Безпека праці та промислова санітарія - 3.1.5 Фізичні основи електробезпеки

Безпосередніми причинами ураження людей електричним струмом є наступні:

– дотик до неізольованих струмоведучих частин електроустановок, які знаходяться під напругою, або до ізольованих при фактично пошкодженій ізоляції;

– дотик до неструмоведучих частин електроустановок або до електрично зв’язаних з ними металоконструкцій які опинилися під напругою;

Тяжкість ураження людини у всіх перерахованих вище випадках визначається величиною струму, що проходить через її тіло. Тому для розробки організаційно-технічних заходів та засобів профілактики електротравм важливо знати, від яких конструкційних особливостей електроустановок, їх робочих параметрів і стану залежить можлива величина струму через людину у випадку потрапляння її під напругу.

Небезпека замикань на землю. Напруга дотику та кроку

Небезпека замикань на землю в електроустановках виникає:

У разі обриву проводів ліній електропередач та їx контакту з землею, пробою кабельних лiнiй на землю, замикання на неструмоведучі елементи електроустановок, що мають контакт з землею, доторкання людини, яка стоїть на землі, до струмоведучих частин під напругою тощо земля стає елементом електричної мережі замикання на землю. У випадку проходження струму по землі на її поверхні виникає специфічне поле потенціалів, характер якого визначається конструкцією заземлювача, властивостями ґрунту тощо.

Для напівсферичного заземлювача, який знаходиться на поверхні землі за умови однорідності і електричної ізотропності ґрунту можна вважати, що струм у всіх напрямках буде розтікатися piвномірно i буде дорівнювати Із.

Площа поперечного перерізу провідника “земля” (S) за зроблених допущень (однорідність ґрунту) буде визначатися площею півкулі радіусом r. Зі збільшенням (зменшенням) цього радіусу площа поперечного перерізу провідника “земля” буде збільшуватись (зменшуватись) пропорційно його квадрату S = 2πr2, а опір проходженню струму буде відповідно, зменшуватись або збільшуватись.

Падіння напруги на будь-якій ділянці електричної мережі ΔU, в тому числі і при проходженні струму в землі, залежить від величини струму і від електричного опору.

Якщо виділити на відстані х від центру заземлювача елемент напівсферичної форми, товщина якого dx, то падіння напруги на цьому елементі dU при проходженні струму Із буде дорівнювати добуткові струму на oпip:

, (3.1)

де ρ – питомий oпip землі, Ом·м; dx – товщина виділеного шару землі або довжина провідника; 2πх2 – площа поперечного пepepiзy провідника.

Потенціал φх в точці А на поверхні землі відносно нульового потенціалу землі або падіння напруги на поверхні землі від точки А до нескінченності визначиться як

(3.2)

Відповідно до (3.2) потенціал на поверхні заземлювача φз (х = r – paдіус заземлювача) дорівнює

(3.3)

Розділивши φх на φз отримаємо вираз:

(3.4)

Добуток φз на r є величиною сталою для конкретних умов. Позначивши його через К, отримаємо вираз

, (3.5)

тобто рівняння гіперболи.

Таким чином, значення потенціалів змінюється від свого максимального значення φз до нуля при віддаленні від заземлювача.

Практично зона підвищених потенціалів на поверхні землі відносно її нульового потенціалу при замиканні на землю через напівсферичний заземлювач i однорідному ґрунті обмежується колом із радіусом близько 20 м. Переміщуючись в цій зоні, людина попадає під так звану напругу кроку.

В загальному вигляді величина напруги кроку може бути визначена як piзниця між φх та φх+а , де а – величина кроку, м (0,8 м ), відповідно до чого

тобто величина напруги кроку прямо пропорційна силі струму замикання на землю, питомому опору провідника та величині кроку і обернено пропорційна відстані від заземлювача.

Рисунок 3.3. – Безпечний спосіб виходу із зони крокової напруги

З наближенням до заземлювача величина крокової напруги зростає i при напрузі мережі живлення 0,4 кВ вона може бути небезпечною для людини. Тому “Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів” за наявності замикання на землю забороняють наближатися до місця замикання ближче 8 м поза приміщенням i 4 м в приміщенні без застосування засобів захисту – діелектричні боти, калоші, суха дошка тощо.

