Какое включение в сеть является самым опасным

Анализ опасности поражения человека в электрических сетях

В электрических сетях различают следующие схемы прикосновения человека: однофазное прикосновение (прикосновение к одной фазе) и двухфазное прикосновение (одновременное прикосновение к двум фазам).

Независимо от режима нейтрали электрической сети наиболее опасно двухфазное прикосновение (рис. 5.2, 5.3), так как человек находится под наибольшим напряжением — линейным U_n и ток, проходящий через жизненно важные органы человека (сердце, легкие), составит

Случаи двухфазного прикосновения происходят редко, в основном при работе под напряжением, например, при замене сгоревшего предохранителя на вводе в здание, применении неисправных средств индивидуальной защиты, эксплуатации электрооборудования с неизолированными токоведущими частями (открытые рубильники, поврежденные штепсельные розетки и т. п.).

Рис. 5.2. Опасность однофазного и двухфазного прикосновения человека в электрических сетях с изолированной нейтралью

Рис. 5.3. Опасность однофазного и двухфазного прикосновения человека в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью: PEN-проводник присоединен к заземленной нейтрали источника и одновременно выполняет функции нулевого защитного проводника (РЕ-проводника) и нулевого рабочего проводника (N-проводника)

Однофазное прикосновение возникает чаще, оно менее опасно, чем двухфазное, так как величина тока, проходящего через тело человека, зависит от многих факторов.

В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью до 1 000 В (рис. 5.2) при прикосновении человека к фазе образуется следующая цепь поражения: фаза — тело человека — спецобувь -основание (пол, рабочая площадка и др.) — земля — сопротивление изоляции фаз относительно земли R_>, R₂, R₂ — фаза. Ток, проходящий через тело человека, составит:

Допустим, что значения сопротивления изоляции трех фаз R_ll3 до момента прикосновения равны, т. е. R_ll3 = Rx = R₂ = R3, человек имеет проводящую обувь, стоит на проводящем полу, т. е. сопротивление обуви R_o(> = 0, пола R_n = 0, тогда ток, проходящий через тело человека, равен:

Как видно из этого выражения, в сети с изолированной нейтралью до 1 000 В при нормальном режиме ее работы безопасность человека, прикоснувшегося к одной из фаз, зависит от фазного напряжения сети и сопротивления изоляции проводов относительно земли. Сети с изолированной нейтралью до 1 000 В по условиям электробезопасности применяют на объектах с повышенной опасностью поражения электрическим током в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать уровень сопротивления изоляции согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) на высоком уровне — не менее 0,5 МОм.

В трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью до 1 000 В (рис. 5.3) при прикосновении человека к фазе образуется следующая цепь поражения: фаза — тело человека -спецобувь — основание (пол, рабочая площадка и др.) — рабочее заземление нейтрали — нейтраль — фаза. Если пренебречь сопротивлением спецобуви, основания и земли, тогда ток, проходящий через тело человека, равен:

где R_o — сопротивление рабочего заземления нейтрали, Ом.

Сопротивление рабочего заземления нейтрали R_o согласно ПУЭ в обычных условиях не выше 10 Ом, а расчетное сопротивление тела человека R₄ — 1 000 Ом. Пренебрегая значением R_o без ущерба для точности, получаем, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением, а ток, проходящий через него при нормальном режиме работы электросети, — не зависит от сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли. Поэтому по условиям электробезопасности сети с глухозаземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить изоляцию на высоком уровне, когда нельзя быстро отыскать и устранить повреждение изоляции.

Сопротивление изоляции является комплексным, имеющим реактивную (емкостную) Z и активную г составляющие.

Емкостное сопротивление Z зависит прежде всего от емкости провода относительно земли, которая, в свою очередь, определяется геометрическими размерами, материалом изоляции, ее состоянием: чем больше емкость, тем выше опасность поражения человека.

