Электробезопасность

13

Введение

Изучить условия электротравматизма на производстве и в быту при эксплуатации электрооборудования.

Определить силу тока, протекающего через тело человека, в сетях с различным режимом нейтрали при прикосновении человека к корпусу электроустановки, находящейся под напряжением.

Определить силу тока, проходящего через тело человека, в сетях с различным режимом нейтрали при прикосновении человека к корпусу электроустановки при наличии защитного заземления.

Определить силу тока короткого замыкания, необходимую для расплавления предохранителей и срабатывания системы зануления.

4.1. Основные положения

С ростом энерговооруженности промышленных предприятий и дальнейшей электрификацией жизни возрастает число людей, контактирующих с электрооборудованием. В связи с этим возможность поражения людей электрическим током, как в производственных условиях, так и в быту, повышается, особенно если электротехническое оборудование неисправно или эксплуатируется с нарушением действующих правил. Кроме того, опасность поражения электротоком отличается от прочих производственных опасностей (токсичные вещества, нагретые поверхности, шум и т.д.) тем, что человек не в состоянии ее обнаружить дистанционно без специальных измерительных приборов.

Статистика производственного электротравматизма в качестве источников опасности называет:

· аварийность технологического процесса (оборудования) - 36%;

· ошибки (неправильные действия персонала) - 60%;

· опасные природные явления (молнии) - 4%.

· При анализе опасных условий труда, ведущих к электротравматизму выделяют:

· присутствие персонала в зоне действия опасного фактора;

· ошибочные (неправильные) действия персонала в опасных условиях труда;

· опасный ток в цепи включения тела человека.

Тяжесть электротравм зависит от ряда факторов: силы протекающего тока, пути его прохождения, рода и частоты тока, напряжения, электрического сопротивления тела человека, длительности протекания тока, здоровья и индивидуальных особенностей человека, а также от окружающей среды и т.д.

Величина протекающего через тело человека тока является основным фактором, от которого зависит исход поражения. Наименьшее значение ощутимого тока, которое зависит от рода тока, состояния человека, вида включения его в цепь, называется пороговым ощутимым током. Для промышленной частоты 50 Гц его величина в среднем составляет 1 мА. При увеличении силы тока до 10-15 мА в мышцах рук возникают болезненные судороги, поэтому человек не способен контролировать их действие и самостоятельно освободиться от зажатого в руке проводника (электрода). Величина тока 10 мА называется пороговым неотпускающим током.

Существенное влияние на исход поражения электрическим током оказывает путь его прохождения в теле человека («петля» тока). В специальной литературе описано 15 путей, однако наиболее вероятные пути протекания тока таковы: рука - рука (до 40%), правая рука - ноги (до 20%), нога - нога. В этом случае через сердце человека протекает от 0,4 до 7% общего тока.

Весьма значительное влияние на величину тока, проходящего через тело человека, оказывает полное электрическое сопротивление его тела, которое при сухой неповрежденной коже может колебаться в весьма широких пределах: от 103 до 105 Ом, а иногда и более. Оно является нелинейной величиной и зависит от ряда факторов: состояния кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная), плотности и площади контакта с токоведущими частями, силы проходящего тока и приложенного напряжения, времени воздействия тока. При расчете условий электробезопасности человека его полное электросопротивление Rчл принимают равным 1000 Ом.

Зная электросопротивление тела человека и интервал опасных для него токов, можно определить и интервал опасных напряжений. Так, для регламентированных значений порогового неотпускающего тока 10 мА и Rчл = 1000 Ом безопасным напряжением будет Uбез = Rч Iч = 10 В.

Окружающая среда и обстановка в помещении могут усилить или ослабить воздействие электрического тока, поскольку существенно влияют на сопротивление тела человека, изоляцию токоведущих частей. В соответствии с этим существует определенная классификация помещений по опасности поражения током. Производственные и бытовые помещения подразделяют на три класса: 1 - без повышенной опасности; 2 - с повышенной опасностью; 3 - особо опасные. Детальный анализ этих классов приведен в учебнике.

Для защиты человека от поражения электрическим током при работе с электроустановками применяются отдельно или в сочетании друг с другом различные технические способы, из которых отметим только:

· изоляция токоведущих частей (рабочая, дополнительная, усиленная, двойная);

· малое напряжение в электрических цепях;

· защитное заземление;

· зануление;

· защитные средства и предохранительные приспособления.

