Напруга дотику та напруга кроку

Ураження організму людини струмом силою I викликано прикладеною напругою U (напругою дотику чи напругою кроку), а тяжкість ураження залежить від параметрів, які визначають роботу струму: прикладена напруга, сила струму, що проходить через тіло людини, проміжок часу проходження струму через тіло людини. Тяжкість ураження залежить також від загального опору тіла людини Z_h, який має складний активно-ємнісний характер.

Фактори, що впливають на тяжкість ураження електричним струмом, поділяться на три групи: електричного характеру, неелектричного характеру та фактори виробничого середовища.

До факторів електричного характеру відносяться: числове значення величини струму, що проходить через людину, напруга, під яку вона попадає, електричний опір тіла людини, рід і частота струму.

Розрізняють якісні рівні дії змінного струму промислової частоти (50 Гц) на людину. Вони виражаються в таких основних порогових (найменших) струмах: відчутний (0,6 – 1,5 мА), що викликає подразнення периферичних тактильних рецепторів, невідпускаючий (10 – 15 мА), що викликає непереборне скорочення м’язів при їх сильних болях, утруднення дихання та порушення серцебиття та фібрилаційного (100 мА), що викликає зупинку серця.

Падіння напруги на людині зумовлено напругою дотику та напругою кроку. Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 напруга дотику U_д – напруга між двома точками кола струму, яких одночасно торкається людина [14]. ПУЕ трактує напругу дотику як напругу, яка виникає на тілі людини або тварини у випадку одночасного доторкання до двох провідних частин [3].

На рис. 1 зображена ситуація доторкання людини до корпусу аварійної (пошкодженої) електроустановки, тобто до неструмопровідної частини електроустановки – частини електроустановки, яка нормально не перебуває під напругою, але може опинитись під напругою в аварійних режимах роботи, наприклад, корпус електричної машини [5]. Напруга дотику U_д – це різниця потенціалів між точкою k на корпусі електроустановки, до якої торкається кінчиком пальця руки людина, та точкою x поверхні ґрунту (верхньому шару землі), на якій він стоїть. Формула напруги дотику така:

U_д = j_k – j_x (15) (1)

U_з = I_з × R_з (16)

Очевидно, зона нульового потенціалу – провідна частина землі (відносна земля), яка знаходиться за межами зони впливу будь-якого заземлюючого пристрою, електричний потенціал якої умовно прийнятий за нульовий.

Як видно з рис. 1, коли людина стоїть ногами безпосередньо на заземлювачі та доторкається до корпусу електрообладнання (x = 0), то напруга дотику дорівнює нулю (U_д = 0, j_k = j_x) – це безпечний випадок, хоча вона знаходиться під потенціалом заземлювача. Зі збільшенні відстані від заземлювача напруга дотику зростає і досягає максимального значення, рівного потенціалу заземлювача (U_д = j_max = I_з×R_з) приблизно на відстані 20 м. Висновок: напруга дотику U_д збільшується в міру того, як збільшується відстань від заземлювача (місця замикання струму на ґрунт), і за межами зони розтікання струму дорівнює напрузі на корпусі обладнання відносно ґрунту, тобто U_д = U_к.

За законом Ома для дільниці кола струм через людину, обумовлений напругою дотику

I_h.д = U_д / R_h,(17)

де R_h – опір кола людини.

Розглянемо випадок замикання фази на заземлений корпус електродвигуна. Замикання на корпус – випадкове з’єднання частин електроустановки, які знаходяться під напругою, з її конструктивними частинами, які нормально не знаходяться під напругою [21]. Електричний струм стікає через заземлювач R_з в землю, виникає зона розтікання струму, яка підвищує потенціал точок ґрунту. Це підвищення графічно зображується кривою розподілу потенціалу на поверхні ґрунту, де максимум j_з – потенціал заземлювача (рис. 1).