Активное сопротивление изоляции г определяется тем, что ее механические и диэлектрические свойства с течением времени изменяются, она способна разрушаться от воздействия таких факторов, как температура, электрические и механические воздействия, вибрация, влажность, агрессивность среды, загрязнение и др., что приводит к появлению путей и токов утечки.

При снижении сопротивления изоляции по отношению к первоначальному его значению до эксплуатации на 30 % такой изоляционный материал считают непригодным для практического использования.

Поскольку доминирующим фактором старения изоляции является температура, для оценки стойкости изоляции электротехнических изделий к воздействию температуры приняты классы нагре-востойкости (табл. 5.4).

Классы нагревостойкости электротехнического изделия и соответствующие им температуры

Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях

Прохождение тока через человека, является следствием его прикосновения не менее, чем к двум точкам электрической цепи, между которыми есть некоторая разность потенциалов (напряжение).

Опасность такого прикосновения неоднозначна и зависит от ряда факторов:

Классификация сетей напряжением до 1000 В

Однофазные сети

Однофазные сети разделятся на двухпроводные и однопроводные.

Двухпроводные

Двухпроводные сети делятся на изолированные от земли и с заземлённым проводом.

Изолированные от земли

Однофазная сеть. Двухпроводная изолированная от земли

С заземлённым проводом

Однофазная сеть. Двухпроводная с заземлённым проводом

Данные сети широко используются в народном хозяйстве, начиная с питания малым напряжением переносного инструмента и заканчивая питанием мощных однофазных потребителей.

Однопроводные

В случае однопроводной сети, роль второго провода выполняет земля, рельс и т.д.

Однофазная сеть. Однопроводная

Основное применение данные сети получили в электрифицированном транспорте (электровозы, трамваи, метро и т.д.).

Трёхфазные сети

В зависимости от режима нейтрали источника тока и наличия нейтрального или нулевого проводника могут быть выполнены по четырём схемам.

Нейтральная точка источника тока — точка трехфазной обмотки (генератора или трансформатора), которая характеризуется одинаковым действующим значением напряжения по отношению к любой фазе источника тока. Такая точка получается при соединении обмоток в звезду.

Нулевая точка источника тока — заземлённая нейтральная точка.

Проводник,присоединённый к нейтральной точке, называется нейтральным проводником (нейтралью), а к нулевой точке — нулевым проводником.

1. Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью

Трёхфазная сеть. Трёхпроводная с изолированной нейтралью

2. Трёхпроводная сесть с заземлённой нейтралью

Трёхфазная сеть. Трёхпроводная с заземлённой нейтралью.

3. Четырёх проводная сеть с изолированной нейтралью

Трёхфазная сеть. Четырёхпроводная с изолированной нейтралью.

4. Четырёх проводная сеть с заземлённой нейтралью

Трёхфазная сеть. Четырёхпроводная с заземлённой нейтралью.

При напряжении до 1000В в нашей стране используются схемы «1» и «4».

Схемы включения человека в электрическую цепь

Подробнее о схемах включения человека в цепь см. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках.

Однофазные сети

Изолированная от земли

Прикосновение человека к однофазной двухпроводной изолированной от земли сети. Нормальный режим работы сети.

Чем лучше изоляция проводов относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу.
Прикосновение человека к проводу с большим электрическим сопротивлением изоляции более опасно.

Прикосновение человека к однофазной двухпроводной изолированной от земли сети. Аварийный режим работы сети.

При замыкании провода на землю, человек прикоснувшийся к исправному проводу, оказывается под напряжением, равным почти полному напряжению линии, независимо от сопротивления изоляции проводов.

С заземлённым проводом

Прикосновение человека к незаземлённому проводнику однофазной двухпроводной сети. Нормальный режим работы сети.

В данном случае, человек оказывается практически под полным напряжением сети.

Прикосновение человека к заземлённому проводнику однофазной двухпроводной сети. Нормальный режим работы сети.