При изучении причин поражения током необходимо различать прямой контакт с токоведущими частями электроустановок и косвенный. Первый, как правило, возникает при грубейших нарушениях действующих Правил технической эксплуатации и правил техники безопасности электроустановок (ПТЭ и ПТБ), второй - в результате аварийных ситуаций, например при пробое изоляции.

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Однако наиболее распространенными являются две: между двумя различными проводами - двухфазное включение и между одним проводом или корпусом электроустановки, одна фаза которой пробита, и землей - однофазное включение. Статистика показывает, что наибольшее число электротравм происходит при однофазном включении, причем большинство из них в сетях напряжением 380/220 В.

4.2. Определение силы тока, протекающего через тело человека, в сетях с различным режимом нейтрали при прикосновении человека к корпусу электроустановки, находящейся под напряжением

При однофазном включении человека в сеть (рис.4.1, 4.2) сила тока во многом определяется режимом нейтрали источника тока.

Нейтраль - это точка соединения обмоток трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через аппараты с большим сопротивлением (сеть с изолированной нейтралью), либо непосредственно соединенная с заземляющим устройством - сеть с глухозаземленной нейтралью.

Корпуса электрических машин, наружные поверхности электрического оборудования и другие металлические нетоковедущие части могут оказаться под напряжением при замыкании на корпус.

Кроме того, при однофазном включении величина тока, проходящего через тело человека, зависит от сопротивления изоляции проводов сети относительно земли, пола, на котором стоит человек, сопротивления его обуви (диэлектрических галош, бот) и некоторых других факторов.

4.2.1. Определение силы тока, протекающего через тело человека, в сети с изолированной нейтралью

В сети с изолированной нейтралью (рис.4.1) ток, проходящий через тело человека в землю, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением.

Рис.4.1. Однофазное включение человека в трехфазную сеть с изолированной нейтралью:

a, b, c - фазы; Uф - фазное напряжение; Uл - линейное напряжение; Iчл - ток, протекающий через тело человека; Ia, Ib, Ic - токи, стекающие на землю через сопротивления изоляции фазы (токи утечки); Rа, Rb, Rc - сопротивления изоляции фаз a, b, c относительно земли; - обозначение пробоя на корпус (в данном случае с фазы а)

В этом случае, ток, проходящий через тело человека Iчл (А), может быть определен по формуле:

Iчл = Uф / (Rчл + Rоб + Rп + Rиз/3) (4.1.)

где Uф - фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом одной обмотки (или между фазным и нулевым проводом в случае глухозаземленной нейтрали)), В;

Rчл - сопротивление тела человека, Ом;

Rоб - сопротивление обуви, Ом;

Rп - сопротивление пола, Ом;

Rиз - сопротивление изоляции одной фазы относительно земли, Ом.

Пример 4.1

При наиболее неблагоприятном варианте, когда человек имеет проводящую ток обувь (сырая или имеет металлические набойки, следовательно, Rоб = 0), стоит на токопроводящем полу (земляной или металлический, следовательно, Rп = 0) при Uф =220 В, Rчл = 1 кОм и сопротивлении изоляции одной фазы относительно земли Rиз = 90 кОм величина тока Iчл (А) составит:

Iчл = 220/(1000+0+0+90000/3) = 0,007 А = 7 мА - ощутимый ток

Пример 4.2

Если учесть, что обувь непроводящая (например, галоши, Rоб = 45 кОм), пол - деревянный, Rп = 100 кОм при Uф =220 В, Rчл = 1 кОм и Rиз = 90 кОм величина тока Iчл (А) в этом случае составит:

Iчл = 220/(1000+45000+0+90000/3) = 0,00125 А = 1,25 мА - ощутимый ток

Таким образом, в сети с изолированной нейтралью ток, проходящий через человека - ощутимый и условия безопасности во многом будут зависеть от сопротивления изоляции проводов относительно земли.

4.2.2. Определение силы тока, протекающего через тело человека, в сети с глухозаземленной нейтралью

В сети с глухозаземленной нейтралью (рис.4.2) цепь тока, проходящего через человека, помимо сопротивлений тела человека, его обуви и пола, на котором он стоит, включает еще и сопротивление заземления нейтрали источника тока. При этом все эти сопротивления включены последовательно.

