Тема № 12: «ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ»
12.1. Действие электрического тока на организм человека, причины электротравматизма
Электрические установки представляют для человека большую потенциальную опасность, которая усугубляется тем, что органы чувств человека не могут на расстоянии обнаружить наличие электрического напряжения на оборудовании. Статистика электротравм показывает, что их число невелико и составляет всего 0,5 – 1% от общего числа травм на производстве. Однако среди причин смертельных несчастных случаев на долю электротравм уже приходится 20 – 40%. Много несчастных случаев происходит при обслуживании широко распространенных электроустановок, рассчитанных на напряжение от 220 до 380 В.
Проходя через тело человека, электрический ток оказывает следующие виды воздействий:
- термические – ожоги, нагрев кровеносных сосудов, нервов;
- электролитическое – разложение крови и лимфатической жидкости;
- биологическое – раздражение и возбуждение нервных волокон и других органов и тканей организма, сопровождающееся судорогами мышц тела, сердца, легких, что приводит к нарушению или полному прекращению деятельности отдельных органов.
Эти воздействия приводят к электротравмам (ожогам, электрическим знакам, металлизации кожи, механическим повреждениям, электроофтальмии) и электрическим ударам. Приблизительно в 55 % случаев травмы носят смешанный характер.
Электрический ожог возникает в результате теплового воздействия электрического тока в месте контакта с неизолированными токоведущими частями. Он может быть поверхностный (токи промышленной частоты до 100 Гц) или внутренний (для токов частотой десятки и сотни кГц). Количество тепла (Q, Дж), выделяемого в ткани, определяется законом Джоуля-Ленца
Q = Iч2· Rч · τ, (12.1)
где Iч – сила тока, проходящая через человека, А;
Rч – сопротивление тела человека, Ом;
τ – время протекания тока.
Электрический знак – четко выраженное пятно серого или бледно-желтого цвета диаметром 1 мм; вызванное механическим и химическим воздействием тока, безболезненно и со временем исчезает.
Металлизация кожи – поражение кожи проникновением частиц расплавившегося под действием электрической дуги металла.
Элетроофтальмия – воспаление наружных оболочек глаз из-за воздействия ультрафиолетовых лучей электрической дуги.
Механические повреждения – разрывы кожи, вывихи, переломы костей, вызванные непроизвольными сокращениями мышц под воздействием тока.
Электрический удар является очень серьезным поражением организма человека, вызванным возбуждением живых тканей тела электрическим током и сопровождающимся судорожным сокращением мышц. В зависимости от возникающих последствий электрические удары делят на четыре степени: I – судорожное сокращение мышц без потери сознания; II - судорожное сокращение мышц c потерей сознания, но с сохранившимся дыханием и работой сердца; III – потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого); IV – состояние клинической смерти.
Тяжесть поражения электрическим током зависит от целого ряда факторов: силы тока, пути прохождения, электрического сопротивления тела человека и длительности протекания через него тока, рода и частоты тока, индивидуальных свойств человека и условий окружающей среды и др.
Основным фактором, обуславливающим степень поражения человека, является сила тока. Для характеристики воздействия электрического тока на человека установлены три критерия: пороговый ощутимый ток (наименьшее значение силы электрического тока, вызывающего при прохождении через организм человека ощутимые раздражения); пороговый неотпускающий ток (наименьшее значение силы электрического тока, вызывающего судорожное сокращение мышц руки, в которой зажат проводник) и пороговый фибрилляционный ток (наименьшее значение силы электрического тока, вызывающего при прохождении через тело человека фибрилляцию сердца). Фибрилляцией называются хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы, полностью нарушающие ее работу как насоса. При протекании тока по пути «рука-рука» или «рука-ноги» значения силы тока следующие:
Таблица 12.1Значения силы тока
| Род тока | Пороговый ощутимый ток, мА | Пороговый неотпускающий ток, мА | Пороговый фибрилляционный ток, мА |
| Переменный ток частотой 50 Гц | 0,5…1,5 | 6 … 10 | 80 … 100 |
| Постоянный ток | 5,0 …7,0 | 50 … 80 |
На исход поражения сильно влияет сопротивление тела человека, которое изменяется в очень больших пределах. Наибольшее сопротивление обладает верхний слой кожи толщиной около 0,2 мм, состоящей из мертвых ороговевших клеток. Например, удельное электрическое сопротивление сухой кожи составляет 3·103 – 2 ·104 Ом·м, а спинномозговой жидкости – 0,5 – 0,6 Ом·м. Общее электрическое сопротивление тела человека при сухой, чистой и неповрежденной кожи (измереннное при напряжении до 15 – 20 В) находится примерно в пределах 3 – 1000 кОм и более; сопротивление внутренних тканей тела – 300 – 500 Ом. При различных расчетах, связанных с обеспечением электробезопасности и расследовании электротравм, сопротивление тела человека принимают равным 1кОм.
