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 .
Однофазное включение представляет собой непосредственное соприкосновение человека с частями электроустановки или оборудования, нормально или случайно находящимися под напряжением. 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 ф R 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 нейтр. 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 ф = 380В; U л =220 В = 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.
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 ч R 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.
По технологическим требованиям предпочтение часто отдается четырехпроводной сети, она использует два рабочих напряжения -линейное и фазное. Так, от четырехпроводной сети 380 можно питать как силовую нагрузку - трехфазную, 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.
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 000В вплоть до 35 кВ сети по технологическим причинам имеют изолированную нейтраль, а выше 35 кВ - заземленную.
Помещения по степени опасности можно отнести: к 1-му классу - 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.
Все случаи поражения человека током в результате электрического удара - следствие прикосновения не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми существует разность потенциалов. Опасность такого прикосновения во многом зависит от особенностей электрической сети и схемы включения в нее человека. Определив силу тока /ч, проходящего через человека с учетом этих факторов, можно выбрать соответствующие защитные меры для снижения опасности поражения.
Двухфазное включение человека в цепь тока (рис. 8.1, а). Оно происходит довольно редко, но более опасно по сравнению с однофазным, так как к телу прикладывается наибольшее в данной сети напряжение - линейное, а сила тока, А, проходящего через человека, не зависит от схемы сети, режима ее нейтрали и других факторов, т. е.
I = Uл/Rч = √ 3Uф/Rч,
где Uл и Uф -линейное и фазное напряжение, В; Rч - сопротивление тела человека, Ом (согласно Правилам устройства электроустановок в расчетах Rч принимают равным 1000 Ом).
Случаи двухфазного прикосновения могут произойти при работе с электрооборудованием без снятия напряжения, например, при замене сгоревшего предохранителя на вводе в здание, применении диэлектрических перчаток с разрывами резины, присоединении кабеля к незащищенным зажимам сварочного трансформатора и т. п.
Однофазное включение. На ток, проходящий через человека, влияют различные факторы, что снижает опасность поражения по сравнению с двухфазным прикосновением.
Рис. 8.1. Схемы возможного включения человека в сеть трехфазного тока:
а - двухфазное прикосновение; б- однофазное прикосновение в сети с заземленной нейтралью; в - однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью
В однофазной двухпроводной сети, изолированной от земли, силу тока, А, проходящего через человека, при равенстве сопротивления изоляции проводов относительно земли r1 = r2 = r, определяют по формуле
Iч = U/(2Rч + r),
где U- напряжение сети, В; r - сопротивление изоляции, Ом.
В трехпроводной сети с изолированной нейтралью при r1 = r2 = r3 = rток пойдет от места контакта через тело человека, обувь, пол и несовершенную изоляцию к другим фазам (рис. 8.1, б). Тогда
Iч = Uф/(Ro + r/3),
где Rо - общее сопротивление, Ом; RO = Rч + Rоп + Rп; Rоб - сопротивление обуви, см: для резиновой обуви Rоб ≥ 50 000 Ом; Rn - сопротивление пола, Ом: для сухого деревянного пола, Rп = 60 000 Ом; г - сопротивление изоляции проводов, Ом (согласно ПУЭ должно быть не менее 0,5 МОм на фазу участка сети напряжением до 1000 В).
В трехфазных четырехпроводных сетях ток пойдет через человека, его обувь, пол, заземление нейтрали источника и нулевой провод (рис. 8.1, в). Сила тока, А, проходящего через человека,
Iч=Uф(Rо + Rн),
где RH - сопротивление заземления нейтрали, Ом. Пренебрегая сопротивлением RH, получим:
На предприятиях сельского хозяйства в основном применяют четырехпроводные электрические сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В. Их преимущество состоит в том, что посредством их можно получить два рабочих напряжения: линейное Uл = 380 В и фазное Uф = 220 В. К таким сетям не предъявляют высоких требований к качеству изоляции проводов и их применяют при большой разветвленности сети. Несколько реже используют трехпроводную сеть с изолированной нейтралью при напряжении до 1000В -более безопасную, если сопротивление изоляции проводов поддерживается на высоком уровне.
Напряжение прикосновения. Оно возникает в результате касания находящихся под напряжением электроустановок или металлических частей оборудования.