У цілому, заходи захисту людини від дії напруги кроку зводяться до розірвання мережі струму через людину по петлі “нога-нога”, або до різкого збільшення опору в цій петлі зі рахунок використання різних підручних засобів. За необхідності невідкладного входу в зону небезпечних напруг кроку для надання допомоги потерпілим і т.ін. та за відсутності засобів захисту, доцільно переміщуватись в цій зоні обережно, пересуваючи ступні по землі так, щоб вони постійно торкалися одна одної (рисунок 3.3).

Дотик людини до корпусу ушкодженого обладнання або до корпусу обладнання, з’єднаного з ушкодженим загальним колом заземлення, зумовлює потрапляння людини під напругу дотику.

Напруга дотику – це напруга між двома точками кола електричного струму, яких одночасно торкається людина, і дорівнює різниці потенціалів корпусу і точок поверхні ґрунту, де знаходяться ноги людини:

Uдот = φк – φх , (3.7)

де φк – потенціал корпусу електроустановки, якої торкається людина; φх – потенціал в точці на поверхні ґрунту, де знаходяться ноги людини.

Напруга дотику, на відміну від напруги кроку, збільшується при віддаленні від заземлювача і за межами зони розтікання струму вона дорівнює напрузі на корпусі обладнання відносно землі. Захист від напруги дотику – вирівнювання потенціалів (встановлення електропровідної підлоги).

Опір ізоляції проводів та ємність електромережі відносно землі, як фактори впливу на величину струму через людину. В реальній лінії електропередач (повітряній чи кабельній) oпip ізоляції проводів відносно землі розподіляється по всій довжині ліній електропередач опорні, підвісні, натяжні ізолятори, ізоляція кабелю. Чим більше протяжність лінії електропередач тим більше ізоляторів, які працюють паралельно, i тим менший загальний oпip ізоляції проводів відносно землі. Необхідний oпip ізоляції регламентується чинними нормативами. На практиці ізоляція струмопровідних лінії електропередач виконується з реальних діелектриків, питомий oпip яких не дорівнює нескінченості. Внаслідок старіння ізоляції з часом, та частого зволоження, забруднення, нагрівання, дії агресивного середовища тощо питомий oпip ізоляції знижується. Тому кожна ділянка лінії електропередач має oпip ізоляції певного значення або провідність, яка відрізняється від нуля, а при роботі реальної лінії електропередач мають місце постійні втрати струму (виток струму) через ізоляцію i землю. Таким чином, не зважаючи на наявність ізоляції струмопровідники електромережі електрично зв'язані між собою i землею провідниками з великим опором.

Kpiм того, два провідники, розділені будь-яким діелектриком, в тому числі i проводи лінії електропередач, мають властивість накопичувати вільні електричні заряди однакової величини i piзного знаку, якщо їх хоч на деякий час підключити до джерела електроенергії, тобто створити в просторі, що їх розділяє електричне поле. Величина накопичених зарядів пропорційна напрузі між провідниками, залежить від геометричних poзмірів електродів (проводів – пластин конденсатора) та діелектричної проникності діелектрика, що розділяє електроди.

Відповідно до зазначеного вище, кожна ділянка лінії електропередач, що знаходиться під напругою, крім опору ізоляції має певну ємність відносно землі.

Тому при дотику людини до неізольованої струмоведучої частини (проводу тощо) функціонуючої електромережі струм, що проходить через людину обумовлюється величиною напруги дотику i ємністю проводів, тобто

Ємнісна складова струму через людину при попаданні під напругу в розгалужених мережах може досягати небезпечних для людини значень. Тому навіть при відключенні мережі від джерела живлення для ремонтно-профілактичних робіт тощо, необхідно заземлити кожен пpoвід переносним заземленням i тільки після цього та перевірки відсутності напруги допускати персонал до роботи.

Конструкційні особливості мережі живлення – кількість фаз і режим нейтралі. 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.

Однофазна мережа, ізольована від землі. На рисунку 3.4 наведена принципова схема однофазної мережі ізольованої від землі. Як видно зі схеми на рисунку 3.4 а, проводи 1 i 2 однофазної мережі, ізольованої від землі, електрично зв'язані між собою через опори iзоляції r1, та r2 i землю, що породжує втрати на витоки струму.

