Трефилов В. (ред.) Методы и средства защиты человека от опасных и вредных производственных факторов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7.5. Система TN-C переменного тока

К источнику

питания

PEN

1 – заземлитель нейтрали (средней точки) источника питания;

2 – открытые проводящие части.

Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном

проводнике.

Рис. 7.6. Система TN-S переменного тока

К источнику

питания

1 – заземлитель нейтрали источника переменного тока;

2 – открытые проводящие части.

Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены.

Рис. 7.7. Система TN-С-S переменного тока

PEN

К источнику

питания

1 – заземлитель нейтрали источника переменного тока;

2 – открытые проводящие части.

Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном

проводнике в части системы.

Рис. 7.8. Система IT переменного тока

К источнику

питания

1 – сопротивление заземления нейтрали источника питания (если имеется); 2 –

заземлитель; 3 – открытые проводящие части; 4 – заземляющее устройство.

Открытые проводящие части электроустановки заземлены. Нейтраль ис-

точника изолирована от земли или заземлена через большое сопротивление.

Рис. 7.9. Система ТT переменного тока.

К источнику

питания

1 – заземлитель нейтрали источника переменного тока; 2 – открытые проводя-

щие части; 3 – заземлитель открытых проводящих частей.

Открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи

заземления, электрически независимого от заземлителя нейтрали.

Применительно к сетям переменного тока напряжением до 1 кВ условные

обозначения имеют следующий смысл.

Первая буква – состояние нейтрали источника питания относительно зем-

ли:

Т – заземленная нейтраль;

I – изолированная нейтраль.

Вторая буква – состояние открытых проводящих частей относительно

земли:

Т – открытые проводящие части заземлены, независимо от отношения к

земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети;

N– открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной ней-

трали источника питания.

Последующие (после N) буквы – совмещение в одном проводнике или

разделение функций нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

S – нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники разделе-

ны;

С – функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников со-

вмещены в одном проводнике (PEN-проводник);

L - фазный (линейный) проводник;

N – нулевой рабочий (нейтральный) проводник;

РЕ – защитный проводник (заземляющий проводник, нулевой защитный

проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов);

PEN – совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводник.

Производство, передача и распределение электрической энергии между

потребителями осуществляются трехфазной системой переменного тока из-за

ряда ее положительных свойств, из которых основным является то, что трех-

фазные электрические машины (двигатели, генераторы) имеют полезную мощ-

ность в 1,5 раза большую, чем однофазные при одинаковых массах, габаритах и

потерях энергии.

Электрическая энергия в Российской Федерации передается и распреде-

ляется при напряжении до 1 кВ с помощью трехпроводной сети с изо-

лированной нейтралью и четырех- (пяти-) проводной сети с глухо заземленной

нейтралью. При напряжении выше 1 кВ применяются трехпроводные сети с

изолированной и с заземленной нейтралями.

7.2 Условия попадания человека под действие электрического

тока

Поражение человека электрическим током может быть при одновремен-

ном касании двух точек электрической части электроустановки, между кото-

рыми существует напряжение, и при этом образуется замкнутая электрическая

цепь, через его тело проходит ток. Величина этого тока зависит от схемы при-

косновения, т.е. каких частей электроустановки касается человек, а также от

параметров электрической сети, режима нейтрали источника питания.

Степень опасности поражения электрическим током при эксплуатации

электрических сетей и электроустановок зависит от величины тока, проходяще-

го через человека в различных условиях, а так же сопротивления изоляции и

емкости фаз относительно земли, рода и частоты тока, пути и длительности

воздействия тока, условий эксплуатации и др.

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различными. Наибо-

лее характерными являются две схемы включения: между двумя фазами -

двухфазное прикосновение и между одной фазой и землей – однофазное при-

косновение.

7.2.1 Двухфазное прикосновение к токоведущим частям

Рис. 7.10. Двухфазное прикосновение к трехфазной сети

с изолированной нейтралью

Двухфазное прикосновение более опасно, поскольку к телу человека при-

кладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, а ток, прохо-

дящий через человека, оказываясь независимым от схемы сети, режима нейтра-

ли и других факторов, имеет наибольшее значение:

== , (7.1)

где

фл

UU 3= – линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными про-

водами сети, В;

– фазное напряжение, В;

– сопротивление цепи человека, Ом.