В нормальных условиях прикосновение к заземлённому проводу практически не опасно.

Прикосновение человека к заземлённому проводнику однофазной двухпроводной сети. Аварийный режим работы сети.

При коротком замыкании напряжение на заземлённом проводе может достигать опасных значений.

Трёхфазные сети

С изолированной нейтралью

Прикосновение человека к проводу трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью. Нормальный режим работы.

Опасность прикосновения определяется полным электрическим сопротивлением проводов относительно земли, с увеличением сопротивления, опасность прикосновения уменьшается.

Прикосновение человека к проводу трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью. Аварийный режим работы.

Напряжение прикосновения практически равно линейному напряжению сети. Наиболее опасный случай.

С заземлённой нейтралью

Прикосновение человека к проводу трёхфазной четырёхпроводной сети с заземлённой нейтралью. Нормальный режим работы.

Человек в данном случае оказывается практически под фазным напряжением сети.

Прикосновение человека к проводу трёхфазной четырёхпроводной сети с заземлённой нейтралью. Аварийный режим работы.

Величина напряжения прикосновения лежит между линейным и фазным напряжением, зависит от соотношения между сопротивлением замыкания на землю .

Меры обеспечения электробезопасности

Основные защитные средства обеспечивают непосредственную защиту от поражения электрическим током.
Дополнительные защитные средства не могут самостоятельно обеспечить безопасность, но могут помочь при использовании основных средств.

Приниципиальная схема защитного заземления в сетях с изолированной нейтралью до 1000В.

В сетях до 1000 В защитное заземление применяется в сетях с изолированной нейтралью.
Принцип действия заключается в уменьшении до безопасного значения напряжения прикосновения.

Когда заземление невозможно, в целях защиты выравнивают потенциал основания на котором стоит человек и оборудования, путём повышения. Например, соединение ремонтной корзины с фазным проводником ЛЭП.

Заземлители делятся на:
a. Искусственные, предназначенные для целей заземления непосредственно.
b. Естественные, находящиеся в земле металлические предметы иного назначения, которые могут быть использованы в качестве заземлителей. Исключения по критерию взырвопожароопасности (газопроводы и т.д.).

Сопротивление заземления должно быть не более нескольких Ом. При этом со временем в результате коррозии сопротивление заземлителя возрастает. Поэтому его величина должна периодически контролироваться (зима/лето).

Приниципиальная схема защитного зануления в сетях до 1000В с заземлённой нейтралью.

Область применения — электроустановки с заземлённой нейтралью с напряжением до 1000В.

Принцип действия — превращение замыкания на корпус оборудования в однофазное короткое замыкание, с последующим отключением оборудования по превышению максимально допустимой силы тока.

Токовая защита реализуется либо с помощью автоматических выключателей, либо плавких предохранителей. Особое внимание необходимо уделить выбору толщины нулевого защитного провода, достаточной для проведения тока короткого замыкания.

Данный вид защиты срабатывает, когда токи входящий и выходящий в отслеживаемом контуре не совпадают по величине т.е., когда имеет место быть утечка тока. Например, при прикосновении человека к фазному проводу, часть тока уходит мимо основного контура в землю, что и вызывает отключение питания оборудования в контролируемом контуре. Подробнее, см. здесь.

16. Какие схемы включения человека в сеть являются наиболее опасными?

Наиболее характерными являются две схемы включения человека в сеть: между двумя фазами электрической сети и между одной фазой и землей.

Двухфазное включение представляет собой одновременное присоединение человека к двум различным фазам одной и той же сети, находящейся под напряжением. При этом человек оказывается включенным на полное линейное напряжение установки. Двухфазное прикосновение является, как правило, более опасным.

Однофазное прикосновение является, как правило, менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток, проходящий через тело человека, ограничивается влиянием многих факторов. Оно возникает во много раз чаще, чем двухфазное прикосновение. Поэтому при анализе опасности поражения электрическим током рассматривают только однофазное прикосновение человека к электрической цепи.