В этом случае Iчл (А) определяют по формуле:

Iчл = Uф / (Rчл + Rоб + Rп + R0) (4.2.)

где R0 - сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

Рис.4.2. Однофазное включение человека в трехфазную сеть с глухозаземленной нейтралью:

0 - нулевой провод; R0 - сопротивление заземления нейтрали

Рассмотрим два примера для сети с глухозаземленной нейтралью источника тока.

Пример 4.3

Условия аналогичны указанным в примере 4.1: Rоб = 0, Rп = 0, Uф =220 В, Rчл = 1 кОм. Сопротивление заземления нейтрали в соответствии Правилами устройства электроустановок R0 ? 10 Ом, что значительно меньше сопротивления тела человека, следовательно, величиной R0 можно пренебречь (R0 = 0). В этом случае величина тока Iчл (А) составит:

Iчл = 220/(1000+0+0+0) = 0,22 А = 220 мА - смертельный ток

Пример 4.4

Условия аналогичны указанным в примере 4.2: Rоб = 45 кОм, Rп = 100 кОм, Uф =220 В, Rчл = 1 кОм, R0 = 0. Величина тока Iчл (А) составит:

Iчл = 220/(1000+45000+100000+0) = 0,0015 А = 1,5 мА - ощутимый ток

В примере 4.3 ток смертельно опасен для человека, в примере 4.4 ток не опасен для человека, что показывает, какое исключительное значение имеет для безопасности работающих непроводящая ток обувь и, в особенности, изолирующий пол.

4.2.3. Выбор схемы сети

Выбор схемы сети (режима нейтрали источника тока) определяется технологическими требованиями и условиями безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, т.к. в ней возможно использование двух рабочих напряжений - линейного и фазного, например 380/220 В, где 380 В - линейное напряжение, а 220 В - фазное.

По условиям безопасности в период нормального режима работы сети более безопасна, как правило, сеть с изолированной нейтралью (примеры 4.1, 4.2), а в аварийный период - сеть с глухозаземленной нейтралью, т.к. в случае аварии (когда одна из фаз замкнута на землю) в сети с изолированной нейтралью напряжение неповрежденной фазы относительно земли может возрасти с фазного до линейного (Uл =1,73 Uф), в то время как в сети с глухозаземленной нейтралью повышение напряжения может быть незначительным.

4.3. Определение силы тока, проходящего через тело человека, в сетях с различным режимом нейтрали при прикосновении человека к корпусу электроустановки при наличии защитного заземления

Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановок (чаще всего корпуса), не находящихся под напряжением в обычных условиях, но которые могут оказаться под напряжением в случае пробоя фазы на корпус или повреждения изоляции электроустановки и к которым возможно прикосновение людей (рис.4.3).

Задача защитного заземления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением.

Рис.4.3. Схема защитного заземления в сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной (а) и изолированной (б) нейтралью:

Rз - сопротивление заземляющего устройства, Rчл - сопротивление тела человека, Zi - полное сопротивление одной фазы относительно земли.

Принцип действия защитного заземления состоит в превращении «пробоя на корпус» в «пробой на землю» для уменьшения напряжения между корпусом, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасных величин с помощью заземлителя, через который уходит большая часть тока, за счет значительно более низкого электросопротивления (по ГОСТ Rз = 4 - 10 Ом) по сравнению с сопротивлением тела человека (Rчл = 1 кОм).

Если корпус электрооборудования не заземлен и оказался в контакте с фазой, то прикосновение к нему равносильно прикосновению к фазе. В этом случае ток, проходящий через тело человека (при малом сопротивлении обуви, пола и изоляции проводов относительно земли) может достигать опасных значений.

Если корпус электроустановки заземлен, то ток Iчл (А), проходящий через тело человека (при Rоб = Rп = 0), можно определить по формуле сеть с изолированной нейтралью (рис.4.3 б):

Iчл = 3 Uф Rз / Rчл Rиз (4.3.)

сеть с глухозаземленной нейтралью (рис.4.3 а):

Iчл = Uф Rз / Rчл (R0 + Rз) (4.4.)

где Rз - сопротивление заземляющего устройства, Ом.