= R

+ 2R

од

где R

– сопротивление тела человека, Ом (принимается при расчетах равным

1000 Ом);

од

– сопротивление одежды, Ом.

Случаи двухфазного прикосновения происходят очень редко (обычно в

установках до 1000 В) и не могут служить основанием для оценки сетей по ус-

ловиям безопасности. Они являются результатом работы под напряжением,

применения неисправных защитных средств, а также эксплуатации оборудова-

ния с неогражденными неизолированными токоведущими частями (открытые

рубильники, незащищенные зажимы сварочных трансформаторов и т.п.).

7.2.2 Однофазное прикосновение к токоведущим частям

Однофазное прикосновение является, как правило, менее опасным, чем

двухфазное, поскольку ток через человека ограничивается влиянием многих

факторов. Однако однофазное прикосновение возникает значительно чаще и

является основной причиной поражения людей током в сетях любого напряже-

ния.

Степень поражения человека током при однофазном прикосновении в

значительной мере будет зависеть от режима нейтрали, т.е. от того, изолирова-

на или заземлена нейтраль источника питания (трансформатора или генерато-

ра).

Рис. 7.11. Схема однофазного прикосновения человека к четырехпроводной

сети с глухозаземленной нейтралью

Рис. 7.12. Схема однофазного прикосновения человека к трехпроводной сети с

изолированной нейтралью

Рассмотрим случаи однофазного прикосновения применительно к сетям

трехфазного тока напряжением до 1000 В: четырехпроводной с глухозаземлен-

ной нейтралью и трехпроводной с изолированной нейтралью.

Однофазное прикосновение человека в четырехпроводной сети с глухоза-

земленной нейтралью.

При прикосновении человека, например, к фазе L3 (см. рис.7.11) через не-

го будет протекать ток

= , (7.2)

= R

+ R

об

+ 0,5 (R

оп

+ R

об

где R

, R

– соответственно сопротивления цепи человека и заземления ней-

трали трансформатора;

= 2 Ом при U=660/380 В, 4 Ом при U=380/220 В, 8 Ом при U=220/127

В (согласно требованиям правил устройства электроустановок ПУЭ);

оп

– сопротивления опорной поверхности одной ноги;

об

– сопротивление обуви (одной подошвы).

Поскольку R

>> R

, то значением R

можно пренебречь, и выражение

(7.2) может быть представлено в виде

I = .

Следовательно, при однофазном прикосновении в сети с заземленной

нейтралью в период её нормальной работы человек попадает под фазное на-

пряжение и через него протекает ток, определяемый только сопротивлением

цепи человека. Этот ток безусловно опасен, так как в трехфазных сетях с ли-

нейным напряжением 220, 380 и 660 В его значения превышают величины

фибрилляционных токов.

Однофазное прикосновение человека в трехпроводной сети с изолирован-

ной нейтралью.

При прикосновении человека к одной из фаз сети в период её нормальной

работы, например к фазному проводнику L3 (см. рис.7.12), через него по цепи

фаза L3 - сопротивление человека - земля - активное и емкостное сопротивле-

ние изоляции фаз L2 и L1 относительно земли – фазные проводники L2 и L1

будет протекать ток, который определяется следующим выражением в ком-

плексной форме:

, (7.3)

где Z – комплекс полного сопротивления одной фазы относительно земли, Ом.

Crj

, (7.4)

где r = r

= r

– активные сопротивления изоляции провода соответст-

вующей фазы относительно земли, Ом;

c = c

= c

– емкость провода соответствующей фазы относительно

земли, Ф;

= 2

f – угловая частота, рад/с;

f – частота, Гц.

Из выражения (7.3) видно, что ток, протекающий через человека, зависит

от R

, так как и от Z. При этом возможны следующие случаи:

1. Если сеть короткая, то емкости фаз относительно земли малы: c

= c

≈ 0, активные сопротивления изоляции фаз относительно земли равны: r

= r

= r. При этом протекающий через человека ток

. (7.5)

Активное сопротивление изоляции фаз относительно земли превышает на

2 порядка и более сопротивление тела человека (согласно Правил технической

эксплуатации электроустановок потребителей r участка силовой или освети-

тельной сети должно быть не менее 500 кОм/фазу), т.е. R

много меньше r и в

выражении (7.5) R

можно пренебречь.