Наиболее опасная петля прохождения электрического тока

«голова — руки» через сердце проходит 7% общего тока.

Наиболее тяжелое поражение вероятно, если на пути тока оказывается сердце, легкие, грудная клетка, головной или спинной мозг, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы. Если ток проходит иными путями, то воздействие его на органы может быть рефлекторным ,а не непосредственным. При этом опасность тяжелого поражения хотя и сохраняется, но вероятность ее резко снижается.

Наиболее опасными являются петли голова – руки и голова — ноги , когда ток может проходить через головной и спинной мозг (но эти петли возникают относительно редко).

Наименее опасен путь «нога – нога», который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого напряжения шага.В этом случае через сердце проходит, очевидно, небольшой ток . Но надо иметь в виду, что имелись факты смертельного исхода при протекании тока через палец руки, с одной его стороны на другую.

По данным статистики потеря трудоспособности на 3 дня и более при пути тока « рука-рука» в 83% случаев, « левая рука — ноги» в 80%, «правая рука-ноги»-87%, « нога-нога» в 15%. Таким образом, путь тока влияет на исход поражения; ток в теле человека проходит не обязательно по кратчайшему пути, что объясняется большой разницей в удельном сопротивлении

Рис.1 Пути прохождения тока: а) левая рука – ноги; б) рука – рука; в) правая рука – ноги; г) нога — нога

Как избежать поражения электрическим током

Чтобы предотвратить поражение человека электричеством, необходимо не допустить возможность телесного контакта с деталями и проводниками под напряжением. Поэтому все работы выполняться с применением необходимых защитных средств. К числу основных средств индивидуальной защиты этого типа относятся диэлектрические перчатки и боты, диэлектрические коврики и подставки и т.д.

При работе обязательно применяется изолированный инструмент. Персонал в обязательном порядке проходит инструктаж, работники должны знать, как избежать поражения. Перед выполнением работ обязательно обесточить соответствующий участок сети. При этом на рубильнике или выключателе должна быть выставлена информационная табличка о запрете включения сети. Не допускается выполнение любых манипуляций с проводниками под напряжением.

Индикаторная отвертка HR28-C (12-250V)

Проверить наличие напряжения можно при помощи специальных индикаторных приборов. Самым простым и доступным среди таких приборов является индикаторная отвертка.

Если имеются сомнения, под напряжением ли проводник, работать с ним нельзя!

Влияние постоянного и переменного тока различной частоты на исход поражения

Значения тока проходящего через человека, мА	Характер воздействия
	Переменный ток, 50-60 Гц	Постоянный ток
0,5-1,5	Начало ощущения, легкое дрожание пальцев руки	Не ощущается.
2,0-3,0	Сильное дрожание пальцев рук. Ощущение доходит до запястья.	Не ощущается.
5,0-7,0	Легкие судороги в руках, болевые ощущения.	Зуд. Ощущение нагрева.
8,0-10,0	Руки трудно, но еще можно оторвать от электродов. Сильные боли в пальцах, кистях рук и предплечьях.	Усиленное ощущение нагрева
20,0-25,0	Паралич рук, оторвать их от электродов невозможно. Очень сильные боли. Дыхание затруднено.	Еще большее усиление нагрева. Незначительное сокращение мышц рук.
50-80	Остановка дыхания. Начало фибрилляции сердца.	Сильное ощущение нагрева. Сокращение мышц рук. Судороги, затруднение дыхания.
90-100	Остановка дыхания. При длительности более 3 сек. Остановка сердца.	Остановка дыхания.

При быстром разрыве цепи даже небольшой постоянный ток (ниже порога ощущения) дает очень резкие удары, иногда вызывающие судороги мышц рук. Наиболее опасен ток частотой 50-60 Гц. Опасность действия тока снижается с увеличением частоты, но ток в 500 Гц не менее опасен, чем в 50Гц.

