Анализ опасности поражения людей электрическим током

Поражение человека электрическим током происходит при за­мыкании электрической цепи через тело, т.е. в случае прикосно­вения его к двум точкам электрической цепи, между которыми имеется напряжение.

В трехфазных сетях переменного тока возможно включение тела человека в электрическую цепь между одним проводом и землей (однофазное включение) или между двумя проводами (двухфазное включение). Однофазное включение приводит к менее значи­тельному воздействию тока по сравнению с двухфазным, так как в этом случае напряжение ниже линейного в 1,73 раза.

Опасность поражения электрическим током возникает при за­мыкании на землю или на корпус находящихся под напряжением токоведущих частей электроустановки. Замыканием на землю на­зывается их случайное электрическое соединение с землей непо­средственно или через металлические элементы конструкции уста­новки, замыканием на корпус — соединение с заземленными ме­таллическими корпусами, баками или другими конструктивными элементами электроустановки, в нормальных условиях не находя­щимися под напряжением.

При стекании тока в землю образуется так называемая зона его растекания, в пределах которой наблюдается заметный потенци­ал (рис. 6.1).

В этом случае снижается потенциал заземленной токоведущей части до значения j_э, равного произведению тока I_з, стекающего в землю, на сопротивление R_з, которое он встречает на своем пути:

Данное явление, весьма благоприятное с точки зрения без­опасности, используется для защиты от поражения током при слу­чайном появлении напряжения на металлических токоведущих частях установки, которые с этой целью заземляют. Однако пони­жение потенциала заземленной токоведущей части при стекании тока в землю сопровождается отрицательным явлением: появля­ются потенциалы на заземлителе, металлических частях, находя­щихся в контакте с ним, и поверхности грунта вокруг места стекания тока, что может представлять опасность для жизни человека. Рассмотрим стекание тока /, в землю через наиболее простой заземлитель — полушар радиусом r ₃ (см. рис. 6.1)- Для упрощения считаем, что удельное сопротивление р земли во всем рассматри­ваемом объеме является постоянной величиной. В этом случае ток в земле растекается во все стороны по радиусам полушара и его плотность j убывает по мере удаления от заземлителя. На расстоя­нии х₁ от центра полушара О она равна

В земле, где проходит ток, возникает поле его растекания. Тео­ретически оно простирается до бесконечности. Однако в действи­тельности уже на расстоянии r_р = 20 м от заземлителя плотность тока практически равна нулю. Следовательно, можно считать, что и поле растекания распространяется лишь на это расстояние.

Рис. 6.1. Зона растекания тока замыкания на землю: Ох1 - расстояние от центра заземлителя; - потенциал ноля растекания тока; r3 - радиус заземлителя и форме полушара; rp — радиус зоны растекания; j3 -потенциал заземленной токоведущей части установки; I3 — ток растекания по поверхности земли; V — вольтметр

За пределами зоны растекания тока находится зона земли, на поверхности которой потенциал становится малозаметным. Она называется зоной нулевого потенциала.

Если человек окажется в зоне растекания тока и будет стоять на поверхности земли, имеющей разные потенциалы в местах, где расположены ступни ног, то на расстоянии шага а (полагают, что, а = 0,8 м) возникнет так называемое напряжение шага, или шаговое напряжение U_шравное разности этих потенциалов:

В то же время шаговое напряжение представляет собой падение напряжения на сопротивлении R_h тела человека:

где — ток, проходящий через тело по пути нога—нога.

Поскольку , как и составляют часть потенциала заземлителя j₃, их разность также равна его части:

де β — коэффициент напряжения шага, или просто коэффициент шага, зависящий от формы кривой распределения потенциала:

При наличии одиночного заземлителя напряжение шага определяется отрезком АВ (рис.6.2), длина которого зависит от характера определение потенциала, т.е. от типа заземлителя, и по мере удаления от него уменьшается от некоторого максимального значения до нуля.