Тогда

== . (7.6)

В этом случае ток, протекающий через человека, определяется только ак-

тивным сопротивлением изоляции r и равен однофазному току замыкания на

землю I

. При U

= 220 В, r = 500 кОм

мА,А,I

321001320

500000

3220

⋅

= .

Это с точки зрения электробезопасности наиболее благоприятный случай,

и вероятность поражения человека током наименьшая.

2. Если сеть значительной протяженности, то она имеет большую емкость

относительно земли, и, следовательно, малое емкостное сопротивление, кото-

рое шунтирует активное сопротивление изоляции. Тогда можно принять:

= c

= с; r

= r

= r = ∞ и из выражения (7.4) видно, что полное со-

противление фазы относительно земли будет равно емкостному сопротивле-

нию:

а сила тока, проходящего через тело человека,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (7.7)

Величина тока, протекающего через человека, будет зависеть в основном

от емкостного сопротивления фаз относительно земли. Например, человек при-

коснулся к фазе кабельной линии с линейным напряжением 380 В, имеющей

длину 1 км, сечение жилы кабеля 25 мм

, емкость фазы относительно земли С =

0,2 мкФ. По выражению (7.7)

кОм

102,05014,32

⋅⋅⋅⋅

−

мАА,I

450450

15000

1000

220

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= .

Ток, равный 45 мА, является неотпускающим током и, безусловно, опасен

для жизни.

Анализ выражений (7.3 – 7.7) показывает, что в сети с изолированной

нейтралью в период нормальной работы сети опасность поражения током зави-

сит от сопротивления проводов относительно земли. Наименьшей является

опасность при коротких линиях, имеющих большое емкостное сопротивление

(малую емкость фаз относительно земли); наибольшая опасность возникает при

прикосновении к фазному проводу линии большой протяженности, имеющей

малое значение X

(обычно кабельные линии).

В сети с изолированной нейтралью при нормальной работе прикоснове-

ние человека к фазному проводу всегда менее опасно, чем в четырехпроводной

сети с заземленной нейтралью. В первом случае ток, протекающий через чело-

века, определяется сопротивлением цепи человека R

и сопротивлением сети Z ,

которое на один, два порядка больше, чем R

, и значительное ограничение ве-

личины I

достигается за счет большого значения сопротивления Z (7.4). Во

втором случае человек попадает под фазное напряжение и ток, проходящий че-

рез него, зависит только от R

На практике, как правило, для неэлектротехнического персонала, одно-

фазное прикосновение происходит при касании человеком корпуса электрообо-

рудования (КЭ), оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изо-

ляции одной из фаз и замыкании фазы на КЭ. Поэтому ниже рассматривается

только этот случай.

7.2.3 Прикосновение к открытым проводящим частям,

оказавшимся под напряжением

Металлические открытые проводящие части электроустановки (напри-

мер, корпуса машин и аппаратов, оболочки кабелей, металлические трубы элек-

тропроводок и др.) обычно не находятся под напряжением. Они могут оказать-

ся под напряжением лишь в результате повреждения изоляции.

Рис. 7.13. Прикосновение к открытым проводящим частям

В этом случае при наличии заземления корпуса происходит глухое замы-

кание на землю и прикосновение к заземлённому корпусу, имеющему контакт с

одной из фаз, вызывает появление параллельной ветви, по которой проходит

некоторая часть тока замыкания на землю через тело человека, т.е. ток, прохо-

дящий через тело человека, зависит от тока замыкания на землю:

= f(I

). (7.8)

Если человек касается незаземлённого корпуса, оказавшегося под напря-

жением, то через человека проходит весь ток замыкания на землю I

= I

. Таким

образом, этот случай равноценен однофазному прикосновению к токоведущим

частям.