Шаговое напряжение. Это напряжение Uш на теле человека при положении ног в точках поля растекания тока с заземлителя или от упавшего на землю провода, где находятся ступни, когда человек идет в направлении заземлителя (провода) или от него (рис. 8.2).
Если одна нога находится на расстоянии х от центра заземлителя, то другая - на расстоянии х + а, где а - длина шага. Обычно в расчетах принимают а = 0,8 м.
Максимальное напряжение в этом случае возникает в точке замыкания тока на землю, а по мере удаления от нее оно снижается по закону гиперболы. Считают, что на расстоянии 20 м от места замыкания потенциал земли равен нулю.
Шаговое напряжение, В,
Рис. 8.2. Схема возникновения шагового напряжения
Даже при небольшом шаговом напряжении (50...80 В) может возникнуть непроизвольное судорожное сокращение мышц ног и, как следствие этого - падение человека на землю. При этом он одновременно касается земли руками и ногами, расстояние между которыми больше, чем длина шага, поэтому действующее напряжение увеличивается. Кроме того, в таком положении человека образуется новый путь прохождения тока, затрагивающий жизненно важные органы. При этом создается реальная угроза смертельного поражения. При уменьшении длины шага шаговое напряжение снижается. Поэтому, для того чтобы выбраться из зоны действия шагового напряжения, следует передвигаться прыжками на одной ноге или на двух сомкнутых ногах или как можно более короткими шагами (в последнем случае допустимым считают напряжение не более 40 В).
Большой процент травм, вызванных воздействием электрического тока, имеет место при прикосновении человека к металлическим частям или корпусам электроустановок, случайно оказавшимся под напряжением вследствие неисправности изоляции.
Тяжесть электротравмы зависит от тока, протекающего через тело человека, частоты тока, физиологического состояния организма, продолжительности воздействия тока, пути тока в организме и производственных условий.
При этом человек оказывается под напряжением прикосновения - напряжением между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном к ним прикосновении
где
- ток, протекающий через тело человека,
А;
-сопротивление тела
человека, Ом.
Предельно
допустимые значения напряжений
прикосновения и токов, протекающих
через тело человека, предназначенные
для проектирования способов и средств
защиты людей, при взаимодействии их с
электроустановками нормируются /2/ и
при аварийном режиме производственных
электроустановок напряжением до 1000 В
переменного 50 Гц тока при продолжительности
воздействия свыше 1 с не должны превышать
=
20 В и
=
6 мА.
Значения напряжений прикосновения и тока, протекающего через тело человека, зависят от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую сеть, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, а также емкости токоведущих частей относительно земли и т.п. Эту зависимость необходимо знать при оценке той или иной сети по условиям техники безопасности, выборе и расчете соответствующих мер защиты и т.п.
При этом принимаем, что сопротивление основания, на котором стоит человек (грунт, пол и пр.), а также сопротивление его обуви незначительны, и равны нулю.
Сопротивление тела человека изменяется в широких пределах (от 400 до 100000 Ом) в зависимости от состояния кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), плотности контакта, площади контакта, тока, протекающего через тело человека и напряжения прикосновения, а также от времени воздействия тока на человека.
При напряжении до 1000 В в нашей стране применяют, в основном, две схемы сетей трехфазного тока - четырехпроводную с заземленной нейтралью напряжением 220/127, 380/220 и 660/380 В и трехпроводную с изолированной нейтралью напряжением 36, 42, 127, 220, 380 и 660 В.
Проанализируем опасность поражения током при нормальном режиме работы сетей.
2.1. Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью
Рассмотрим сеть напряжением 380/220 В (рис.1).
П
рикосновение
человека к корпусу электроустановки,
оказавшемуся под напряжением, в
четырехпроводной сети
При
нормальном режиме работы сети сопротивление
изоляции фазных и нулевого проводов
относительно земли по сравнению с
сопротивлением заземления нейтрали
имеют весьма большие значения и с
некоторым допущением могут быть
приравнены к бесконечности, т.е.
.
В этом случае ток, протекающий через тело человека
|
|
где
= 220 В - фазное напряжение, т.е. в данном
случае напряжение между началом и концом
одной обмотки трансформатора.
- сопротивление заземляющего устройства,
к которому присоединена нейтраль
трансформатора, Ом.
В
соответствии с ПУЭ /1/ наибольшее значение
составляет 66 Ом; сопротивление же тела
человека
,
не опускается ниже нескольких сотен
Ом. Следовательно, без большой ошибки
можно пренебречь значением
,
т.е.
|
|
Таким образом, про прикосновении к корпусу электроустановка, оказавшемуся под напряжением в сети с глухозаземленной нейтралью, человек оказывается практически, под фазным напряжением, т.е. в данном случае под напряжением между фазным и нулевым проводом.
Степень опасности и исход поражения электрическим током зависят: от схемы «подключения» человека в электрическую цепь; на электрической сети:
трехфазная четырехпроводная с заземленной нейтралью;
трехфазная с изолированной нейтралью.
Нейтральной точкой трансформатора (генератора) называют точку соединения обмоток питающего трансформатора. При нормальном режиме работы электрической сети в этой точке напряжение равно 0. Нейтраль источника питания может быть заземленная и изолированная от земли, это определяет режим ее работы. Заземление нейтрали называют рабочим заземлением R 0 .
Выбор схемы сети и режима нейтрали источника тока осуществляют в зависимости от технологических требований и условий безопасности.
По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, так как эта сеть характеризуется двумя напряжениями - линейным и фазным (380/220 В). Линейным напряжением 380 В питают силовую нагрузку - включают электродвигатели производственного оборудования между фазными проводами. Фазное напряжение = 220 В используют для осветительной установки - подключают лампы между фазным и нулевым проводами. Линейное напряжение всегда больше фазного в 1,73 раза.
По условиям безопасности сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции сети, обеспечивающий незначительную емкость проводов относительно земли. Это могут быть малоразветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала.
Однофазное подключение является менее опасным, чем двухфазное, однако оно возникает значительно чаще и является основной причиной электротравматизма. На исход поражения в этом случае оказывает решающее влияние режим нейтрали электросети.
При прикосновении к одной из фаз сети с изолированной нейтралью (рис.) последовательно с сопротивлением человека оказываются включенными сопротивления изоляции и емкости относительно земли двух других неповрежденных фаз.
Рис. Однополюсное прикосновение к сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы
При нормальной работе электросети напряжение нейтрали источника питания по отношению к земле равно нулю. Напряжения фаз относительно земли одинаковы и равны фазным напряжениям источника питания.
Сопротивление изоляции проводов никогда не равно бесконечно большой величине, обязательно имеют место токи утечки.
Провода и земля в этом случае являются как бы обкладками конденсатора, между которыми возникает электрическое поле. Чем более протяженная электрическая сеть, тем больше ее емкость.
По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, так как эта сеть характеризуется двумя напряжениями - линейным и фазным (380/220 В). Линейным напряжением 380 В питают силовую нагрузку - включают электродвигатели производственного оборудования между фазными проводами. Фазное напряжение = 220 В используют для осветительной установки - подключают лампы между фазным и нулевым проводами. Линейное напряжение всегда больше фазного в 1,73 раза.
По условиям безопасности сети с изолированной нейтралью целесообразно применять, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции сети, обеспечивающий незначительную емкость проводов относительно земли. Это могут быть малоразветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала.
Сети с заземленной нейтралью применяют там, где невозможно обеспечить высокий уровень изоляции электроустановки или нельзя быстро отыскать и устранить ее повреждение.
В силу специфики и незначительной мощности производства по сравнению с другими предприятиями пищевой промышленности на предприятиях общественного питания могут быть использованы одно- и двухфазные сети с заземленной нейтралью, а при эксплуатации средств малой механизации при погрузочно-разгрузочных работах рекомендуют электрическую сеть с изолированной нейтралью. Степень электробезопасности в таких сетях возрастает за счет большого сопротивления изоляции электропроводов по отношению к земле.
Поражение человека электрическим током может быть вызвано однополюсным (однофазным) или двухполюсным (двухфазным) прикосновением к токоведущей части установки.
С увеличением сопротивления изоляции опасность поражения электрическим током уменьшается.
При аварийном режиме работы этой же сети, когда возникает глухое замыкание фазы на землю, напряжение в нейтральной точке может достигать фазного напряжения, напряжение неповрежденных фаз относительно земли становится равным линейному напряжению. В этом случае, если человек прикоснется к одной фазе, он окажется под линейным напряжением, через него пойдет ток по пути «рука - нога». В данной ситуации на исход поражения сопротивление изоляции проводов не играет никакой роли. Такое поражение током чаще всего приводит к летальному исходу.