Резюме

• Поражение электрическим током может произойти только при контакте между двумя точками цепи; то есть когда к телу пострадавшего прикладывается напряжение.
• Цепи электропитания обычно имеют определенную точку, которая «заземлена»: надежно соединена с металлическими стержнями или пластинами, закопанными в землю, чтобы гарантировать, что одна сторона цепи всегда имеет потенциал земли (нулевое напряжение между этой точкой и землей).
• Замыкание на землю – это случайное электрическое соединение проводника цепи с землей.
• Для защиты людей от электрических ударов через заземление изготавливаются специальные изолирующие ботинки, галоши и коврики, но даже эти специальные средства, чтобы быть эффективными, должны быть в чистом и сухом состоянии. Обычная обувь, при изоляции ее владельца от земли, недостаточна для защиты от электрических ударов.
• Хотя земля является плохим проводником, она может проводить достаточный ток, чтобы ранить или убить человека.

• Shock Current Path

Эффект действия тока высокого напряжения на организм

Давно были отмечены поразительные случаи выживания людей, подвергшихся действию тока большой силы при высоком напряжении. Основоположник науки об опасности электричества австрийский ученый Еллинек в начале 20 столетия описал случай выздоровления пострадавшего после поражения, которое привело к сгоранию предохранителя на 40А.

Такое парадоксальное несоответствие между силой тока и результатами его действия на организм нашло, однако, исчерпывающее объяснение при испытании действия сильного тока на животных.

Эти испытания показали, что действие тока высокого напряжения вызывает не фибрилляцию, и лишь временную остановку сердца, которое после выключения тока возобновляет свою нормальную деятельность. Измерение силы тока, протекающего непосредственно через сердце (в опытах на собаках), показало, что ток 10-15мА вызывает фибрилляцию; ток 0,8А (через широкие электроды, наложенные по обеим сторонам сердца) фибрилляции не вызывает, а ток силой более 1А способен прекратить фибрилляцию сердца. Способность тока указанной (И большей) величины прекратить фибрилляцию широко используется в настоящее время в клиниках для восстановления деятельности сердца, нарушенной во время операции и от других причин.

Таким образом, выживание людей, оказавшихся под высоким напряжением и подвергшихся действию тока в десятки А, можно объяснить тем, что под действием такого тока не возникает фибрилляции сердца. Столь противоречивые на первый взгляд последствия действия слабого и сильного тока на организм связаны с особенностями реакции сердца на действие тока различной силы.

Прохождение тока 0,1-5А через организм вызывает фибрилляцию сердца и нарушает его работу; более сильный ток не вызывает такого нарушения работы сердца. Кратковременное действие сильного тока вызывает нарушение функции нервной системы, что приводит к длительной остановке дыхания. Однако пострадавший может остаться в живых, если своевременно начать проводить искусственное дыхание.

При более продолжительном действии тока высокого напряжения может наступить смерть из-за физических повреждений, причиняемых таким током (обширные и глубокие ожоги, а также разрушение внутренней структуры тканей организма). Однако известны случаи выздоровления людей после электротравм, вызывающих даже обугливание и последующее выпадение значительных участков костей черепа.

Замыкания на землю

Замыкания на землю могут быть вызваны многими причинами, включая накопление грязи на изоляторах линий электропередач (создание для тока пути через грязную воду от проводника к опоре линии электропередач и к земле, когда идет дождь), проникновение грунтовых вод в подземные линии электропередач, и птицы, приземляющиеся на линии электропередачи, устанавливая своими крыльями замыкание между линией и опорой линии электропередач.