Длительность протекания тока очень сильно влияет на исход поражения в связи с тем, что с течением времени резко падает сопротивление кожи человека, более вероятным становится поражение сердца и накапливаются другие отрицательные последствия. Например, для переменного тока частотой 50 Гц предельно допустимый ток при продолжительности воздействия 0,1 с составляет 500 мА, а при воздействии в течение1 с - уже 50 мА (ГОСТ 12.1.038-82).
Существенное значение имеет и путь тока через тело человека. Наибольшая опасность возникает при непосредственном прохождении тока через жизненно важные органы (сердце, легкие, головной мозг). Статистические данные, например, показывают, что число травм с потерей сознания при прохождения тока по пути «правая рука – нога» составляют 87 %; по пути «нога – нога» - 15 %.
Степень поражения зависит также от рода и частоты тока. Наиболее опасным является переменный ток частотой от 20 до 1000 Гц. Переменный ток опаснее постоянного, но это характерно для напряжений до 250… 300 В; при больших напряжениях опаснее становится постоянный ток.
Индивидуальные свойства человека и состояния окружающей среды оказывают заметное влияние на тяжесть поражения. Некоторые заболевания человека (болезни кожи, сердечно-сосудистые системы, легкие, нервные болезни и др.) делают его более восприимчивым к электрическому току. Поэтому к обслуживанию электроустановок допускаются лица, прошедшие специальный медицинский осмотр.
Влияние состояния окружающей среды учитывается классификацией помещений и условий труда по опасности поражения электрическим током.
Для правильного проектирования способов и средств защиты людей от поражения электрическим током необходимо знать допустимые уровни напряжений прикосновения и значений токов, протекающих через тело человека.
Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения установлены ГОСТ 12.1.038-82 для путей тока от одной руки к другой и от руки к ногам.
Напряжение прикосновения Uпр и сила тока I, протекающего через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать следующих значений.
Таблица 12.2
| Род тока | Uпр, В (не более) | I, мА (не более) |
| Переменный, 50 Гц | 0,3 | |
| Переменный, 400 Гц | 0,4 | |
| Постоянный |
Примечание. Напряжения прикосновения и токи приведены при продолжительности воздействия не более 10 мин в сутки и установлены, исходя из реакции ощущения. Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 20ºС) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в 3 раза.
В ГОСТ 12.1.038-82 приведены также предельно допустимые уровни напряжении прикосновения и токов при аварийных режимах производственных электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземленной или изолированной нейтралью и выше 1000 В с изолированной нейтралью.
Предельно допустимые уровни силы тока, протекающие через тело человека при продолжительности воздействия свыше одной секунды, соответствуют отпускающим (переменным) и не болевым (постоянным) токам. Такие токи (6 мА для переменного с частотой 50 Гц и 15 мА для постоянного) позволяют человеку самостоятельно освободиться от токоведущих частей. Их можно считать длительно допустимыми, если отсутствуют дополнительные обстоятельства, усугубляющие опасность. Например, если человек работает на высоте или вблизи движущихся или вращающихся частей оборудования, то резкие, непроизвольные движения, вызванные воздействием длительно допустимого тока, могут привести к травме.