Доторкаючись до проводу 1 людина, по cyтi, підключається до цієї мережі витоку струму паралельно r1 вносячи, таким чином, певні зміни в цю мережу від проводу 1 до землі. Від землі до проводу 2 мережа витоку струму не змінюється i весь струм витоку, враховуючи i підключення людини, проходить через r2,. Знехтувавши ємнісною складовою струму через людину (С1 = С2 = 0), та за умови, що r1 = r2 = rіз величину струму через людину можна визначена як

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.

Таким чином, в мережі, ізольованій від землі, при непошкодженій ізоляції (рисунок 3.4 а) величина струму через тіло людини практично не залежить від опору тіла людини i визначається опором ізоляції проводу 2 відносно землі.

У випадку пошкодження ізоляції проводу 2 (рисунок 3.4 б) i дотику людини до проводу з непошкодженою ізоляцією в даній мережі, на ділянці “земля-провід 2” з'являється додатковий, паралельний r2 струмопровід r2зм (пробій ізоляції), oпip якого значно менше r2. Це призводить до зменшення опору на ділянці “земля-провід 2”, до зростання струму в мережі, в цілому, i, як наслідок, до зростання струму, що проходить через людину.

Для визначення величини струму, що проходить через людину, в розрахунковій cxeмi рисунку 3.4 б замінимо паралельні опори r2 i r2зм piвнозначним їм rекв – еквівалентним опором

а) нормальний режим роботи; б) пробій ізоляції проводу 2 на землю; в) пробій ізоляції проводу 1 на землю

Рисунок 3.4 – Принципова i розрахункова схеми включення людини під напругу в однофазній мережі ізольованій від землі

Величина струму, що проходить через людину, у даному випадку визначиться виразом, в якому rіз замінить rекв, тобто

В (3.11) друга складова в знаменнику менша Rл, а знаменник, в цілому, як мінімум на 2 порядки менше знаменника у виразі (3.9), тому струм, що проходить через людину, буде більший, ніж в (3.9).

В ізольованій від землі мережі при доторканні людини до проводу з непошкодженою ізоляцією i наявності проводу з пошкодженою ізоляцією величина струму, що проходить через людину, буде значно більшою, ніж при відсутності пошкодження ізоляції.

Таким чином, в мережах, ізольованих від землі величина опору ізоляції є одним з важливих факторів небезпеки електротравм. У зв'язку з цим, відповідно до ПУЭ, в мережах, ізольованих від землі, повинен здійснюватися жорсткий контроль опору ізоляції на реєстрацію, на сигнал або на автоматичне вимкнення залежно від небезпеки електротравм. Так, у гірничодобувній промисловості i на торфорозробках повинні застосовуватися мережі ізольовані від землі, з обов'язковим постійним на автоматичне вимкнення контролем опору ізоляції.

У випадку пошкодження ізоляції проводу 1 (рисунок 3.4 в) i дотику людини до цього проводу, паралельно людині i r1, в мережі з'являється додатковий струмопровід r1зм. Величина струму, що проходить через людину дорівнюватиме

В (3.12) порівняно з (3.11) є третій член, величина опору якого знаходиться в межах 107...108 Ом – відповідно до зроблених вище допущень.

Таким чином, доторкання до проводу з пошкодженою ізоляцією (з пробоєм на землю) є значно безпечнішим, ніж до проводу із непошкодженою ізоляцією. На цьому принципі можлива реалізація засобів захисту людини – при її доторканні до струмоведучих частин останні автоматично, засобами захисту, замикаються на землю.

При доторканні 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 1” – “людина паралельно з опором ізоляції цього проводу відносно землі r1” – “земля” – “опори ізоляції проводів 2 і 3 відносно землі r2 i r3” – “фазні проводи 2 i 3” (рисунок 3.5 а).

До цієї мережі прикладена лінійна напруга Uл, а не фазна Uф, як у однофазній мережі. Оскільки

, то в трифазній мережі при інших рівних факторах величина струму замикання на землю, як i величина струму, що проходить через людину при її доторканні до фазного проводу, має бути більшою.

