Эксплуатация электроустановок представляет опасность для жизни людей, что обусловливает необходимость соблюдения правил техники безопасности. Опасность поражения электрическим током усугубляется еще и тем, что в токоведущих частях оборудования нет каких-либо внешних признаков угрозы, предупреждающих человека.
Значительное число несчастных случаев происходит в резуль-тате прикосновения человека к частям установки, которые в рабочем или аварийном режиме в результате нарушения изоляции оказались под напряжением. Тяжесть поражения человека электрическим током зависит от ряда факторов: силы тока и длительности его воздействия; пути прохождения тока в теле человека; состояния окружающей среды; электрического сопротивления тела человека; частоты тока и др.
Сила тока, протекающего через тело человека, является главным фактором, от которого зависит тяжесть поражения. Человек ощущает протекающий через него ток промышленной частоты: 50 Гц начиная со значений 0,6... 1,5 мА (пороговый ощутимый ток). Ток 10... 15 мА вызывает сильные и болезненные судороги мышц, которые 50 % людей преодолеть не в состоянии (пороговый неот пускающий ток).
|
|
Ток около 50 мА распространяет свое действие на мышцы грудной клетки и нарушает дыхание, а ток 100 мА, воздействуя на сердце, приводит к его фибрилляции, т.е. к быстрым хаотическим сокращениям сердечной мышцы, при которых сердце перестает работать как насос.
Продолжительность протекания тока через тело человека также влияет на тяжесть поражения, так как с течением времени сопротивление кожи человека падает. При уменьшении продолжительности воздействия токов их поражающее действие снижается. Предельно допустимые токи, проходящие через тело челове-
Продолжительность
воздействия тока, с.......... 1
Допустимый ток, мА,
при напряжении 1 кВ...... 50
0,7 0,5 0,2 0,1 0,01...0,08
70 100 250 500
Существенно влияет на тяжесть поражения путь прохождения тока через тело человека (рис. 11.1). Наиболее опасными являются случаи, когда ток проходит через голову (голова — рука, голова — нога), а также через грудную клетку (рука — рука, рука — нога).
Электрическое сопротивление тела человека определяется сопротивлениями наружных слоев кожи и внутренних органов. Кожа в сухом и неповрежденном виде обладает значительным сопротивлением, а сопротивление внутренних органов обычно составляет 300... 500 Ом. При увлажнении и загрязнении кожи ее сопротивление снижается. В расчетах электрическое сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом.
Рис. 11.1. Возможные пути прохождения тока через тело человека:
|
|
а — рука —рука; б — правая рука —обе ноги; в — левая рука —обе ноги; г — правая рука —правая нога; д — правая рука —левая нога; е — левая рука —левая нога; ж — левая рука—правая нога; з — обе руки —обе ноги; и — нога—нога; к — голова —обе руки; л — голова —обе ноги; м — голова —правая рука; н — голова —левая рука; о — голова—правая нога; п — голова—левая нога
Ток /ч, проходящий через какой-либо участок тела человека, зависит от приложенного напряжения U пр (напряжение прикосновения) и электрического сопротивления тела человека Rч:
1ч=Uир/Rч. (11.1)
Окружающая среда усиливает или ослабляет опасность поражения током. На электрический ток, проходящий через тело человека, оказывают влияние: состояние поверхности контакта человека с токоведущими частями оборудования; наличие заземленных металлических полов и конструкций, токопроводящей пыли; повышенная влажность помещений.
В зависимости от опасности поражения человека электрическим током ПУЭ подразделяют помещения, в которых размещается электрооборудование, следующим образом.
1. Помещения без повышенной опасности — сухие, нежаркие с нетокопроводящими полами без металлоконструкций, токопроводящей пыли, например жилые, административные и другие общественные здания с деревянными, линолеумными и тому подобными полами.