Анализ условий поражения человека электрическим током. Профилактика электротравматизма
Поражения человека электрическим током или электрической дугой может произойти в следующих случаях:
- при однофазном (однополюсном) прикосновении не изолированного от земли человека к неизолированным токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением;
- при одновременном соприкосновении с двумя неизолированными частями (фазами, полюсами) электроустановок, находящихся под напряжением;
- при приближении человека, не изолированного от земли, на опасное расстояние к токоведущим, не защищенным изоляцией частям электроустановок, находящихся под напряжением;
- при прикосновении человека, не изолированного от земли, к нетоковедущим металлическим частям (корпусам) электроустановок, оказавшимся под напряжением из-за замыкания на корпус;
- при соприкосновении человека с двумя точками земли (грунта), находящимися под разными потенциалами в поле растекания тока (включение под «напряжение шага»);
- при действии атмосферного электричества во время разряда молнии;
- из-за действия электрической дуги;
- при освобождении другого человека, находящегося под напряжением.
Электрическим замыканием на корпус называется случайное электрическое соединение токоведущей части с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.
Поражение человека возможно при случайном прикосновении к токоведущим частям электрической сети и зависит от схемы самой сети, режима нейтрали сети, качества изоляции токоведущих частей от земли, емкости токоведущих частей относительно земли и т. п.
Наибольшую опасность представляет двухфазное (двухполюсное) прикосновение (рис. 12.1 а, б), так как в этом случае человек оказывается под рабочим напряжением сети, и проходящий через него ток будет равен:
- в сети постоянного тока или однофазной сети
I ч = U раб /R ч , (12.2)
где U раб – рабочее напряжение в сети; R ч - сопротивление человека;
- в трехфазной сети
I ч = Uл/ R ч = 
U ф/ R ч, (12.3)
где U л – линейное напряжение сети; U ф – фазовое напряжение сети.
В этом случае значение проходящего через тело человека тока зависит только от напряжения сети и сопротивления человека. Статистика электротравм показывает, что такие случаи происходят сравнительно редко.
Рис. 12.1. Двухфазное (двухполюсное) прикосновение к токоведущим частям: а) в сети постоянного тока или в однофазной сети; б) в трехфазной сети
Наибольшее число электротравм связано с однофазным (однополюсным) прикосновением человека к токоведущим частям, при этом напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазового напряжения. В этом случае на протекающий через тело человека ток влияет режим нейтрали сети, сопротивление изоляции и емкость фаз относительно земли.
На рис. 12.2, а показана трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью. В такой сети напряжением до 1000 В, при условии ее малой протяженности, емкостным сопротивлением изоляции можно пренебречь, и тогда ток, проходящий через человека, будет равен:
I ч = 3 U ф/(3 R ч + rиз), (12.4)
где rиз – сопротивление изоляции фаз сети относительно земли.
Сеть с заземленной нейтралью характеризуется тем, что нейтральная точка источника питания соединена с землей через малое сопротивление R о (рис. 12.2, б). Ток, проходящий через человека, коснувшегося фазы в такой сети, практически не зависит от состояния изоляции и определяется выражением
I ч = U ф/(R ч + R о).. (12.5)
Так как R о невелико, им можно пренебречь, и выражение принимает вид:
I ч = U ф/ R ч (12.6)
Рис. 12.2. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям: а) в сети с изолированной нейтралью; б) в сети с заземленной нейтралью
Предыдущие рассуждения касались нормальной работы сети. При аварийных режимах сети (замыкание на корпус или замыкании на землю) условия изменяются.
В сетях напряжением выше 1000 В опасность однофазного и двухфазного соприкосновения практически одинакова. Любое из этих прикосновений очень опасно.
Поражение человека может произойти, если он окажется под шаговым напряжением. Шаговым напряжением (напряжением шага) называется напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (0,8 м) и на которых одновременно стоит человек. Такой случай может возникнуть, если человек окажется в зоне растекания тока, которая образуется вокруг любого проводника, оказавшегося в земле или на земле. Наибольший электрический потенциал будет в месте соприкосновения проводника с землей. По мере удаления от этого места потенциал поверхности грунта уменьшается и на расстоянии, примерно равном 20 м, может быть принят равным нулю. Протекание тока по пути «нога - нога» менее опасно, чем по пути «рука - ноги». Однако известно немало несчастных случаев при воздействии шагового напряжения. Поражение при этом усугубляется тем, что из-за судорожных сокращений мышц ног человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль тела человека через жизненно важные органы. Кроме того, рост человека больше длины его шага и это обусловливает большую разность потенциалов.