7.2.4 Напряжение прикосновения

Во всех случаях контакта человека с частями, в нормальном режиме или

случайно находящимися под напряжением, это напряжение прикладывается ко

всей электрической цепи человека, куда входят сопротивление тела человека,

обуви, пола или грунта, на котором он стоит. Напряжение между двумя прово-

дящими частями или между проводящей частью и землёй при одновременном

прикосновении к ним человека или животного называется напряжением при-

косновения:

пр

= I

(7.9)

Напряжение прикосновения определяется как падение напряжения в со-

противлении тела человека.

В случае двухфазного прикосновения к токоведущим частям напряжение

прикосновения равно рабочему напряжению электроустановки, а в трёхфазной

сети – линейному напряжению. При однофазном прикосновении к токоведу-

щим частям напряжение прикосновения определяется фазным напряжением

относительно земли и параметрами сети. При прикосновении к заземлённым

проводящим частям электроустановки напряжение прикосновения зависит от

напряжения корпуса относительно земли.

7.2.5 Напряжение шага

Если человек находится вблизи заземлителя или вблизи места контакта

оборванного провода с землёй, с которого стекает ток в землю, то часть тока

может ответвляться и проходить через ноги человека по нижней петле.

Напряжение шага – напряжение между двумя точками на поверхности

земли в зоне растекания тока замыкания, на расстоянии 1 м одна от другой,

которое принимается равным длине шага человека.

Величина тока, проходящего через человека, как и в случае прикоснове-

ния к заземлённым частям, зависит от величины тока замыкания на землю

= f(I

). (7.10)

Во всех случаях, кроме двухфазного прикосновения, в цепи тока через

человека участвует грунт, поскольку одна из точек касания (или обе) находится

на поверхности грунта, и, следовательно, ток, проходящий через человека, за-

висит от величины тока замыкания на землю.

Чтобы выявить эту зависимость и определить ток, проходящий через че-

ловека, надо провести анализ явлений при прохождении тока в грунте в месте

замыкания на землю.

Растекание тока при замыкании на землю. Замыкание на землю - это

случайный электрический контакт между токоведущими частями, находящи-

мися под напряжением, и землёй.

Токоведущая часть – проводящая часть электроустановки, находящаяся

в процессе ее работы под рабочим напряжением, в том числе нулевой рабочий

проводник (но не PEN-проводник).

Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведу-

щими частями и заземлённым корпусом или конструктивными частями обору-

дования, при падении на землю оборванного провода, при повреждении элек-

трической изоляции оборудования и т.п. Во всех этих случаях ток от источника

питания (от токоведущих частей) проходит в землю через электрод, который

осуществляет контакт с грунтом.

Проводящая часть или совокупность соединённых между собой прово-

дящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредст-

венно или через промежуточную проводящую среду называется заземлителем.

Размеры заземлителя (электрода) могут быть различными – от нескольких

сантиметров до десятков и сотен метров. Форма электрода может быть очень

сложной, и закон распределения потенциалов в электрическом поле электрода

определяется сложной зависимостью. Состав, а следовательно, и электрические

свойства грунта неоднородны, особенно если учесть слоистое строение грунта.

Для упрощения картины электрического поля и его анализа, сделаем сле-

дующие допущения: заземлитель имеет форму полусферы; земля однородная и

изотропная; удельное сопротивление земли во много раз больше удельного со-

противления материала заземлителя (металла).

Если другой электрод находится достаточно далеко, то линии тока вблизи

исследуемого заземлителя направлены по радиусам от его центра. При этом

линии тока перпендикулярны как к поверхности самого заземлителя, так и к

любой полусфере в земле, концентричной с ним (рис.7.13).

Стекающий с заземлителя ток создает в грунте с удельным электриче-

ским сопротивлением ρ электрическое поле напряженностью E. Величину этой

напряженности можно определить на основании закона Ома:

jE ⋅=

, (7.11)

где j – плотность электрического тока в зоне растекания в земле.

Поскольку земля однородна и изотропна, ток распределяется по поверх-

ности концентрических полусфер равномерно.

Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии Х от

заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I

к площа-

ди поверхности полушара радиусом X

2 X

⋅π

. (7.12)

Рис.7.13. Растекание тока замыкания на землю через

полусферический заземлитель

Эта поверхность является эквипотенциальной. Выделив на расстоянии Х

от заземлителя элементарный слой толщиной dx, получим падение напряжения

в этом случае:

dxEdU ⋅=

(7.13)