2. Помещения повышенной опасности — влажные (при относительной влажности выше 75%), жаркие (температура 30 °С и выше), с токопроводящими полами (железобетонными, металлическими, земляными и т.д.), помещения, в которых имеется опасность одновременного прикосновения к металлическим конструкциям, трубопроводам, станкам и металлическим корпусам электрооборудования.
3. Помещения особо опасные — особо сырые помещения, в которых полы, стены и потолок покрыты влагой (например, пропарочные камеры), где влажность воздуха близка к 100%, помещения с химически опасной средой, воздействующей на изоляцию.
Для каждой установки, работающей в тех или иных условиях, регламентируется определенный комплекс защитных мероприятий, позволяющих свести к минимуму вероятность электротравматизма.
При рассмотрении вопросов, связанных с электробезопасностью, используют основные термины, принятые в ПУЭ.
Заземлителем называют металлические проводники, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющим устройством называют совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлением какого-либо участка установки называют преднамеренное электрическое соединение ее с заземляющим устройством.
Заземляющие устройства предназначены для создания надежных малоомных заземлений определенных частей электрических машин, аппаратов, токопроводов и молниеотводов с целью обеспечения требуемых режимов работы электроустановок, защиты персонала от поражения электрическим током, грозозащиты и защиты от перенапряжений.
В соответствии с этим заземления подразделяют на рабочие, защитные и грозозащитные.
Рабочие заземления обеспечивают требуемый режим работы установки в нормальной эксплуатации. К ним относят заземления нейтралей силовых трансформаторов, генераторов, реакторов поперечной компенсации на длинных ЛЭП, измерительных трансформаторов напряжения, систем с использованием земли в качестве рабочего провода (электрифицированный транспорт) и др.
Защитным заземлением называют преднамеренное соединение с землей металлических частей электрической установки, нормально не находящейся под напряжением, благодаря чему ток через тело человека при прикосновении к корпусу с поврежденной изоляцией снижается до такого значения, которое не угрожает жизни и здоровью.
Грозозащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной грозозащиты электроустановок. К грозозащитным заземлениям относят заземления стержневых и тросовых молниеотводов металлических крыш зданий и сооружений, металлических и железобетонных опор ЛЭП, разрядников.
|
|
Как правило, для выполнения заземления всех типов используют одно заземляющее устройство.
Сопротивление заземляющего устройства представляет собой сумму сопротивлений заземлителя и заземляющих проводников. Сопротивление на участке растекания тока называют сопротивлением растеканию. Сопротивление растеканию заземлителя без учета малого сопротивления заземляющих проводов определяют по формуле
где U 3 — напряжение на заземлителе относительно земли (точки, отстоящей на 20 м); /3 — ток в заземлителе.
Под сопротивлением R 3 понимают не сопротивление между за землителем и почвой (оно незначительно), а в основном сопротивление почвы между заземлителем и поверхностью нулевого потенциала.
Замыканием на землю называют случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли. Током замыкания на землю называют ток, возникающий в земле в месте замыкания.
Электроустановками с большими токами замыкания на землю называют электроустановки напряжением выше 1000 В, в которых однофазный ток замыкания на землю превышает 500 А.
380 В
Рис. 11.2. Схемы заземления в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью:
а — присоединение к нулевому проводу сети (правильно); б — применение местного заземляющего устройства (неправильно)
Электроустановками с малыми токами замыкания на землю называют электроустановки напряжением выше 1000 В, в которых однофазный ток замыкания на землю меньше 500 А.
Согласно ПУЭ, запрещается применение заземления корпусов электрооборудования без металлической связи с глухозаземленной нейтралью, а также использование в одной и той же сети средств заземления с глухозаземленной и изолированной нейтралью. Схемы правильного и неправильного применения заземляющего металлического устройства в электроустановках с глухозаземленной нейтралью показаны на рис. 11.2. Схема б не обеспечивает безопасность людей, поскольку при замыкании на корпус ток однофазного короткого замыкания потечет между двумя зазем-лителями и в результате может оказаться недостаточным для срабатывания защиты (в данном случае плавкого предохранителя).
|
|
Например, при фазном напряжении U = 220 В, сопротивле- нии растеканию заземлителя R 3 = 6 Ом и сопротивлении нейтрали R м = 4 Ом напряжение прикосновения к корпусу заземленной установки U 3 = UфR/(R3 + Rn) = 220 • 6/(6 + 4) = 132 В. При этом напряжение нейтрали Un = Uф- Uз = 88 В является опасным для обслуживающего персонала, а ток замыкания на землю /3 = = U ф/(R3 + Rn) = 220/(6 + 4) = 22 А может оказаться недостаточным для срабатывания защиты.
Напряжением прикосновения называют напряжение, возникающее между точками К и М (рис. 11.3) в цепи тока заземления, которых может одновременно коснуться человек. Напряжение прикосновения
где ц>к,
Укм = <?к~ Ц>м, потенциалы в точках К и М.
(11.3)
Рис. 11.3. Схема, поясняющая возникновение и изменение напряжения прикосновения
Рис. 11.4. Схема, поясняющая возникновение шагового напряжения
Для схемы, показанной на рис. 11.3, Икм = 220 - 0 = 220 В.
Шаговое напряжение представляет собой разность потенциалов, под которой могут оказаться ноги человека, находящиеся одна от другой на расстоянии шага («0,8 м) на поверхности с разными потенциалами.
Такое явление может произойти на поверхности, прилегающей к опорам высоковольтных ЛЭП, ТП или иных установок в случае порчи средств защиты.
Для схемы, показанной на рис. 11.4, шаговое напряжение
^ = фя-Фе] (11.4)
где фя, фг — потенциалы в точках опоры ног человека.
Шаговое напряжение зависит от напряжения ЛЭП. Максимальный потенциал будет в точке М, минимальный (нулевой) — в точке К, отстоящей от опоры ЛЭП на расстоянии Ь.
При падении человека указанное напряжение может возрасти примерно в 4 раза до
где ф„ — потенциал в новой точке опоры человека при его падении. Значение шагового напряжения 1/ш в общем случае определяют как интеграл от напряженности электрического поля Епо длине шага /:
Рис. 11.5. Схема растекания тока за мыкания /3 при полусферическом заземлителе
Рис. 11.6. Изменение напря женности Е электрического поля при растекании тока
На расстоянии от заземлителя х, значительно большем, чем длина шага /, шаговое напряжение можно считать обратно пропорциональным квадрату расстояния:
ш ~ 2к х
.2 '
(11.7)
Шаговое напряжение достигает максимального значения на границе эквивалентной полусферы заземлителя:
2р/3
л /)(/) + 21) '
(11.8)
где D— диаметр полусферы заземлителя (рис. 11.5).
На расстоянии 20 м от заземлителя шаговое напряжение снижается практически до нуля.
При растекании тока в грунте по радиальным направлениям (см. рис. 11.5) создается электрическое поле, напряженность E которого изменяется по закону, близкому к гиперболическому (рис. 11.6). Для упрощения считаем заземлитель полусферическим.
При равномерном распределении тока в грунте вокруг заземлителя через все концентрические полусферы направлен ток замыкания на землю, плотность 5, А/м2, которого убывает по мере увеличения диаметра полусферы. На некотором расстоянии х от заземлителя
(11.9.)
2пх
По известной плотности тока определяют напряженность Б, В/м, электрического поля в зоне растекания тока:
(11.10)
Падение напряжения U, обусловленное протеканием тока /3 в грунте между заземлителем и точкой внутри земли на расстоянии х от заземлителя, определяют по разности потенциалов между ними:
В/2
р/,
(11.11)
При расстояниях, значительно больших диаметра Dполусферы заземлителя, можно пренебречь вычитаемым 1/х, тогда
U=
(11.12)
Сопротивление R 3 заземлителя зависит от его геометрической формы. Значения R 3 для заземлителей различных форм приводятся в справочной литературе.