Чисельно напруга дотику рівна різниці потенціалів точки k корпусу і точки x ґрунту, на якій знаходиться нога людини:

U_д = j_k – j_x = U_к a₁a₂, (18)

де U_к – напруга на корпусі обладнання відносно точки поверхні ґрунту, яка знаходиться поза зони розтікання струму замикання на ґрунт; a₁– коефіцієнт напруги дотику, який враховує форму потенційної кривої і залежить від типу заземлювача і відстані від людини до заземлювача:

a₁ = 1 – j_k / j_x £ 1, (19)

Значення a₁ табульовані (є в спеціальних таблицях з електробезпеки). Для x = 0, a₁» 0, а за межами зони розтікання струму замикання на ґрунт a₁ = 1. Потенціал точок ґрунту j_x визначається за формулою потенційної кривої j (x), яка залежить від типу заземлювача та умов його заглиблення в землю. Очевидно, напруга дотику не більша напруги на заземлювачі, тобто U_д £ U_з, звідси

U_д = U_з× a₁.(20)

Другий коефіцієнт напруги дотику a₂ враховує падіння напруги на опорі опорної поверхні ніг. Якщо ноги розташовуються на відстані кроку, то

a₂ = 1 / (1 + 1,55 r / R_h*),(21)

а якщо ноги розташовуються поряд, то

a₂ = 1 / (1 + 2,2 r / R_h*), (22)

де r – питомий опір ґрунту, Ом×м; R_h* – неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).

Розглянемо окремий заземлювач у вигляді електроду (стрижня циліндричної форми), який забитий у землю. За допомогою проводу визначеного поперечного перерізу до заземлювача приєднано електрообладнання, яке знаходиться в аварійному стані (режимі). При цьому з електрообладнання в заземлювач стікає струм, який розтікається в землі. В результаті виникає зона розтікання струму та нерівномірне зростання потенціалів точок в землі та на поверхні ґрунту, а саме максимум потенціалу буде для точок над заземлювачем, а на відстані більше 20 м від заземлювача (поза зоною розтікання струму) починається зона нульового потенціалу. За межами зони розтікання струму (більше 20 м від місця замикання струму на землю) напруга кроку дорівнює нулю (рис. 2).

Напруга кроку обумовлена розтіканням струму замикання на землю. Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 напруга кроку U_к – напруга між двома точками кола струму (x i x +a), які знаходяться одна від другої на відстані кроку (a), на яких одночасно стоїть людина. У свою чергу, ПУЕ трактує напругу кроку, як напругу між двома точками на поверхні локальної землі, які розташовані на відстані a = 1 м одна від одної, що відповідає довжині великого кроку людини. Таким чином

U_к= j_x– j_x+a (23)

Рис. 2. Величина напруги кроку в залежності

Від відстані між людиною та заземлювачем (а)

і варіант наближення (б)

Сила струму через людину, обумовлена напругою кроку:

I_h.к. = U_к / R_h. (24)

Нелінійність потенціальної кривої j (x) призводить до того, що при наближенні людини до заземлювача напруга кроку збільшується (рис. 2). Для зменшення небезпеки ураження струмом необхідно зменшити до мінімуму довжину кроку – “гусячий рух”.

Належить відзначити, що умови ураження людини електричним струмом при наявності крокової напруги відрізняються від умов ураження людини напругою дотику. У першому випадку струм йде через груднину, де розташовані серце і легені, а в другому – через ноги. Значна напруга кроку викликає судому в ногах, людина падає, після чого коло струму замикається уздовж всього тіла людини, що, як правило, призводить до негативного наслідку.

Чисельно напруга кроку рівна різниці потенціалів точок, на яких знаходяться ноги людини. При розташуванні однієї ноги людини на відстані x від заземлювача і ширині кроку а можна отримати емпіричну формулу:

U_к = U_з b₁ b₂, (25)

де U_з – напруга на заземлювачі.

У формулі (25) коефіцієнт b₁ – коефіцієнт напруги кроку, який враховує форму потенціальної кривої та залежить від виду заземлювача, відстані від місця замикання на землю (x) і довжини кроку (а):

b₁ = (j_x – j_x+a) / j_з < 1. (26)

Значення b₁ табульовані, аналогічно коефіцієнту напруги дотику a₁. Другий співмножник – коефіцієнт напруги кроку b₂, який враховує падіння напруги на опорній поверхні ніг (0 £ b₂ £ 1):

b₂ = 1 / (1 + 6,2r / R_h*), (27)

де R_h* – неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).

