Электробезопасность для человека

высокой температуры, когда температура воздуха длительно (свыше суток) превышает +35 °С;

токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т.п.;

токопроводящях полов - металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и т.п.;

возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т.п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования - с другой.

 

Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность:

особой сырости, когда относительная влажность воздуха близка к 100 %,

химически активной или органической среды (в таких помещениях постоянно или в течение длительном времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень, действующие разрушающе на изоляцию и токоведущие части электрооборудования);

одновременным наличием двух и более условий, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Остальные помещения относятся к помещениям без повышенной опасности.

Заземлению подлежат металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, ручных инструментов и т.п.; приводы электрических выключателей и разъединителей, каркасы и ограждения щитов, пультов и шкафов и т.п.

 

Растекание тока в земле

При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства. При этом возникает опасность поражения человека током, так как между корпусов оборудования и землей, а также между отдельными точками грунта, где могут находиться люди, возникают напряжения.

Чтобы определить степень опасности поражения людей электрическим током при замыкании на землю, т.е. величину тока, проходящего через человека, находящегося вблизи места замыкания на землю или касающегося заземленного корпуса электрооборудования, рассмотрим закон распределения потенциалов на поверхности земли при растекании в нем тока.

Форма заземлителя может быть очень сложной. Состав, а следовательно, электрические свойства грунтов, как правило, неоднороден, особенно если учесть слоистое строение грунта. Поэтому закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью.

Чтобы упростить картину электрического поля и его анализ, сделаем следующие допущения: заземлитель имеет форму полусферы; грунт (земля) однородный и изотропный; удельное сопротивление грунта во много раз больше удельного сопротивления 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 грунте, концентричной с ним (рис.4.0.1).

 

 

 

 

 

Рис.4.0.1. Растекание тока замыкания на землю 
в грунте через полусферический заземлитель

 

 

 

 

 

 

 

Стекающий с заземлителя ток создает в грунте с удельным электрическим сопротивлением ρ электрическое поле напряженностью Ε. Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома:

,

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

Поскольку грунт однородный и изотропный, ток распределяется по поверхности электрических полусфер равномерно. Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии x от заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю Jз, к площади поверхности полушара радиусом X :

(2)

Эта поверхность является эквипотенциальной.

Выделив на расстоянии х от заземлителя элементарный слой толщиной dх, получим падение напряжения в этом слое:

DU=Edx (3) 
Потенциал произвольно выбранной точки А, т.е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, найдем из выражения

(4)

Решая совместно уравнения (I) - (4), получим

(5)

Если приравнять

,

то получим уравнение гиперболы:

Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника - грунта, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя.

Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Те точки поверхности грунта, потенциал которых может быть принят равным нулю, называются электротехнической землей. Плотность тока в электротехнической земле также может быть принята равной нулю.

Зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю, называется зоной растекания тока замыкания на землю.

Принято считать, что электротехническая земля в зависимости от свойств грунта начинается с расстояния 10-20 м от заземлителя, так как на этом расстоянии и далее потенциал грунта не превышает нескольких процентов от потенциала заземлителя.

Таким образом, при полушаровом заземлителе потенциал точек на поверхности земли изменяется по гиперболе. Если пренебречь точками, расположенными в непосредственной близости от заземлителя, полученная зависимость может быть с некоторым приближением использована для изучения поля растекания и при других заземлителях (стержень под уголок).

Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель. На поверхности заземлителя, где расстояние от центра равно rз, потенциал или напряжение заземлителя относительно земли

(6)

здесь Rз - сопротивление растеканию тока.

Если какая-либо точка электрической цепи оказывается в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток Iз, потенциал заземлителя φз сообщается и данной точке. Это обстоятельство, благодаря которому в результате, контакта с заземлителем любая точка электрической цепи может создать свой потенциал 
(напряжение относительно земли) до величины IзRз, используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.

Определение величины тока однофазного замыкания на землю

Электрическим замыканием на землю называется случайное электрическое соединение токоведущей части непосредственно с землей или нетоковедущими проводящими конструкциями, или предметами, не изолированными от земли.

Током замыкания на землю называется ток, проходящий через место замыкания на землю.

 

 

 

 

 

Рис.4.0.2. Схема измерения; величины тока однофазного замыкания на землю

 

 

 

 

 

Величина тока однофазного замыкания на землю в общем случае зависит от режима нейтрали (изолированная или глухозаземленная нейтраль), мощности, протяженности и конструкции сети (воздушная или кабельная), состояния 
изоляции и емкости проводов и т.п.

Некоторые параметры электрических сетей в процессе их эксплуатации изменяются. Поэтому определить величину тока однофазного замыкания на землю аналитическим путём довольно трудно. На практике обычно величину тока замыкания на землю определяют путем измерения с помощью амперметра, включенного в заземляющий провод непосредственно через трансформатор тока (рис.4.0.2).

