Напруга дотику та напруга кроку

Зазначимо, що ряд базових понять електробезпеки унормовані. Існують державні нормативні акти з охорони праці (ДНАОП) і нормативно-правові акти з охорони праці (НПАОП), які підлягають державній реєстрації в Міністерстві юстиції України [28]. Серед НПАОП виділимо ГОСТ 12.1.038-82 [11], в якому йдеться мова про гранично допустимі значення напруг доторкання і струмів.

Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 ССБТ напруга дотику U_д – напруга між двома точками кола струму, яких одночасно торкається людина [12]. ПУЕ трактує напругу дотику як напругу, яка виникає на тілі людини або тварини у випадку одночасного доторкання до двох провідних частин [45].

На рис. 2.5 зображена ситуація доторкання людини до корпусу аварійної (пошкодженої) електроустановки, наприклад до неструмопровідної частиниелектродвигуна – частини електроустановки, яка нормально не перебуває під напругою, але може опинитись під напругою в аварійних режимах роботи [44]. Напруга дотику U_д– це різниця потенціалів між точкою k на корпусі електроустановки, до якої торкається кінчиком пальця руки людина, та точкою x, на якій він стоїть. Формула напруги дотику така:

U_д = j_k – j_x (2.15)

Струм від частин електроустановки, які знаходяться під напругою, проходить в землю через електрод, який здійснює контакт із ґрунтом. Цей електрод називається заземлювачем. Характерним показником заземлювача є опір струму розтікання R_з – опір ґрунту струму замикання на землю в межах зони розтікання.

У свою чергу, зона розтікання струму замикання на землю – зона землі, за межами якої електричний потенціал, обумовлений струмами замикання на землю, може бути умовно прийнятий рівним нулю. Напруга на заземлювачі визначається згідно закону Ома для ділянки кола:

U_з = I_з × R_з = j_max(2.16)

Як видно з рис. 2.5, коли людина стоїть ногами безпосередньо на заземлювачі та доторкається до корпусу електрообладнання (x = 0), то напруга дотику дорівнює нулю (U_д = 0, j_k = j_x) – це безпечний випадок, хоча вона знаходиться під потенціалом заземлювача. Зі збільшенні відстані від заземлювача напруга дотику зростає і досягає максимального значення, рівного потенціалу заземлювача (U_д =j_max=I_з × R_з) приблизно на відстані 20 м. Висновок: напруга дотику U_д збільшується в міру того, як збільшується відстань від заземлювача (місця замикання струму на ґрунт), і за межами зони розтікання струму дорівнює напрузі на корпусі обладнання відносно ґрунту, тобто U_д = U_к.

За законом Ома для дільниці кола струм через людину, обумовлений напругою дотику

I_h.д = U_д / R_h,(2.17)

де R_h – опір кола людини.

Розглянемо випадок замикання фази на заземлений корпус електродвигуна (рис. 2.5). Замикання на корпус – випадкове з’єднання частин електроустановки, які знаходяться під напругою, з її конструктивними частинами, які нормально не знаходяться під напругою [59].

Електричний струм стікає через заземлювач R_з в землю, виникає зона розтікання струму, яка підвищує потенціал точок ґрунту. Це підвищення графічно зображується кривою розподілу потенціалу на поверхні ґрунту, де максимум j_з – потенціал заземлювача.

Чисельно напруга дотику рівна різниці потенціалів точки k корпусу і точки x ґрунту, на якій знаходиться нога людини:

U_д = j_k – j_x = U_к a₁a₂, (2.18)

де U_к – напруга на корпусі обладнання відносно точки поверхні ґрунту, яка знаходиться поза зони розтікання струму замикання на ґрунт; a₁– коефіцієнт напруги дотику, який враховує форму потенційної кривої і залежить від типу заземлювача і відстані від людини до заземлювача.

a₁ = 1 – j_k / j_x £ 1, (2.19)

Значення a₁ табульовані (є в спеціальних таблицях з електробезпеки). Для x = 0, a₁»0, а за межами зони розтікання струму замикання на ґрунт a₁ = 1. Потенціал точок ґрунту j_xвизначається за формулою потенційної кривої j (x), яка залежить від типу заземлювача та умов його заглиблення в землю. Очевидно, напруга дотику не більша напруги на заземлювачі, тобто U_д £ U_з, звідси

U_д = U_з × a₁.(2.20)

Другий коефіцієнт напруги дотику a₂враховує падіння напруги на опорі опорної поверхні ніг. Якщо ноги розташовуються на відстані кроку, то

a₂ = 1 / (1 + 1,55 r / R_h*),(2.21)

а якщо ноги розташовуються поряд, то

a₂ = 1 / (1 + 2,2 r / R_h*), (2.22)

де r– питомий опір ґрунту, Ом×м; R_h*– неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).

Для змінного струму промислової частоти (50 Гц) при нормальному (неаварійному) режимі електроустановки напруга дотику та струм, що протікає через тіло людини повинні задовольняти нерівності: U_д £ 2,0 В, I £ 0,3 мА. За умови високих температур (t° ³ 25°C) і відносної вологості (g ³ 75 %) вказані значення напруги та струму повинні бути зменшені в три рази.

Гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі виробничих установок напругою до 1кВ з глухозаземленою або ізольованою нейтраллю і вище 1кВ з ізольованою нейтрал лю не повинні перевищувати значень, вказаних в табл. 2.3.

Таблиця 2.3

Гранично допустимі значення U_д і I при аварійному режимі електроустановок

Нормована величина	Гранично допустимі значення, не більше, при тривалості дії струму Dt, с
0,01- 0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	>1,0
Uд , В
I, мА

Потрібно відзначити, що середні гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі побутових установок приблизно в три рази менші за відповідні значення виробничих установок. Зокрема, при тривалості дії струму більше 1 с відповідні величини, нормуються так: U_д = 12 В, I = 2 мА.

Зазначимо, що аварійний режим усувається автоматичними пристроями за короткий час, що зменшує вірогідність збігу двох випадковостей – дотику людини до корпусу електроустановки й аварії останньої. Безпечною напругою дотику звично умовно вважається 12 В, хоча при особливо несприятливих умовах і при

12 В можливі електротравми: встановлені одиничні випадки смертельних уражень людини електричним струмом при напрузі 12 В промислової частоти в умовах приміщень з підвищеною небезпекою або в особливо небезпечних.

На електроустановках напругою 36 В і 42 В електротравми вже мають далеко не одиничний характер [55]. Велике число всебічних спостережень і моделювання електротравм показує, що значення струму ураження (50 Гц), при якому наступає летальний наслідок, може викликатися напругою, значення якої входить в ряд малих напруг (6,0 В, 12,0 В, 24,0 В, 28,5 В, 36,0 В, 42,0 В, 50,0 В).

Зазначимо, що безпечним струмом можна вважати такий струм, який протягом тривалого часу (декілька годин) може проходити через людину, не завдаючи їй школи і не викликаючи ніяких відчуттів. Очевидно, значення безпечного струму промислової частоти набагато менший порогового відчутного струму та вважається рівним такому найбільшому значенню – 50 – 75 мкА. Найбільше значення безпечного постійного струму складає 100 – 125 мкА [6].

У відповідністю з ПУЕ [45], струм замикання на землю створює зону розтікання – частина землі (локальна земля), яка знаходиться в електричному контакті з заземлювачем і електричний потенціал якої не обов’язково рівний нулю. Термін “ земля ” використовується ПУЕ в сенсі як “ земля в зоні розтікання ”.

Стікання струму в землю через окремий заземлювач супроводжується виникненням на заземлювачі, в землі навколо заземлювача і на поверхні землі (ґрунті) в зоні розтікання струму електричних потенціалів відносно зони нульового потенціалу. У свою чергу, зона нульового потенціалу – провідна частина землі (відносна земля), яка знаходиться за межами зони впливу будь-якого заземлюючого пристрою, електричний потенціал якої умовно прийнятий за нульовий.

Розглянемо окремий заземлювач у вигляді електроду (стрижня циліндричної форми), який забитий у землю. За допомогою проводу визначеного поперечного перерізу до заземлювача приєднано електрообладнання, яке знаходиться в аварійному стані (режимі). Напруга кроку обумовлена розтіканням струму замикання на землю (рис. 2.7).

Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 напруга кроку U_к – напруга між двома точками кола струму (x i x + a), які знаходяться одна від другої на відстані кроку (a), на яких одночасно стоїть людина [12]. У свою чергу, ПУЕ трактує напругу кроку, як напругу між двома точками на поверхні локальної землі, які розташовані на відстані a = 1 м одна від одної, що відповідає довжині великого кроку людини [45]:

U_к = j_x– j_x+a (2.23)

Нелінійність потенціальної кривої j (x) призводить до того, що при наближенні людини до заземлювача напруга кроку збільшується (рис. 2.8). Для зменшення небезпеки ураження струмом необхідно зменшити до мінімуму довжину кроку – “гусячий рух”. За межами зони розтікання струму (більше 20 м від місця замикання струму на землю) напруга кроку дорівнює нулю.

Чисельно напруга кроку рівна різниці потенціалів точок, на яких знаходяться ноги людини. При розташуванні однієї ноги людини на відстані x від заземлювача і ширині кроку а можна отримати емпіричну формулу напруги кроку [15]:

U_к = U_з b₁ b₂, (2.24)

де U_з – напруга на заземлювачі.

У формулі (2.25) коефіцієнт b₁ – коефіцієнт напруги кроку, який враховує форму потенціальної кривої та залежить від виду заземлювача, відстані від місця замикання на землю (x) і довжини кроку (а):

b₁ = (j_x – j_x+a) / j_з < 1. (2.25)

Значення b₁ табульовані, аналогічно коефіцієнту напруги дотику a₁. Другий співмножник – коефіцієнт напруги кроку b₂, який враховує падіння напруги на опорній поверхні ніг (0 £ b₂ £ 1):

b₂ = 1 / (1 + 6,2 r / R_h*), (2.26)

де R_h*– неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).

Сила струму через людину, обумовлена напругою кроку:

I_h.к. = U_к / R_h. (2.27)

Як видно з останніх формул, при збільшенні довжини кроку а та зменшенні питомого опору ґрунту r ступінь ураження людини електричним струмом збільшується.