Учитывая множество причин замыканий на землю, они, как правило, непредсказуемы. В случае с деревьями никто не может гарантировать, какого провода могут коснуться их ветви. Если бы дерево задело верхний провод в цепи, это сделало бы верхний провод безопасным для прикосновения, а нижний опасным; а, если дерево касается нижнего провода, это приведет в точности к противоположному сценарию:

Рисунок 6 – Влияние случайного замыкания на землю на опасность поражения электрическим током

Когда ветка дерева соприкасается с верхним проводом, этот провод становится заземленным проводником в цепи, электрически общим с заземлением. Следовательно, между этим проводом и землей нет напряжения, а появляется полное (высокое) напряжение между нижним проводом и землей.

Как упоминалось ранее, ветви деревьев являются лишь одним потенциальным источником замыканий на землю в энергосистеме. Рассмотрим незаземленную энергосистему без соприкосновения деревьев, но на этот раз с двумя людьми, касающимися отдельных проводов:

Рисунок 7 – Опасность поражения электрическим током при касании двух людей к точкам цепи, не имеющей заземления

Когда два человека стоят на земле, контактируя с разными точками цепи, путь для тока электрического удара проходит через одного человека, через землю и через другого человека. Хотя каждый человек думает, что он находится в безопасности, касаясь только одной точки в цепи, их совместные действия создают смертельный сценарий. Фактически, один человек действует как замыкание на землю, что делает его небезопасным для другого человека.

Именно поэтому незаземленные энергосистемы опасны: напряжение между любой точкой цепи и землей непредсказуемо, потому что замыкание на землю может возникнуть в любой точке цепи в любое время. Единственный персонаж, который гарантированно будет в безопасности в этих сценариях, – это птица, которая вообще не связана с землей!

После надежного подключения указанной точки цепи к заземлению («заземления» цепи) безопасность может быть обеспечена, по крайней мере, в этой точке. Это бо́льшая гарантия безопасности, чем полное отсутствие заземления.

Отвечая на второй вопрос, обувь на резиновой подошве действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, чтобы защитить человека от проведения электрического тока через ступни. Однако наиболее распространенные конструкции обуви не являются электрически «безопасными», поскольку их подошва слишком тонкая и состоит из неподходящего материала.

Кроме того, любая влага, грязь или токопроводящие соли из пота тела на поверхности подошвы или проникающие сквозь нее могут поставить под угрозу ту небольшую изолирующую ценность, которую обувь должна была иметь изначально. Существует обувь, специально предназначенная для опасных работ с электричеством, а также толстые резиновые коврики, на которых можно стоять во время работы с цепями под напряжением, но эти специальные средства, чтобы быть эффективными, должны применяться в абсолютно чистом и сухом состоянии.

Достаточно сказать, что обычной обуви недостаточно, чтобы гарантировать защиту от поражения электрическим током от электросети.

Исследования контактного сопротивления между частями человеческого тела и точками контакта (например, с землей) показывают широкий диапазон значений (информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы):

• контакт для рук или ног, изолированных резиной (резиновые сапоги или перчатки): обычно 20 МОм;
• контакт ступни через кожаную (сухую) подошву обуви: от 100 кОм до 500 кОм;
• контакт ступни через кожаную (влажную) подошву обуви: от 5 кОм до 20 кОм.

Как видите, резина не только является гораздо лучшим изолирующим материалом, чем кожа, но и присутствие воды в пористом веществе, таком как кожа, значительно снижает электрическое сопротивление.

Отвечая на третий вопрос, земля – не очень хороший проводник (по крайней мере, когда она сухая!). Из нее слишком плохой проводник, чтобы поддерживать постоянный ток для питания нагрузки. Однако, как мы увидим в следующем разделе, чтобы ранить или убить человека, требуется очень небольшой ток, поэтому даже плохой проводимости земли достаточно, чтобы обеспечить путь для смертельного тока при наличии достаточного напряжения, которое обычно используется в системах электропитания.

Некоторые поверхности земли лучше изолируют, чем другие. Например, асфальт на нефтяной основе имеет гораздо большее сопротивление, чем большинство видов земли или камней. Бетон, напротив, имеет довольно низкое сопротивление из-за внутреннего содержания воды и электролита (проводящего химического вещества).