Пример 4.5

Исходные данные: Uф =220 В, Rчл = 1 кОм, Rиз = 90 кОм, Rз = 4 и 400 Ом. Величина тока Iчл (А) составит:

Iчл = 3*220*4 / 1000*90000 = 2,9*10-5 А = 0,03 мА - безопасно для человека

Iчл = 3*220*400 / 1000*90000 = 0,0029 А = 2,9 мА - безопасно для человека

Пример 4.6

Исходные данные: Uф =220 В, Rчл = 1 кОм, Rиз = 90 кОм, Rз = 4 и 400 Ом, R0 = 10 Ом. Величина тока Iчл (А) составит:

Iчл = 220*4 / 1000 (10+4) = 0,063 А = 63 мА - неотпускающий ток

Iчл = 220*400 / 1000 (10+400) = 0,215 А = 215 мА - смертельный ток

Из примеров 4.5 и 4.6 видно, что защитное заземление применять целесообразнее в сетях с изолированной нейтралью, т.к. величина тока, проходящего через тело человека, безопасна при любых Rз, а в сети с глухозаземленной нейтралью - ток Iчл всегда опасен.

Основным элементом заземляющего устройства является заземлитель, который может быть естественным или искусственным.

Естественные заземлители - это электропроводящие части коммуникаций и сооружений производственного или иного назначения, находящиеся в земле, за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов, трубопроводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии, свинцовых оболочек кабелей.

Искусственные заземлители - это вбитые или закопанные в землю электроды, например стальные трубы диаметром 30-50 мм, угловая сталь размером от 40х40 до 60х60 мм, полосовая сталь размером не менее 4х12 мм, стальные прутки диаметром 10-12 мм и др.

В качестве заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановок с заземлителем, применяют медные, алюминиевые проводники или полосовую сталь. Заземляющие проводники прокладывают открыто, с хорошим доступом для осмотра. Заземляющие проводники должны иметь отличительную окраску - по зеленому фону желтые полосы шириной 15 мм на расстоянии одна от другой 150 мм. Не допускается последовательное включение заземленного оборудования.

Согласно требованиям ГОСТ 12.1.030-81 сопротивление заземляющего устройства нормируют, оно не должно превышать в любое время года приведенных ниже значений:

10 Ом - в стационарных сетях пожароопасных помещений с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В;

4 Ом - в стационарных сетях взрывоопасных помещений, в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

4.4. Зануление

Занулением называется преднамеренное присоединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением, но которые вследствие повреждения изоляции могут оказаться под ним, к многократно заземленному нулевому проводу.

Данный метод защиты применяют только в четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, обычно в сетях 380/220 и 220/127 В. Это связано с тем, что сила тока замыкания на землю в таких сетях велика и при обычном сопротивлении заземления через человека может проходить ток большой силы. Схема зануления показана на рис.4.4.

Задача зануления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус. Решается эта задача быстрым отключением поврежденной установки от сети.

Принцип действия зануления заключается в превращении случайного пробоя фазы на корпус в однофазное короткое замыкание, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводом с целью вызвать ток большой величины. При появлении напряжения на корпусе основная часть тока пойдет через нулевой провод и нейтраль именно в ту фазу, в которой был пробой, т.е. произойдет короткое замыкание. Большая сила тока короткого замыкания вызовет срабатывание защиты и отключит установку от питающей сети. В качестве защиты используют плавкие предохранители или автоматические выключатели с тепловыми реле.

Рис.4.4. Принципиальная схема зануления:

Iкз - сила тока короткого замыкания; Rн - сопротивление повторного заземления нулевого провода, Rп - сопротивление предохранителя

Сила тока короткого замыкания Iкз (А) определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи короткого замыкания:

Iкз = Uф / (Rт/3 + Rф + Rн) (4.5.)

где Rт - внутреннее сопротивление трансформатора, Ом;

Rф, Rн - сопротивление фазного и нулевого проводников, Ом.

Защиту необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы сила тока однофазного короткого замыкания превышала не менее чем в 3 раза номинальную силу тока Iном срабатывания защитных устройств.