Рисунок – 3.5 Схема включення людини під напругу при дотику до фазного проводу (а) i до корпусу електроустановки за пошкодження ізоляції (б)

Оскільки опір людини (Rл) у випадку аналізу небезпеки ураження електричним струмом приймається рівним 103 Ом, а опір ізоляції відповідно до ПУЕ має бути щонайменше 0,5 МОм (1 кОм на вольт напруги), то величина струму через людину в мережі замикання на землю, визначається практично опорами ізоляції фаз відносно землі r2 i r3. У разі пошкодження r2 i r3 величина струму замикання на землю, в тому числі струму через людину, може зростати на два порядки, що значно збільшує небезпеку ураження людини електричним струмом.

За рівності опорів ізоляції (r1 = r2 = r3 = rіз) i ємностей (С1 = С2 =С3 = С) струм, що проходить через людину, визначиться виразом:

Аналогічно випадку з однофазною мережею, за умови r1 = r2 = r3 = rіз i С1 = С2 = С3 = 0, що досить ймовірно для нерозгалужених повітряних мереж, величина струму, що проходить через людину, визначиться виразом

Порівнюючи вираз (3.9) для величини струму, що проходить через людину, при нормальному режимі роботи електроустановки в однофазній мережі i вираз (3.14), бачимо, що в трифазній мережі Iл практично, в три рази більше.

В трифазній мережі пошкодження опору ізоляції будь-якого фазного проводу впливає на величину струму через людину, яка потрапила під напругу таким же чином, як і в однофазній мережі: доторкання до фазного проводу з непошкодженою ізоляцією, при пошкодженні ізоляції інших фазних проводів є більш небезпечне, ніж доторкання до проводу з пошкодженою ізоляцією при непошкодженій ізоляції інших фазних проводів. У зв'язку з цим проблема контролю стану ізоляції у трифазній мережі, ізольованій від землі, є такою ж актуальною, як і в однофазній. Тому в мережах, ізольованих від землі, з метою попередження електротравм і відповідно до вимог електробезпеки, обов’язковим є постійний контроль опору ізоляції “на сигнал”, а в умовах підвищеної небезпеки електротравм – “на відключення”.

Трифазна чотирипровідна мережа з глухозаземленою нейтраллю. На рисунку 3.6 наведена принципова схема трифазної чотирипровідної мережі з глухозаземленою нейтраллю, на якій розглядається два варіанти попадання людини під напругу:

– перший варіант (рисунок 3.6 а) – доторкання людини до фазного проводу при непошкодженій ізоляції інших фазних проводів;

– другий варіант (рисунок 3.6 б) – доторкання людини до корпусу електроустановки при пошкодженій ізоляції i переході напруги на неструмовідні частини за відсутності доторкання людини у лівій частині рисунку 3.6.

Рисунок 3.6 – Схема трифазної чотирипровідної мережі з глухозаземленою нейтраллю

Нейтраль вторинної обмотки трансформатора, від якого живиться мережа, заземлена через r0 << Rл. При доторканні людини до фазного проводу 1 утворюється мережа струму “провід 1 – людина – земля – r0 – фаза 1”, в якій вci елементи з’єднані послідовно.

Величина струму в цій мережі, а значить i величина струму, що проходить через людину ІЛ, визначиться виразом

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 при її доторканні до неізольованих струмовідних частин (фазного проводу), 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 (значення IЛ за (3.15) i (3.9) та (3.14)) і близькою до величини струму через людину в мережі з ізольованою нейтраллю, за наявності в ній фаз із пошкодженою ізоляцією, до яких не доторкається людина (значення IЛ за (3.11) i (3.15)).

Таким чином, мережі з глухозаземленою нейтраллю у випадку дотику людини до неізольованих струмовідних частин є більш небезпечними щодо тяжкості електротравм, ніж мережі, ізольованій від землі. Незважаючи на це, 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.

Таким чином, згідно з зазначеним вище, до основних факторів, які впливають на тяжкість ураження електричним струмом (на ІЛ) при попаданні людини під напругу, можна віднести:

– конструкційні особливості мережі живлення – кількість фаз i режим нейтралі;

– величину опору i стан ізоляції – перш за все в мережах живлення, ізольованих від землі;

– протяжність i розгалуженість мережі живлення, які впливають на rіз i ємність відносно землі.

Вплив перелічених факторів i особливостей виробничого середовища експлуатації електроустановок на небезпеку електротравм враховується при розробці нормативних aктів з питань електробезпеки, технічних i організаційних заходів i засобів попередження електротравм та електрозахисних засобів.