При использовании одиночного полушарового заземлителя радиусом r_з

напряжение шага

а коэффициент шага

Рис. 6.2. Шаговое напряжение при одиночном заземлителе: а — длина шага; U_ш — шаговое напряжение; U_{ш max} — максимальное шаговое напряжение; с и d — точки эквипотенциальной окружности радиусом x₁ уда­ленные друг от друга на расстояние шага а; АВ — отрезок, длина которого равна разности потенциалов ; обозначения остальных величин см. на рис. 6.1

Максимальные значения U_ш и β соответствующие наимень­шему расстоянию от заземлителя х = r_з(человек стоит одной но­гой непосредственно на нем, а другая находится на расстоянии шага от него), равны

Наименьшие, нулевые значения U_ш и β достигаются при бес­конечно большом удалении от заземлителя, а практически — за границей поля растекания тока (х >r_р, где r _р = 20 м). При х=r_р имеем U_ш = 0 и β= 0. Этот же результат получим и в том случае, когда ступни ног человека находятся рядом друг с другом (а= 0) вблизи заземлителя или на одной эквипотенциальной линии, а следовательно, и на одинаковом расстоянии х₁ от него (точки с и d на рис. 6.2).

При наличии группового заземлителя в пределах площади, на которой размещены электроды, напряжение шага меньше, чем при одиночном заземлителе, но также изменяется от некоторого максимального значения до нуля при удалении от них.

Как и при одиночном заземлителе, максимальное шаговое на­пряжение достигается, когда одна точка лежит на электроде, а другая — на расстоянии шага от него. Минимальное шаговое на­пряжение, равное нулю, соответствует случаю, когда человек стоит на «точках» с одинаковым потенциалом. При замыкании токоведущих частей на землю или корпус нормально изолированные части электроустановки могут находиться под напряжением. При прикосновении к этим частям работник окажется под напряжени­ем U_np, носящим название напряжения прикосновения. Оно пред­ставляет собой разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек, или, иначе гово­ря, падение напряжения на сопротивлении тела человека R_h:

где — ток, проходящий через человека по пути рука—ноги.

При создании защитного заземления или зануления одна из этих точек имеет потенциал заземлителя j₃, а другая — потенци­ал основания j_ос, в том месте, где стоит человек. В этом случае напряжение прикосновения

или

где α — коэффициент напряжения прикосновения, или просто коэффициент прикосновения, зависящий от формы кривой рас­пределения потенциала:

Пусть корпуса электродвигателей заземлены с помощью оди­ночного заземлителя (рис.6.3). При замыкании на корпус одного из них на заземлителе и всех присоединенных к нему металличе­ских частях, в том числе на корпусах двигателей, появится потен­циал j_з.

Поверхность земли вокруг заземлителя будет иметь потенциал j_ос(х), описываемый кривой а, вид которой определяется формой заземлителя.

Распределение напряжения прикосновения в зоне растекания характеризуется кривой б. Чем дальше от за­землителя находится человек, прикасающийся к заземленному оборудованию, тем выше это напряжение, и наоборот. Так, при наибольшем расстоянии х = r _р = 20 м (положение 3) оно имеет максимальное значение , причем α_max= 1. Это наиболее опасный случай прикосновения.

При наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек стоит непосредственно на нем (положение 1), U _пp = 0 и а = 0. Это безопасный случай: человек не подвергается воздействию напря­жения, хотя и имеет потенциал j₃.

При промежуточных значениях х- (положение 2) U_np плавно возрастает от 0 до j₃, а α — от 0 до 1.

Рис. 6.3. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе: 1 — положение человека, стоящего непосредственно на заземлителе; 2 — проме­жуточное положение в зоне растекании тока; 3 — положение человека, стоящего на границе зоны растекания; j_ос — потенциал основания; U_пр — напряжение прикосновении; а и б — распределения в зоне растекания тока соответственно j_ос(х) и U_пр(х)= ; - промежуточное расстояние от центра заземления; обозначения остальных величин см. на рис. 6.1.