Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях

Точка соединения обмоток питающего трансформатора (гене­ратора) называется нейтральной точкой или нейтралью. Нейтраль источника питания может быть изолированная и заземленная.

Заземленной называется нейтраль генератора (трансформато­ра), присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Изолированной называется нейтраль генератора или трансфор­матора, не присоединенная к заземляющему устройству или присо­единенная к нему через большое сопротивление (приборы сигнали­зации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы).

Поражение человека электрическим током возникает при за­мыкании электрической цепи через тело человека. Это происходит в случае прикосновения человека не менее чем к двум точкам элек­трической цепи, между которыми имеется некоторое напряжение. Включение человека в цепь может произойти по нескольким схе­мам: между проводом и землей, называемое однофазным включе­нием; между двумя проводами — двухфазным включением. Эти схемы наиболее характерны для трехфазных сетей переменного тока. Возможно также включение между проводами и землей од­новременно; между двумя точками земли, имеющими разные по­тенциалы, и т. п.

Однофазное включение представляет собой непосредствен­ное соприкосновение человека с частями электроустановки или обо­рудования, нормально или случайно находящимися под напряжени­ем. При этом степень опасности поражения будет различной в за­висимости от того, имеет ли электрическая сеть заземленную или изолированную нейтраль, а также в зависимости от качества изо­ляции проводов сети, ее протяженности, режима работы и ряда дру­гих параметров.

При однофазном включении в сеть с изолированной и заземлен­ной нейтралью человек попадает под фазное напряжение, которое в 1,73 раза меньше линейного, и подвергается воздействию тока, который зависит от фазного напряжения установки, сопротивления телачеловека, обуви, пола, заземления нейтрали, изоляции.

При однофазном включениив трехфазную четырехпроводную сеть с заземленной нейтралью силу тока, проходящего че­рез тело человека, можно выразить как:

I_ч=U_ф/(R_ч+r_п+r_о+r_н)

=> I_ч R_ч= U_фR_ч/(R_ч+r_п+r_о+r_н)

где U_ф – фазное напряжение. В; R_ч- сопротивление тела человека, Ом; r_п - сопротивление пола, на котором находится человек. Ом; r_о— сопротивление обуви. Ом; r_н — сопротивление заземления нейтрали. Ом; U_пр - напряжение прикосновения, В.

В качестве примера рассмотрены два случая однофазного вклю­чения человека в трехфазную четырехпроводную электрическую цепь с заземленной нейтралью при линейном напряжении

U_л= 380В; U_л = U_ф = 1,73 U_ф

Случай с неблагоприятными условиями. Человек, прикоснув­шийся к одной фазе, находится на сыром грунте или токопроводящем (металлическом) полу, его обувь сырая или имеет металли­ческие гвозди. В соответствии с этим принимаются сопротивления: тела человека = 1000 Ом; грунта или пола r_п = 0; обуви r_о = 0. Сопротивление заземления нейтрали r_н = 4 Ом (в расчете вви­ду незначительного значения можно пренебречь).

Через тело человека пройдет смертельно опасный ток:

I_ч=U_ф/R_ч= U_л/(1,73 R_ч)= 220/1000 = 0,22 А = 220 мА;

U_пр= U_ф= 220 В.

Случай с благоприятными условиями. Человек находится на деревянном сухом полу сопротивлением r_п= 100000 Ом, на его ногах сухая токонепроводящая (резиновая) обувь сопротивлением r_о = = 45000 Ом. Тогда через тело человека пройдет пороговый, длительно допустимый для человека ток:

I_ч=220/(1000+100000+45000)=220/146000=0,0015А=1,5мА

U_пр=220*1000/146000=1,5В

Данные примеры иллюстрируют значение изолирующих свойств пола и обуви для обеспечения безопасности лиц, работающих в ус­ловиях возможного контакта с электрическим током.

В случае однофазного включения в трехфазную трехпроводную сеть с изолированной нейтралью, обладающую незна­чительной емкостью, между проводами и землей (воздушные ли­нии небольшой протяженности):

I_ч= U_ф/(R_ч+r_o+ r_п +z/3)

U_пр=I_ч R_ч=U_ф R_ч /(R_ч + r_o+ r_п +z/3)

Если емкость велика (кабельные сети), то

I_ч= U_ф/

где Х_с— емкостное сопротивление, Ом; Z — сопротивление изоля­ции одной фазы сети относительно земли, Ом.

Рассмотрены еще два случая включения человека в электри­ческую сеть.