На предприятиях, где сети разветвленные и имеют значительную протяженность, а следовательно, большую емкость, система с изолированной нейтралью теряет свое преимущество, так как увеличивается ток утечки, снижается сопротивление участка фаза-земля. С точки зрения электробезопасности в таких случаях предпочтение отдается сети с заземленной нейтралью (рис.).
Схема прикосновения человека к одной фазе сети с заземленной нейтралью
Сопротивлением земли, как и в случае электрической сети с изолированной нейтралью, можно пренебречь.
Примеры свидетельствуют о том, что при прочих равных условиях однофазное подключение человека в сеть с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сеть с заземленной нейтралью.
Наиболее опасным является двухфазное подключение человека в электрическую сеть, так как он попадает под линейное напряжение сети вне зависимости от режима нейтрали и условий эксплуатации сети.
Случаи двухфазного прикосновения происходят редко и преимущественно в электроустановках до 1000 В при работах на щитах и сборках, при эксплуатации оборудования с неизолированными токоведущими частями и т. п.
1) Однофазное прикосновение к проводу сети с изолированной нейтралью при исправной изоляции (рис.1):
Рисунок 1 - Однофазное включение человека в электрическую сеть.
Ток, проходящий через человека I h , возвращается к источнику тока через изоляцию проводов сети, которая в исправном состоянии обладает большим сопротивлением изоляции R из. До 1000В R из равна 0,5 МОм и больше. Ток, протекающий через тело человека, определяется выражением:
(1)
где R h - сопротивление тела человека, при расчетах берется 1000 Ом;
R из - сопротивление изоляции фаз относительно земли;
U ф - фазное напряжение
С учетом сопротивление обуви R об и пола R п, включенных последовательно сопротивлению тела человека R h , ток, проходящий через человека, будет равен:
(2)
2) Однофазное прикосновение к проводу сети с заземленной нейтралью (рис.2):
Рисунок 2 - Однофазное прикосновение к сети с заземленной нейтралью
Величина тока через человека определяется только сопротивлением тела человека, величины сопротивлений изоляции проводов не влияют на ток, проходящий через тело человека.
, (3)
где R 0 - сопротивление заземления нейтрали. При Uл= 380 В R 0 не превышает 4 0м, то им при расчетах можно пренебречь. В этом случае сопротивление пола и обуви играют большую роль в безопасности человека, т.к. включены в цепь с человеком последовательно.
(4)
При R п = 0 и R об = 0
I h = = 0,22 А = 220 мА > 100 мА >> 10 мА ,
это очень опасно!
При замыкании фазы на землю сеть с изолированной нейтралью (рис. 4) оказывается более опасной, чем с заземленной (рис. 5). Так как, в сети с изолированной нейтралью напряжение, обуславливающее величину тока через тело человека равно U л, а в сети с заземлённой нейтралью оно лежит в пределах:
U л >U пр >U ф
Рисунок 4 - Сеть с изолированной нейтралью
I h
= 
, (7)
где R h - сопротивление тела человека;
R зм - сопротивление замыкания фазы земли
В случае пробоя фазы на корпус оборудования, которое в нормальных условиях не должно находится под напряжением, человек, работающий с этим оборудованием, оказывается в режиме однофазного прикосновения. Для защиты от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью применяется защитное заземление (рис. 6).
Рисунок 5 - Сеть с заземленной нейтралью
Защитное заземление
Защитное заземление выполняется с целью обеспечения безопасности людей при нарушении изоляции токоведущих частей. Применяется также заземление для защиты от действия атмосферного электричества электрооборудования, зданий и сооружений.
Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических частей оборудования, в обычных условиях находящихся не под напряжением, но могущих оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановок.
Действие защитного заземления заключается в том, что оно снижает напряжение между корпусом оборудования, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения.
Поясним это на примере сети с изолированной нейтралью (рис. 6). Если корпус электрооборудования не заземлен и он оказался в контакте с фазой, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно однофазному включению. Если же корпус заземлен, то потенциал корпуса относительно земли падает до безопасно малого значения.
Рисунок 6 - Защитное заземление
Заземлять необходимо металлические части электроустановок, корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, приводы электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов, каркасы распределительных щитов, щитов управления, шкафов и др.
Защитное заземление применяется в трехфазных трехпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях напряжением 1000 В и выше – с любым режимом нейтрали (рис. 3.18).
