Анализ опасности поражения человека электрическим током

Условия поражения человека электрическим током возникают при включении его в электрическую цепь электроустановки или при попадании в зону действия электрической дуги.

Опасность поражения человека электрическим током характе­ризуют следующие факторы:

• схема включения человека в цепь электрического тока;
• напряжение сети, питающей электроустановку;
• сопротивление проводов сети относительно земли;
• режим работы сети (нормальный или аварийный);
• тип сети и режим нейтрали;
• значение емкости проводов относительно земли.

Следует иметь в виду, что опасность поражения человека элек­трическим током не является однозначной. Анализ опасности по­ражения электрическим током в электроустановках сводится к определению значения токов в цепи тела человека / Л, которое зависит от напряжения прикосновения или шага.

Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) определено понятие «электроустановка». Электроустановкой принято называть совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного обо­рудования (вместе с сооружениями и помещениями), предназна­ченных для производства, преобразования, трансформации, рас­пределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии.

Все электроустановки по условиям электробезопасности под­разделяются:

• на электроустановки напряжением до 1 кВ с заземленной ней­тралью;
• электроустановки напряжением 1кВ с изолированной нейтра­лью;
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффек­тивно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолиро­ванной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).

В современной нормативно-технической документации все элек­троустановки напряжением до 1кВ рассматриваются как системы различных типов. Под системой следует понимать совокупность источника электроэнергии, питающей линии и потребителя элек­троэнергии.

Термином «питающие электрические сети» обозначается со­ставная часть системы, включающая в себя источник электроэнер­гии и питающие линии.

Питающие сети различаются по типам систем токоведущих проводников и систем заземления.

Существуют следующие типы систем токоведущих проводни­ков переменного тока:

• однофазные двухпроводные;
• однофазные трехпроводные;
• двухфазные трехпроводные;
• двухфазные пятипроводные;
• трехфазные трехпроводные;
• трехфазные четырехпроводные;
• трехфазные пятипроводные.

Система TN — система, в которой нейтраль источника элект­роэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части элект­роустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали (занулены) при помощи нулевых защитных проводников.

Нейтраль — общая точка обмоток генераторов или трансфор­маторов, питающих сеть; напряжения на выходных зажимах ис­точника электроэнергии, измеренные относительно нейтрали, равны.

Глухозаземленная нейтраль источника электроэнергии — нейт­раль генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированная нейтраль — нейтраль генератора или трансфор­матора в сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ, не присо­единенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Проводящие части — части, которые могут проводить электри­ческий ток.

Токоведущие части — проводники или проводящие части, пред­назначенные для работы под напряжением в нормальном режи­ме, включая нулевой рабочий проводник.

Открытые проводящие части — доступные прикосновению про­водящие части электроустановки, не находящиеся под напряже­нием, но которые могут оказаться под напряжением при повреж­дении основной изоляции.

Нулевой проводник — это проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью, предназначенный либо для питания по­требителей электроэнергии, либо для присоединения к откры­тым проводящим частям.

Нулевой рабочий проводник (N-проводник) — нулевой проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников.

Нулевой защитный проводник (РЕ-проводник) — нулевой про­водник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначен­ный для присоединения к открытым проводящим частям в целях обеспечения электробезопасности.

Системы заземления электрических сетей могут быть следующих типов: TN—C, T N – S , T N – C – S , IT, ТТ.

Система TN—C — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на
всем ее протяжении (рис. 7.1); при этом совмещенный нулевой и рабочий провод обозначается PEN.

Система TN—S — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении (рис. 7.2).

Система TN—C—S — система TN, в которой функции нулево­го защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в од­ном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника элек­троэнергии (рис. 7.3).

Система IT — система, в которой нейтраль источника электроэнергии изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющее большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены (рис. 7.4). В этом случае защитный заземляющий проводник обозначается так же, как и нулевой защитный проводник, т.е. РЕ-проводник.

Система ТТ — система, в которой нейтраль источника элект­роэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части элект­роустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источ­ника.

Поскольку далее приведен анализ электробезопасности различ­ных типов электрических сетей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии, то для удобства изложения мате­риала в дальнейшем будем пользоваться терминами типа «сеть TN—С», «сеть 1Т» и другими, которые означают совокупность ис­точника электроэнергии с определенным режимом заземления нейтрали и питающей линии с определенной системой токоведу­щих проводников. Например, сеть TN—С означает совокупность источника электроэнергии с глухозаземленной нейтралью и трех­ фазной четырехпроводной питающей линии.