Як видно з останніх формул, при збільшенні довжини кроку а та зменшенні питомого опору ґрунту r ступінь ураження людини електричним струмом збільшується.

Повний електричний опір тіла людини Z_т змінному струму в загальному випадку є величиною змінною та залежить від багатьох факторів. Зокрема, збільшення проміжку часу Dt проходження струму через тіло людини зменшує її опір Z_т. Зі збільшенням прикладеної напруги U опір тіла людини також зменшується. За законом Ома (I = U / Z_т), зменшення опору тіла людини Z_т призводить до збільшення сили струму I. Це створює ще більшу небезпеку ураження електричним струмом.

Очевидно, що активний опір кола людини R_h являє собою еквівалентний опір декількох елементів, включених послідовно: це опір тіла людини r_т.л.º R_т, опір одягу r_од., опір підошви взуття r_вз. і опір опорної поверхні ніг r_оп. (підлоги або ґрунту), тобто

R_h = r_т.л. + r_од. + r_вз. + r_оп. (28)

Середній реальний опір тіла дорослих чоловіків становить 1,5 кОм, а жінок – у півтора рази менше, що пояснюється відміною в товщині шкіри, в концентрації міжклітинної рідини та особливостями фізіологічних процесів. Тимчасом для практичних розрахунків опір тіла людини R_т вважають стабільним, лінійним, активним і рівним 1000 Ом (1 кОм).

________________________________________________________________________________ 7. Граничні значення величин струму та напруги при нормальному й аварійному режимах роботи електроустановок.

Для змінного струму промислової частоти (50 Гц) при нормальному (неаварійному) режимі електроустановки напруга дотику та струм, що протікає через тіло людини повинні задовольняти нерівності: U_д £ 2,0 В, I £ 0,3 мА. За умови високих температур (t° ³ 25°C) і відносної вологості (g ³ 75 %) вказані значення напруги та струму повинні бути зменшені в три рази.

Гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі виробничих установок напругою до 1кВ з глухозаземленою або ізольованою нейтраллю і вище 1кВ з ізольованою нейтрал лю не повинні перевищувати значень, вказаних в табл. 2.

Таблиця 2

Потрібно відзначити, що середні гранично допустимі значення напруг дотику і струмів при аварійному режимі побутових установок приблизно в три рази менші за відповідні значення виробничих установок. Зокрема, при тривалості дії струму більше 1 с відповідні величини, нормуються так: U_д = 12 В, I = 2 мА.

Зазначимо, що аварійний режим усувається автоматичними пристроями за короткий час, що зменшує вірогідність збігу двох випадковостей – дотику людини до корпусу електроустановки й аварії останньої. Безпечною напругою дотику звично умовно вважається 12 В, хоча при особливо несприятливих умовах і при 12 В можливі електротравми: встановлені одиничні випадки смертельних уражень людини електричним струмом при напрузі 12 В промислової частоти в умовах приміщень з підвищеною небезпекою або в особливо небезпечних.

На електроустановках напругою 36 В і 42 В електротравми вже мають далеко не одиничний характер. Велике число всебічних спостережень і моделювання електротравм показує, що значення струму ураження (50 Гц), при якому наступає летальний наслідок, може викликатися напругою, значення якої входить в ряд малих напруг:6,0 В, 12,0 В, 24,0 В, 28,5 В, 36,0 В, 42,0 В, 50,0 В.

Зазначимо, що безпечним струмом можна вважати такий струм, який протягом тривалого часу (декілька годин) може проходити через людину, не завдаючи їй школи і не викликаючи ніяких відчуттів. Очевидно, значення безпечного струму промислової частоти набагато менший порогового відчутного струму та вважається рівним такому найбільшому значенню – 50 – 75 мкА. Найбільше значення безпечного постійного струму складає 100 – 125 мкА.

________________________________________________________________________________

Поиск по сайту: