Защита человека от поражения электрическим током

Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.

Основные способы и средства электрозащиты:

- изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный кон­троль;

- установка оградительных устройств;

- предупредительная сигнализация и блокировка;

- использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;

- использование малых напряжений;

- электрическое разделение сетей;

- защитное заземление;

- выравнивание потенциалов;

- зануление;

- защитное отключение;

- средства индивидуальной электрозащиты.

Изоляция токопроводящих частей – одна из основных мер электробезопасности. Согласно ПУЭ сопротивление изоляции токопроводящих частей электрических установок относительно земли должно быть не менее 0,5 – 10 МОм. Различают рабочую, двойную и усиленную рабочую изоляцию.

Рабочей называется изоляция, обеспечивающая нор­мальную работу электрической установки и защиту персонала от поражения электрическим током. Двойная изоляция, со­стоящая из рабочей и дополнительной, используется в тех слу­чаях, когда требуется обеспечить повышенную электробезопас­ность оборудования (например, ручного электроинструмента, бытовых электрических приборов и т.д.).

Сопротивление двой­ной изоляции должно быть не менее 5 МОм, что в 10 раз пре­вышает сопротивление обычной рабочей. В ряде случаев рабо­чую изоляцию выполняют настолько надежно, что ее электросо­противление составляет не менее 5 МОм и потому она обеспечивает такую же защиту от поражения током, как и двой­ная. Такую изоляцию называют усиленной рабочей изоляцией.

При замыканиях тока на конструктивные части электрооборудования (замыкание на корпус) на них появляются напряже­ния, достаточные для поражения людей или возникновения по­жара. Осуществить защиту от поражения электрическим током и возгорания в этом случае можно тремя путями: защитным за­землением, занулением и защитным отключением.

Защитное заземление – это преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих час­тей электрооборудования, которые в обычном состоянии не на­ходятся под напряжением, но могут оказаться под ним при слу­чайном соединении их с токоведущими частями.

Рассмотрим схему действия защитного заземления на приме­ре трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 9.2).

Рисунок 9.2 - Схема работы защитного заземления:

R_из – сопротивление изоляции каждой из фаз относительно земли

Если человек прикоснется к заземленной электроустановке, находящейся под напряжением, то он попадет под напряжение прикосновения, определяемое по формуле

U_пр=a₁I_зR_з, (9.10)

где a₁ – коэффициент напряжения прикосновения или просто коэффи­циент прикосновения (a ₁ < 1 и зависит от вида заземлителя);

I_з – ток замыкания, А;

R_з – сопротивление защитного заземления, Ом.

Ток, проходящий через тело человека, попавшего под на­пряжение прикосновения (, А), составит

, (9.11)

где R_с – сопротивление растеканию тока в земле, зависящее от удельного со­противления земли и сопротивления подошвы обуви человека, Ом.

Если человек находится в условиях высокой влажности (R_c ® 0), предыдущую формулу можно упростить

. (9.12)

Рассчитаем  для случая, если I₃ = 4 А, R_з = 4 Ом и a_пр = 0,4 (контурный заземлитель):

.

Этот ток безопасен для человека, так как не превышает значения неотпускающего тока (10 мА).

Таким образом, принцип действия защитного заземления за­ключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения (и напряжения шага), вызванных замыканием на корпус.

Защитному заземлению (занулению) подвергают металличе­ские части электроустановок и оборудования, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, например, корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников, каркасы распределительных щитов, металличе­ские трубы и оболочки электропроводок, а также металлические корпуса переносных электроприемников. Обязательно заземляют электроустановки, работающие под напряжением 380 В и выше переменного тока и питающиеся от источника постоянного тока с напряжением 440 В и выше. Кроме того, в помещениях повышенной и особой опасности за­земляют установки с напряжением от 42 до 380 В переменного тока и от 110 до 440 В постоянного тока.

Заземляющее устройство – это совокупность заземлителя – металлических проводников, соприкасающихся с землей, и зазем­ляющих проводников, соединяющих заземляемые части электро­установки с заземлителем. В зависимости от взаимного располо­жения заземлителей и заземляемого оборудования различают вы­носные (рис.9.3) и контурные (рис.9.4) заземляющие устройства. Первые из них характеризуются тем, что заземлители вынесены за пределы пло­щадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или со­средоточены на некоторой части этой площадки.

Контурное заземляющее устройство, заземлители которого располагаются по контуру (периметру) вокруг заземляемого оборудования на небольшом расстоянии друг от друга (несколько метров), обеспечивает лучшую степень защиты, чем предыдущее.

Рисунок 9.3 - Схема выносного заземления:

1 – заземлители; 2 – заземляющие проводники; 3 – заземляемое оборудование; 4 – производственные здания

Рисунок 9.4 - Схема контурного заземления:

1 – заземлители; 2 – заземляющие проводники; 3 – заземляемое оборудование; 4 – производственное здание

Заземлители бывают искусственные, которые используются только для целей заземления, и естественные, в качестве кото­рых используют находящиеся в земле трубопроводы (за исклю­чением трубопроводов горючих жидкостей или газов), метал­лические конструкции, арматуру железобетонных конструкций, свинцовые оболочки кабелей и др. Искусственные заземлители изготавливают из стальных труб, уголков, прутков или полосо­вой ткани.

Требования к сопротивлению защитного заземления регла­ментируются ПУЭ. В любое время года это сопротивление не должно превышать:

- 4 Ом – в установках, работающих под напряжением до 1000 В; если мощность источника тока составляет 100 кВ×А и менее, то сопротивление заземляющего устройства мо­жет достигать 10 Ом;

- 0,5 Ом – в установках, работающих под напряжением вы­ше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью. Наибольшее сопротивление заземляющего устройства (R,Ом) не должно быть более 250/I₃ (но не более 10 Ом) в установках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью. При использовании заземляющего устройства одновременно для ус­тановок напряжением до 1000 В, R не должно быть более 125/I₃ (но не более 4 или 10 Ом соответственно). В этих формулах I₃ – ток замыкания на землю, А.

Защитное зануление предназначено для защиты в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, рабо­тающих под напряжением до 1000 В, так как в этих сетях ис­пользование защитного заземления неэффективно. Обычно это сети 220/127, 380/220 и 660/380 В.

Рассмотрим действие защитного зануления подробнее. Пусть имеется трехфазная трехпроводная сеть, работающая под напря­жением до 1000 В с заземленной нейтралью (рис. 9.5).

Рисунок 9.5 - Схема трехфазной трехпроводной сети до 1000 В с заземленной нейтралью

Если в такой схеме одна из фаз будет замкнута на корпус электропроводки (показана на схеме молниеобразной стрелкой), то величина тока (I₃, А), протекающего в сети, определится из следующей зависимости

, (9.13)

где U_Ф – фазное напряжение, В;

R₀ – сопротивление заземления нейтрали, Ом;

R₃ – сопротивление корпуса электроустановки, Ом.

При этом на корпусе электроустановки возникает напряже­ние относительно земли (U_к), определяемое следующей форму­лой

. (9.14)

Рассчитаем величину тока короткого замыкания (I₃, А) для значений U _ф = 220В и R₀ = R₃= 4 Ом:

и .

Ток короткого замыкания I₃ может оказаться недостаточным для срабатывания защиты, и электроустановка может не отклю­читься. Корпус электроустановки находится под опасным на­пряжением. Если человек случайно прикоснется к корпусу элек­троустановки, находящейся под этим напряжением, то ток, про­текающий через тело человека, составит

, (9.15)

где a_пр – коэффициент напряжения прикосновения.

Если a_пр = 1 и U_к = 110 В, то I_чел = 110/1000 = 0,11 А = 110 мА. Этот ток превышает значение фибрилляционного, поэтому яв­ляется смертельно опасным. Таким образом, защитное заземле­ние в этом случае не обеспечивает надежной защиты человека, поэтому используют не заземление, а зануление.

Занулением называют способ защиты от поражения током автоматическим отключением поврежденного участка сети и одновременно снижением напряжения на корпусах оборудования на время, пока не сработает отключающий аппарат (плавкие предо­хранители, автоматы и др.). Зануление — это преднамеренное соединение с нулевым защитным проводником металлических нетокопроводяших частей, которые могут оказаться под напря­жением (рис. 9.6).

Проводник (1), который соединяет зануляемые части элек­троустановки с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора, называют нулевым защитным. Назначение этого проводника заключается в создании для тока короткого замыкания электрической цепи с малым электросопротивлением (цепь обозначена на рисунке цифрами I – II – III – IV – V), чтобы данный ток был достаточен для быстрого отключения по­вреждения от сети. Это достигается срабатыванием элемента за­щиты сети от тока короткого замыкания (на рисунке этот эле­мент обозначен цифрой 2).

Цепь зануления I – II – III – IV – V имеет очень малое электрическое сопротивление (доли Ом). Ток короткого замы­кания, возникающий при замыкании на корпус и проходящий по цепи зануления, достигает большого значения (нескольких сотен ампер), что обеспечивает быстрое и надежное срабатыва­ние элементов защиты.

Рисунок 9.6 – Схема работы зануления:

1 – нулевой защитный проводник; 2 – срабатываемый элемент защиты; 3 – повторное заземление нулевого провода

Для устранения опасности обрыва нулевого провода устраи­вают его повторное многократное рабочее заземление через ка­ждые 250 м.

Основное требование безопасности к занулению: оно должно обеспечивать надежное и быстрое срабатывание защиты. Для этого необходимо выполнение следующего условия I_кз ³ k I_ном, где I_ном – номинальное значение тока, при котором происходит сраба­тывание элемента защиты; k – коэффициент, характеризующий кратность тока короткого за­мыкания относительно номинального значения тока, при ко­тором срабатывает элемент защиты.

Время срабатывания элементов защиты зависит от силы то­ка. Так, для плавких предохранителей и тепловых автоматов при k = 10 время срабатывания предохранителя составляет 0,1 с, а при k = 3 – 0,2 с. Электромагнитный автоматический выключа­тель обесточивает сеть за 0,01 с. Согласно требованиям ПУЭ в помещениях с нормальными условиями k должен находиться в пределах 1,2 – 3, а во взрывоопасных помещениях k = 1,4 – 6.

Еще одна система защиты – защитное отключение – это защита от поражения электрическим током в электроустановках, работающих под напряжением до 1000 В, автоматическим отключением всех фаз аварийного участка сети за время, допустимое по условиям безопасности для человека.

Основная характеристика этой системы – быстродействие, оно не должно превышать 0,2 с. Принцип защиты основан на ограничении времени протекания опасного тока через тело человека. Существуют различные схемы защитного отключения, одна из них, основанная на использовании реле напряжения, представлена на рисунке 9.7.

Защитное отключение рекомендуется применять:

- в передвижных установках напряжением до 1000 В;

- для отключения электрооборудования, удаленного от ис­точника питания, как дополнение к занулению;

- в электрифицированном инструменте как дополнение к защитному заземлению или занулению;

- в скальных и мерзлых фунтах при невозможности выпол­нять необходимое заземление.

Рисунок 9.7 – Схема защитного отключения:

1 – корпус электроустановки; 2 – автоматический выключатель; 3 – отключающая катушка; 4 – сердечник катушки; 5 – реле максимального напряжения; R₃ – сопротивление защитного заземления; I₃ – ток замыкания; I_р – ток, протекающий через реле; R_в – сопротивление вспомогательного заземления

К организационным мероприятиям, обеспечи­вающим безопасную эксплуатацию электроустановок отно­сятся оформление соответствующих работ нарядом или распо­ряжением, допуск к работе, надзор за проведением работ, стро­гое соблюдение режима труда и отдыха, переходов на другие работы и окончания работ.

Нарядом для проведения работы в электроустановках назы­вают составленное на специальном бланке задание на ее безопасное производство, определяющее содержание, место, время начала и окончания работы, необходимые меры безопасности, состав бригад и лиц, ответственных за безопасность выполнения работ. Распоряжением называют то же задание на безопасное производство работы, но с указанием содержания работы, места, времени и лиц, которым поручено ее выполнение.

Все работы на токопроводящих частях электроустановок под напряжением и со снятием напряжения выполняют по наряду, кроме кратковременных работ (продолжительностью не более 1 ч), требующих участия не более трех человек. Эти работы вы­полняют по распоряжению.

К организационным мероприятиям также относятся обуче­ние персонала правильным приемам работы с присвоением ра­ботникам, обслуживающим электроустановки, соответствующих квалификационных групп.

Важным вопросом электробезопасности является защита от удара молний, или молниезащита. Молниезащита – это система защитных устройств и меро­приятий, применяемых в промышленных и гражданских соору­жениях для защиты их от аварии, пожаров при попадании в них молнии. Молния – особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого – атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком.

Различают три типа воздействия тока молнии: прямой удар, вторичное воздействие заряда молнии и занос высоких потен­циалов (напряжения) в здания. При прямом разряде молнии в здание или сооружение может произойти его механическое или термическое разрушение. Последнее проявляется в виде плавле­ния или даже испарения материалов конструкции.

Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкну­тых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропровод­ках и др.), расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие или взры­воопасные вещества. К этим же последствиям может привести и занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металло­конструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений под действием молнии.

Для защиты от действия молнии устраивают молниеот­воды (громоотводы). Это заземленные металлические конст­рукции, которые воспринимают удар молнии и отводят ее ток в землю. Различают стержневые и тросовые молниеотводы. Их защитное действие основано на свойстве молний поражать наибо­лее высокие и хорошо заземленные металлические конструкции.

Молниеотводы характеризуются зоной защиты, которая оп­ределяется как часть пространства, защищенного от удара мол­нии с определенной степенью надежности. В зависимости от степени надежности зоны защиты могут быть двух типов — А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N). Если величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (сте­пень надежности защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N £ 1 принимают зону защиты типа В (степень на­дежности этой защиты – 95% и выше).