Случай с неблагоприятными условиями. Пол, на котором нахо-дигся человек, и его обувь — токопроводящие, следовательно, r_п = О и r_о = 0.Сопротивление изоляции Z= 90000Ом. Расчеты показывают, что в сети с изоляционной нейтралью сила тока, протекающего через тело человека, в 31раз меньше силы тока в сети с заземленной нейтралью:

I_ч =220/(1000+30000)=0,007А=7 мА

U_пр=I_ч R_ч =7В

В случае с благоприятными условиями безопасность обеспе­чена в большей степени (I_ч = 1,2мА; U_пр = 1,2В).При этом чем боль­шее значение сопротивления изоляции провода, тем меньшей вели­чины ток пройдет через тело человека.

Двухфазное включение представляет собой одновременное прикосновение человека к двум различным фазам одной и той же сети, находящейся под напряжением. При этом человек оказывается включенным на полное линейное напряжение установки. Сила тока, дей­ствующего на человека, зависит от линейного напряжения и сопро­тивления тела человека R _ч. При двухфазном включении сопротивление изоляции проводов не оказывает защитного действия:

I_ч =1,73 U_ф/R_ч=380/1000=0,38А=380мА

U_пр=I_чR_ч=380 В

Такое значение силы тока (напряжения) является смертельно опасным для жизни человека. При этом режим нейтрали для двух­фазного включения практически не имеет значения. Случаи двухфазного включения сравнительно редки: они наиболее вероятны при работах под напряжением, когда токоведущие части различных фаз расположены на незначительном расстоянии друг от друга.

Схему сети, а следовательно, и режим нейтрали источника тока выбирают с учетом технологических требований и условий безо­пасности.

При напряжении до 1000 В широкое распространение получили обе схемы трехфазных сетей: трехпроводная с изолированной ней­тралью и четырехпроводная с заземленной нейтралью.

По технологическим требованиям предпочтение часто отдает­ся четырехпроводной сети, она использует два рабочих напря­жения —линейное и фазное. Так, от четырехпроводной сети 380 В можно питать как силовую нагрузку — трехфазнур, включая ее между фазными проводами на линейное напряжение 380 В, так и осветительную, включая ее между фазным и нулевым провода­ми, то есть на фазное напряжение 220 В. При этом значительно де­шевле электроустановка за счет применения меньшего числа транс­форматоров, меньшего сечения проводов и т п.

По условиям безопасности выбирают одну из двух сетей исхо­дя из положения по условиям прикосновения к фазному проводу в пе­риод нормального режима работы сети и в аварийный период. По­этому сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоля­ции сети и когда емкость сети относительно земли незначительна. Это могут быть мало разветвленные сети, не подверженные воз­действию агрессивной среды и находящиеся под постоянным над­зором квалифицированного персонала. Примером могут служить сети небольших предприятий, передвижные установки.

Сети с заземленной нейтралью применяют там, где невозмож­но обеспечить хорошую изоляцию электроустановок (из-за высокой влажности, агрессивной среды и пр.) или нельзя быстро отыскать и устранить повреждение изоляции, когда емкостные токи сети вслед­ствие значительной ее разветвленности достигают больших значе­ний, опасных для жизни человека. К таким сетям относятся сети крупных промышленных предприятий, городские распределитель­ные и пр. Существующее мнение о более высокой степени надеж­ности сетей с изолированной нейтралью недостаточно обоснован­но. Статистические данные указывают, что по условиям надежно­сти работы обе сети практически одинаковы.

При напряжении выше 1 000 В вплоть до 35 кВ сети по техноло­гическим причинам имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ — заземленную.

Поскольку такие сети имеют большую емкость проводов отно­сительно земли, для человека одинаково опасно прикосновение к про­воду сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. По­этому режим нейтрали сети выше 1000 В по условиям безопаснос­ти не выбирается.

Действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ) все помещения подразделены на три класса:

1. Помещения без повышенной опасности: сухие, с нормаль­ной температурой воздуха, с токонепроводящими полами.

2. Помещения с повышенной опасностью: сырые с относи­тельной влажностью воздуха (длительной) более 75%; жаркие с температурой воздуха, длительно превышающей +30 °С; с пола­ми из токопроводящих материалов, с большим количеством выде­ляющейся токопроводящей технологической пыли, оседающей на проводах и проникающей внутрь электроустановок; с размещением электроустановок с металлическими корпусами, соединенными за­земленными металлоконструкциями зданий и технологического обо­рудования, допускающих одновременное соприкосновение с ними.

3. Помещения особо опасные: особо сырые с относительной влажностью воздуха, близкой к 100%, химически активной средой, одновременным наличием двух и более условий, свойственных по­мещениям с повышенной опасностью.

В качестве примеров подразделения помещений по степени опас­ности можно привести следующее: к 1-му классу отнесены контор­ские помещения и лаборатории с точными приборами, сборочные цехи приборных заводов, часовых заводов и т п.; ко 2-му классу — складские неотапливаемые помещения, лестничные клетки с токопроводящими полами и др.; к 3-му классу — все цехи машино­строительных заводов: гальванические, аккумуляторных батарей и т. п. К ним же относятся участки работы вне помещений.