Существуют различные «схемы включения» человека в элект­рическую цепь тока (наиболее характерные «схемы включения» показаны на рис. 7.5. на примере трехфазной сети с изолирован­ной нейтралью):

• прямое двухфазное (двухполюсное) прикосновение — одно­временное прикосновение к проводникам двух фаз (двум полю­сам) действующей электроустановки (поз. 1 на рис. 7.5);
• прямое однофазное (однополюсное) прикосновение — при­косновение к проводнику одной фазы (одному полюсу) действу­ющей электроустановки (поз. 2 на рис. 7.5);
• косвенное прикосновение — прикосновение к открытым про­водящим частям электроустановок, оказавшимся под напряже­нием в результате повреждения изоляции (прикосновение к кор­пусу электроустановки с поврежденной изоляцией) (поз. 3 нарис. 7.5);
• включение под напряжение шага — включение между двумя точками земли (грунта), находящимся под разными потенциа­лами.

Напряжение прикосновения Uh, В, — это разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или падение напряжения на сопротивлении тела челове­ ка Rh:

где lh— ток, протекающий через тело человека путями: рука-ноги или рука—рука, мА; Rh — активное сопротивление тела че­ловека, Ом (для расчетов обычно принимают Rh = 1 кОм).

Если человек стоит на земле и касается заземленного корпуса электроустановки, на который замкнулся фазный провод (в даль­нейшем будем употреблять стандартизированный термин «призамыкании на корпус»), как это показано на рис. 7.6, то напряже­ние прикосновения может быть записано в виде

где ф3 — потенциал заземленного корпуса, т.е. потенциал рук че­ловека, В; фо,. — потенциал основания в том месте, где стоит человек, т.е. потенциал ног, В.

Потенциал заземленного корпуса определяют по формуле

где l3, — ток замыкания на землю; R3, — сопротивление заземления.
Проведя простые преобразования, выражение (7.1) можно за­писать в виде

где а — коэффициент напряжения прикосновения.

Напряжением шага называется разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, которых одновременно каса­ется ногами человек, или падение напряжения на сопротивлении тела человека:

где Uш— напряжение шага, В; lh— ток, протекающий через тело человека по пути нога—нога, мА.

Если человек стоит на земле вблизи заземленного корпуса элек­троустановки, на который замкнулся фазный провод, как это показано на рис. 7.7, то уравнение для определения напряжения шага можно записать в виде

где фх — потенциал точки на поверхности земли на расстоянии от заземлителя, В; фх+а — потенциал точки на поверхности земли на расстоянии (х + а) от заземлителя, В (а — длина шага, обычно принимается равной 1 м).

По аналогии с напряжением прикосновения выражение для напряжения шага можно записать в виде

Коэффициент напряжения шага ф < 1) зависит от характера распределения потенциалов на поверхности грунта вблизи заземлителя и места нахождения человека по отношению к заземлителю.

Из уравнений (7.2) и (7.3) следует, что напряжение прико­сновения и напряжение шага являются частью потенциала зазем­ленного корпуса электроустановки, или потенциала заземлителя,который можно определить через ток, стекающий по нему в землю:

где l3 — ток замыкания на землю, мА; R3, — сопротивление зазем­лителя растеканию тока, Ом.

Учитывая (7.4), напряжение прикосновения и напряжение шага можно определить из следующих уравнений:

При двухфазном прикосновении (см. рис. 7.5) ток через тело человека и напряжение прикосновения определяются из следую­щих уравнений:

где U — действующее значение фазного напряжения сети; Gh —проводимость тела человека.

Из выражений (7.5) и (7.6) следует, что при двухфазном при­косновении человек попадает под линейное напряжение сети не­зависимо от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети, проводимости фазных проводов Yu , Yu , Yu относительно земли.
Такая схема включения человека в электрическую цепь представ­ляет большую опасность.

Случаи двухфазного прикосновения происходят сравнительно редко и являются, как правило, результатом работы под напря­жением в электроустановках до 1 кВ, что является нарушением правил и инструкций выполнения работ.

При однофазном прикосновении человек попадает под на­пряжение Uh, значение которого зависит от многих факторов. Эта схема включения человека в электрическую цепь тока является менее опасной, чем двухфазное прикосновение, и на практике она встречается значительно чаще. Например, электротравмы со смертельным исходом при однофазном прикосновении составля­ют 70… 80 % от общего числа электротравм, причем большинство из них происходит в сетях напряжением до 1 кВ.

Далее при анализе электробезопасности сетей различных ти­пов будет рассматриваться только однофазное прикосновение.

В общем виде напряжение прикосновения Uh и ток, протека­ющий через тело человека Ih, в комплексной форме для случая, когда человек касается одного из фазных проводов трехфазной четырехпроводной сети с нейтралью, заземленной через актив­ное и индуктивное сопротивление (рис. 7.8) (такую схему можно рассматривать как обобщенную для анализа электробезопасности любого типа сети напряжением до 1 кВ), можно записать в виде

где Yl1, Yl2, Yl3, YPEN, Y0 — полные проводимости фазных и PEN-проводов относительно земли и заземления нейтрали.