Пример 4.7

Исходные данные: Rф = Rн = 0,1 Ом; Rт = 0,003 Ом; Iном = 10 А

Для сети напряжением 380/220 В сила тока короткого замыкания Iкз (А) составит:

Iкз = 220 / ((0,003/3)+0,1+0,1) = 1095 А - такая сила тока неизбежно вызовет срабатывание защиты, и установка автоматически отключится от сети

Порядок выполнения работы

Определить силу тока Iчл, проходящего через тело человека, в электрической сети небольшой протяженности промышленной частоты с изолированной нейтралью при прикосновении человека к корпусу электроустановки при фазном напряжении Uф = 220 В и различных сопротивлениях изоляции фазных проводов (Rиз = 1; 2; 5; 10; 50; 100; 200; 400 кОм) по формуле 4.1. Результаты расчетов внести в протокол 4.1.

Определить силу тока Iчл, проходящего через тело человека, в электрической сети небольшой протяженности промышленной частоты с глухозаземленной нейтралью при прикосновении человека к корпусу электроустановки при фазном напряжении Uф = 220 В и различных сопротивлениях тела человека (Rчл = 1; 2; 4; 5; 10; 15; 20; 50 кОм) по формуле 4.2. Результаты расчетов внести в протокол 4.2.

По данным протоколов 4.1 и 4.2 построить два графика зависимости при заданных Rоб и Rп:

Iчл (мА) = f (Rиз, кОм);

Iчл (мА) = f (Rчл, кОм).

Из графиков определить безопасные для человека значения Rиз и Rчл.

Определить силу тока Iчл, проходящего через тело человека, в сети с изолированной нейтралью при прикосновении человека к корпусу электроустановки при наличии защитного заземления при фазном напряжении Uф = 220 В и различных по величине сопротивлениях изоляции Rиз и защитного заземления (Rз = 4; 400 Ом) по формуле 4.3. Результаты расчетов внести в протокол 4.3.

Определить силу тока Iчл, проходящего через тело человека, в сети с глухозаземленной нейтралью при прикосновении человека к корпусу электроустановки при наличии защитного заземления при фазном напряжении Uф = 220 В и различных по величине сопротивлениях изоляции Rиз и защитного заземления (Rз = 4; 400 Ом) по формуле 4.4. Результаты расчетов внести в протокол 4.4.

По данным протоколов 4.3 и 4.4 сделать выводы о силе тока Iчл, проходящего через тело человека, при различных по величине сопротивлениях защитных заземлений.

Протокол 4.1.

Uф = 220 В; Rчл = ______ кОм; Rоб = ______ кОм; Rп = ______ кОм

№	Rиз, кОм	Iчл, А	Iчл, мА
	1
	2
	5
	10
	50
	100
	200
	400

Протокол 4.2.

Uф = 220 В; R0 = ______ кОм; Rоб = ______ кОм; Rп = ______ кОм

№	Rчл, кОм	Iчл, А	Iчл, мА
	1
	2
	4
	5
	10
	15
	20
	50

Протокол 4.3.

Uф = _______В; Rчл = ______ кОм

№	Rиз, кОм	Iчл, А при Rз = 4 Ом	Iчл, А при Rз = 400 Ом
	1
	2
	5
	10
	50
	100
	200
	400

Протокол 4.4.

Uф = 220 В; Rчл = ______ кОм; R0 = _______ кОм

Iчл (Rз = 4 Ом) = __________А = __________мА

Iчл (Rз = 400 Ом) = ________А = __________мА

Задание к работе № 4

Вариант задания соответствует № студента по журналу кафедры (табл.4.1).

Таблица 4.1.

№ по журналу	Rоб, кОм	Rп, кОм	Rчл, кОм	R0, кОм
	30	110	1,0	3,0
	35	105	1,5	3,5
	40	100	2,0	4,0
	45	95	2,5	4,5
	50	90	3,0	5,0
	55	85	3,5	5,5
	20	80	4,0	6,0
	25	75	4,5	6,5
	30	70	5,0	7,0
	35	65	5,5	7,5
	40	60	6,0	8,0
	45	55	6,5	8,5
	50	50	7,0	9,0
	55	45	7,5	3,0
	20	40	8,0	3,5
	25	90	8,5	4,0
	30	95	9,0	4,5
	35	100	9,5	5,0
	40	105	10,0	5,5
	45	110	10,5	6,0
	50	115	11,0	6,5
	55	120	11,5	7,0
	20	60	12,0	7,5
	25	70	12,5	8,0
	30	80	13,0	8,5