 Визначити силу струму, що проходить через тіло людини у випадку її однофазного дотику (в нормальному і аварійному режимах) до струмопровідної частини електроустановки в мережі з ізольованою нейтраллю трансформатора. Оцінити небезпеку таких включень для людини, порівняти отримані значення з допустимими. Для розрахунку задані: лінійна напруга мережі UЛ, кВ, опір ізоляції фазних проводів (rА = rВ = rС = rіз), ємність фазних проводів відносно землі (СА = СВ = СС = С), перехідний опір в місці замикання на землю RК, Ом, опір тіла людини Rтіла, кОм, матеріал підошви взуття і матеріал опорної поверхні ніг (підлоги). Вихідні дані наведені в таблиці 2.20 – 2.22.

Таблиця 2.20 – Вихідні дані* до завдання 2.9

Примітка*. В таблиці прийняті скорочення: “с” – сухий, “в” – вологий.

Таблиця 2.21 – Значення опору взуття