В комплексной форме

где Gh — проводимость тела человека, Gh = 1/Rh;а — фазный оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз.

Фазной оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз, определяют по формуле

Выражениями (7.7), (7.8) будем пользоваться при определе­нии Д и £/Лдля сетей типа IT и TN—С при определенных значени­ях их параметров.

Для трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтра­лью типа IT напряжением до 1 кВ (рис. 7.9) характерным является то, что при однофазном прикосновении значение тока, проходя­щего через тело человека при нормальном режиме работы сети, тем меньше, чем меньше рабочее напряжение сети (фазное на­пряжение) и чем больше значение сопротивления изоляции про­водов относительно земли.

Действительно, ток, протекающий через тело человека, и на­пряжение прикосновения описываются следующими выражения­ми, полученными из выражений (7.7), (7.8), при условии, что Y0 – 0; Ypen —0:

где YL1 YL2, YL3 — полные проводимости изоляции фазных прово­дов относительно земли; U — действующее значение фазного на­пряжения сети; а — фазный оператор трехфазной системы, учи­тывающий сдвиг фаз.

В комплексной форме

При равенстве проводимостей фазных проводов относительно земли Yu – Yu = YL3- Y (т.е. при равенстве сопротивлений изоля­ции и емкостей фазных проводов относительно земли Ru = R u == RLj = R и CLI – CL2 = CL3 = С) ток, протекающий через телочеловека, определяется следующим образом:

где Z — полное сопротивление фазного провода относительно земли.

В комплексной форме

где R — активное сопротивление изоляции фазного провода от­носительно земли; С — емкость фазного провода относительно земли.

В действительной форме этот ток определяется следующим об­разом:

При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводов от­носительно земли (Rl1 = RL2 = Rl3 = R) и отсутствии емкостей ( CL1 = CL2 – CL3 = С = 0) выражение (7.9) упрощается:

Таким образом, в сетях с изолированной нейтралью при нор­мальном режиме работы опасность для человека при прямом од­нофазном прикосновении зависит от сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли. С увеличением со­противления изоляции и уменьшении емкости фазных проводов относительно земли опасность уменьшается. Этот вывод иллюст­рируется графиками зависимости / А= f(R ) при С = 0 (что может иметь место в коротких сетях) и / А= /(С ) при R = const, представ­ленными на рис. 7.10.

При аварийном режиме работы сети (рис. 7.11), когда один из фазных проводов, например провод L2, замкнулся на землю, опас­ность поражения током человека, прикоснувшегося к исправно­му фазному проводу, значительно возрастает.

В этом случае ток, протекающий через тело человека, будет определяться по формуле

где  R3m— сопротивление растеканию тока в месте замыкания фаз­ного провода на землю (на рис. 7.11 — фазного провода L2).

Так как обычно выполняется условие R3m < <  Rh то

При аварийном режиме работы сети типа IT, когда человек касается провода, замкнувшегося на землю (на рис. 7.12 человек касается фазного провода L 3), ток, протекающий через тело че­ловека, будет определяться падением напряжения на сопротивле­нии растеканию тока в месте замыкания на землю R3м:

где Lзм — ток замыкания на землю; а — коэффициент напряжения прикосновения.

При а = 1

Ток замыкания на землю в сети IT зависит от сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли, со­противления растеканию Rh. Если принять во внимание, что обычно RзМ<< Rh, то

В действительности ток замыкания на землю будет меньше, что более безопасно для человека.

Таким образом, прикосновение к неисправному фазному про­воду (замкнувшемуся на землю) в сети IT значительно менее опас­но, чем прикосновение к исправному.

Значение тока, протекающего через тело человека, в этом случае меньше, чем при пря­мом однофазном прикосновении в нормальном режиме работы.

Для трехфазной сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ типа TN—C (рис. 7.13) значения тока, протекающего через тело человека, и напряжения прикосновения определяются фаз­ным напряжением сети и не зависят от сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.

Действительно, проводимости фазного и нулевого проводни­ков относительно земли по сравнению с проводимостью заземле­ния нейтрали (Y0 = l/Ro) малы ( YL1 , YL2, YL3 < < Y0). При этом выражение (7.8) для тока, протекающего через тело человека при прикосновении к фазному проводу при нормальном режиме ра­боты сети TN—C (см. рис. 7.13), принимает вид

где Rq — сопротивление рабочего заземления нейтрали.

Напряжение прикосновения в этом случае определяется из урав­нения

Так как обычно R0 << Rh, то можно считать, что человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение сети.

При аварийном режиме, когда один из фазных проводов сети, например провод L2 (рис. 7.14), замкнут на землю через относи­тельно малое активное сопротивление Rзм, а человек прикасается

к исправному фазному проводу, уравнение (7.8) имеет следующий вид:

Здесь учтено, что YL1, YL2 и YPEN малы по сравнению с Yo , a YL3 по сравнению с Y0 и Узм, т.е. ими можно пренебречь и считать равными нулю.

С учетом того, что

напряжение прикосновения в действительной форме имеет вид

Учитывая ,что

выражение (7.10) можно записать в виде

При этом выражение для определения тока через тело челове­ка имеет вид

Рассмотрим два характерных случая.

1. Если принять, что сопротивление замыкания фазного про­вода на землю R3m = 0, то напряжение прикосновения Uh = U/З.
Следовательно, в данном случае человек окажется практически под воздействием линейного напряжения сети.

2. Если принять, что сопротивление заземления нейтрали R0= 0, то Uh = U, т.е. напряжение, под которым окажется человек, будет практически равно фазному напряжению.

Однако в реальных условиях сопротивления R3m и R0 и всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью, т.е. напряжение прикосновения Uh, всегда меньше линейного, но больше фазного: U/3 >U h >U.

С учетом того, что всегда R3m > R0, напряжение прикосновения Uh в большинстве случаев незначительно превышает значение фазного напряжения, что менее опасно для человека, чем в ана­логичной ситуации в сети типа IT.

При аварийном режиме работы сети типа TN—C, когда чело­век касается провода, замкнувшегося на землю (на рис. 7.15 чело­век касается фазного провода L 3), ток, протекающий через тело человека, будет определяться так же, как и в сети типа IT, — падением напряжения на сопротивлении растеканию тока в месте замыкания на землю R3M:

где lзм — ток замыкания на землю; а — коэффициент напряжения прикосновения.

При a1 = а2 = 1

Ток замыкания на землю в сети TN—C зависит только от со­противления растеканию тока R3M, сопротивления заземления ней­трали R0 и сопротивления тела человека Rh. Если принять во вни­мание, что обычно R3m < <  Rh, то

В этом случае напряжение прикосновения лишь незначительно отличается от значения фазного напряжения.

Таким образом, прикосновение к неисправному фазному про­воду (замкнувшемуся на землю) в сети 7 V—С практически также опасно, как к исправному. Значение тока, протекающего через тело человека, в этом случае почти такое же, как при прямом однофазном прикосновении в нормальном режиме работы в сети T N -C .

Условия поражения людей электрическим током в большой степени зависят от характера окружающей среды и окружающей обстановки. Опасность поражения током в зависимости от этих факторов может увеличиваться или уменьшаться. Это объясняется тем, что характер окружающей среды оказывает значительное вли­яние на состояние изоляции электроустановки. Например, небла­гоприятные условия окружающей среды приводят к снижению сопротивления изоляции, создавая тем самым опасность появле­ния напряжения на нетоковедущих частях электроустановок. Со­стояние окружающей среды влияет на электрическое сопротивле­ние тела человека. Например, при повышенной температуре ок­ружающего воздуха и повышенной влажности электрическое со­противление тела человека уменьшается.

Опасность поражения людей электрическим током усиливает­ся при наличии токопроводящих полов, а также в тех случаях, когда имеется возможность одновременного прикосновения к элек­троустановке и электропроводящим предметам, имеющим связь с землей. Например, если человек одновременно коснется элект­роустановки, случайно оказавшейся под напряжением, и метал­лической конструкции, имеющей связь с землей, то через тело человека будет протекать ток, который может вызвать электро­травму.

В отношении опасности поражения людей электрическим то­ком все помещения подразделяются на три группы: помещения без повышенной опасности; помещения с повышенной опасно­стью; особо опасные помещения.

В помещениях без повышенной опасности отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность.

Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличи­ем в них одного из следующих условий, создающих повышенную опасность:

• токопроводящая пыль или сырость;
• токопроводящие полы (металлические, земляные, железобе­тонные, кирпичные и т.д.);
• высокая температура (жаркие помещения);
• возможность одновременного прикосновения к имеющим со­единения с землей металлоконструкций зданий, технологическим аппаратам, механизмам, с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования — с другой.

Особо опасные помещения характеризуются наличием одного из следующих условий, создающих особую опасность:

• особая сырость;
• химически активная или агрессивная среда;
• одновременно два или более условий повышенной опасно­сти.

К особо опасным помещениям относятся котельные, мазутно­- насосные цехи по приготовлению топлива.

Электроустановки могут быть открытыми (наружными), если они не защищены зданиями от атмосферных воздействий, или закрытыми (внутренними), если они размещены внутри зданий, защищающих их от атмосферных воздействий. В отношении опас­ности поражения электрическим током территории наружных или открытых электроустановок приравниваются к особо опасным помещениям.