В целом токи замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В обычно невелики. В установках и помещениях без повышенной опасности, с нормальными условиями среды этот ток не превышает нескольких ампер; в особо опасных помещениях он пожег достигать десятков ампер.

Напряжения прикосновения и шага

Напряжение прикосновения - напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

 

 

Рис.4.0.3. Напряжение прикосновения к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением

 

 

 

 

 

Для человека, стоящего на грунте и касающегося заземленного корпуса, оказавшегося под напряжением (рис. 4.0.3), напряжение прикосновения

Uпр= φр - φн ,                                  (7)

где φр, φн - соответственно величины потенциалов руки и ног.

Так как человек касается корпуса, то потенциал корпуса (напряжение его относительно земли)

φк = φр

На рис.3 показаны два корпуса потребителей (I и 2), присоединенных к заземлителю Rз. Потенциалы всех корпусов одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводником, сопротивление которого мало. Для упрощения анализа падением напряжения в заземляющих проводниках ввиду его малости будем пренебрегать и считать, что Uк=Uз, т.е. напряжения корпуса и заземлителя относительно земли равны между собой.

Как видно на рис.3, потенциалы ног человека зависят от его 
местоположения относительно заземлителя. По мере удаления от заземлителя потенциалы ног человека уменьшаются (φ1 > φ2).

Следовательно, по мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения в соответствии с выражением (7) возрастает (Uпр2>Uпр1) и у корпуса потребителя, находящегося за пределами зоны растекания тока, оно равно напряжению корпуса относительно земли, так как человек стоят на земле, где потенциал ног равен нулю.

В общем случае напряжение прикосновения может быть определено из выражения

Uпр =  α1α2Uз ,                (8)

где α1 - коэффициент напряжения прикосновения, учитывавший форму потенциальной кривой (зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения точки, в которой он определяется относительно заземлителя), α1=0,1...0,75;

α2  -   коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека (сопротивление обуви и сопротивление опорной поверхности ног растеканию тока или сопротивление пола).

Напряжение шага - напряжение между двумя точками цепи тока, которые находятся одна от другой на расстоянии шага (0,8 м) и на которых одновременно стоит человек.

 

 

 

Рис. 4.0.4. Напряжение шага

 

 

 

 

 

 

 

Человек, находящийся в зоне растекания, оказывается под напряжением шага, если его ноги находятся в точках А и В с разными потенциалами (рис. 4.0.4):

Uш=φA- φB,                 (9)

Как видно из рис.4, по мере удаления от заземлителя величина напряжения шага уменьшается (Uш1>Uш2). Человек, находящийся вне зоны растекания тока замыкания на землю, вообще не попадает под напряжение шага, так как потенциалы обеих ног человека равны нулю.

В общем случае напряжение шага так же, как и напряжение прикосновения, может быть выражено через напряжение заземлителя:

Uш = β1β2Uз,              (10)

где β1, - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, β1 = 0,10...0,15;

β2 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи (сопротивление обуви и сопротивление пола).

 

Нормирование параметров защитного заземления

Поскольку заземление должно обеспечивать безопасность при прикосновении к нетоковедущим частям, случайно оказавшимся под напряжением, то величина напряжений прикосновения не должна превосходить предельно допустимых уровней:

Uпр≤ Uпр.д,                (11)

 

Согласно ГОСТ 12.1.038-82 предельно допустимый уровень напряжения прикосновения для установок переменного тока напряжением до 1000 В при продолжительности воздействия тока свыше 1 с принимается равным 36 В.

Исходя из приведенных условий, можно нормировать сопротивление заземления и коэффициенты напряжения прикосновения α1 и шага β1, учитывая величину тока замыкания на землю в данной установке.

Действующие Правила устройства электроустановок предусматривают расчет заземления исходя из заданных значений сопротивлений заземляющих устройств Rз.

Наибольшие допустимые величины Rз установлены ГОСТ 12.1.030-81: для установок с рабочим напряжением до 1000 В - не более 10 Ом, для установок с рабочим напряжением > 1000 В - не более 250/Iз Ом,

Если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 и выше 1000 В, то сопротивление заземления принимается не более 125/Iз

Расчетная сила тока замыкания на землю Iз, должна быть определена для той из возможных в эксплуатации схемы сети, при которой имеет наибольшее значение.

 

Измерение величины сопротивления защитного заземления

Сопротивление заземления складывается из сопротивления почвы растеканию тока в объеме между заземляющим устройством (заземлителем) и точками почвы с нулевым потенциалом, а также переходного сопротивления от заземлителя к почве и сопротивления заземляющих проводников. Два последних сопротивления обычно очень незначительны (порядка сотых долей) и при расчете не учитываются.

Сопротивление защитного заземления (заземляющего устройства) является его важнейшим параметром, „поэтому измерение должно выполняться весьма тщательно. Сопротивление заземления необходимо измерять в периоды наименьшей проводимости грунта: зимой при наибольшем его промерзании, летом при наибольшем просыхании.