Porażka osoby prądem w wyniku wpływu elektrycznego, tj. Przepływ prądu przez osobę, jest konsekwencją dotknięcia przez niego 2 punktów obwodu elektrycznego, między którymi występuje pewne napięcie. Niebezpieczeństwo takiego dotyku szacuje się, jak wiadomo, na podstawie prądu przepływającego przez ludzkie ciało lub napięcia, pod którym się znajduje. Należy zauważyć, że napięcie dotykowe zależy od wielu czynników: obwodu do podłączenia osoby do obwodu elektrycznego, napięcia sieciowego, obwodu samej sieci, trybu neutralnego, stopnia izolacji prądu- przenoszenia części z ziemi, a także pojemności części przewodzących prąd względem ziemi itp.
W konsekwencji powyższe niebezpieczeństwo nie jest jednoznaczne: w jednym przypadku włączeniu osoby w obwód elektryczny będzie towarzyszyć przepływ przez nią małych prądów i nie będzie to bardzo niebezpieczne, w innych przypadkach prądy mogą osiągnąć znaczne wartości które mogą doprowadzić do śmierci. W artykule omówiono zależność niebezpieczeństwa włączenia człowieka w obwód elektryczny, czyli wartości napięcia dotykowego i prądu przepływającego przez człowieka, od wymienionych czynników.
Zależność ta musi być znana przy ocenie konkretnej sieci pod kątem warunków bezpieczeństwa, wyborze i obliczeniu odpowiednich środków ochronnych, w szczególności uziemienia, zerowania, wyłączenia ochronnego, urządzeń kontrolujących izolację sieci itp.
Jednocześnie we wszystkich przypadkach, z wyjątkiem tych wyraźnie określonych, będziemy zakładać, że opór podłoża, na którym stoi osoba (podłoga, podłoga itp.), jak również opór jego butów, jest znikomy i dlatego można je przyjąć jako równe zeru.
Tak więc najbardziej charakterystycznymi schematami włączenia osoby do obwodu elektrycznego w przypadku przypadkowego kontaktu z przewodami przewodzącymi prąd są:
1. Przełączanie między dwoma przewodami fazowymi obwodu,
2. Połączenie między fazą a ziemią.
Oczywiście w drugim wariancie zakłada się, że rozpatrywana sieć jest elektrycznie połączona z ziemią z powodu np. na obecność dużej pojemności między nimi.
Kontakt dwufazowy jest uważany za najbardziej niebezpieczny, ponieważ w tym przypadku do ciała ludzkiego przykładane jest napięcie liniowe 380 woltów, a prąd przepływający przez ciało nie zależy od schematu sieci i jej trybu neutralnego.
Dotknięcia dwufazowe występują bardzo rzadko i są związane głównie z pracą pod napięciem:
Na panelach elektrycznych, zespołach i liniach napowietrznych;
Podczas używania wadliwych środków ochrony indywidualnej;
Na urządzeniach z nieekranowanymi częściami pod napięciem itp.
Dotyk jednofazowy jest zwykle uważany za mniej niebezpieczny, ponieważ prąd przepływający przez osobę w tym przypadku jest ograniczony wpływem wielu czynników. Ale zdarza się to w praktyce znacznie częściej niż dwufazowe. Dlatego też tematem niniejszego artykułu jest analiza tylko przypadków styku jednofazowego w rozpatrywanych sieciach.
W przypadku porażenia prądem osoby konieczne jest podjęcie działań w celu uwolnienia ofiary od prądu i natychmiastowego udzielenia mu pierwszej pomocy.
Uwolnij osobę od działania prądu jak najszybciej, ale należy zachować środki ostrożności. Jeśli ofiara znajduje się na wysokości, należy podjąć środki zapobiegające jej upadkowi.
Dotykanie osoby pod napięciem niebezpieczne, a przy prowadzeniu akcji ratowniczych należy bezwzględnie zachować środki ostrożności zapobiegające porażeniu osób wykonujących te prace.
Bardzo w prosty sposób uwolnienie ofiary z prądu jest wyłączenie instalacji elektrycznej lub jej części, której dotyka osoba. Gdy instalacja jest wyłączona, światło elektryczne może zgasnąć, dlatego w przypadku braku światła dziennego należy mieć przygotowane inne źródło światła - latarnię, świecę itp.
Po uwolnieniu ofiary z prądu konieczne jest ustalenie stopnia uszkodzenia i stosownie do stanu poszkodowanego udzielenie mu pomocy medycznej. Jeżeli poszkodowany nie stracił przytomności należy zapewnić mu odpoczynek, a w przypadku obrażeń lub urazów (stłuczenia, złamania, zwichnięcia, oparzenia itp.) należy udzielić mu pierwszej pomocy przed przybyciem lekarza lub przewiezienia do najbliższa placówka medyczna.
Jeżeli poszkodowany stracił przytomność, ale oddychanie jest zachowane, należy ułożyć go równomiernie i wygodnie na miękkiej pościeli – kocu, ubraniu itp., rozpiąć kołnierz, pasek, zdjąć obcisłe ubranie, oczyścić usta z krwi, wykrztusić śluz, zapewnić świeże powietrze, powąchać amoniak, spryskać wodą, rozetrzeć i ogrzać ciało.
W przypadku braku oznak życia (przy śmierci klinicznej brak oddechu i tętna, źrenice oczu rozszerzone z powodu niedotlenienia kory mózgowej) lub przy przerywanym oddychaniu poszkodowanego należy szybko zdjąć z odzieży ograniczającej oddychanie, oczyść usta i wykonaj sztuczne oddychanie oraz masaż serca.
Znajomość procesów zachodzących w instalacjach elektrycznych pozwala energetykom na bezpieczną obsługę urządzeń o dowolnym napięciu i rodzaju prądu, wykonywanie prac remontowych i Konserwacja systemy elektryczne.
Informacje podawane w PTB i PTE – głównych dokumentach tworzonych przez najlepszych specjalistów na podstawie analizy wypadków z udziałem osób dotkniętych niebezpieczne czynniki towarzyszące pracy energii elektrycznej.
Okoliczności i przyczyny dostania się osoby pod wpływem prądu elektrycznego
Dokumenty z wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa identyfikują trzy grupy przyczyn porażenia prądem pracowników:
1. niezamierzone, niezamierzone zbliżenie się do części przewodzących prąd pod napięciem w odległości mniejszej niż bezpieczna lub dotknięcie ich;
2. powstawanie i rozwój sytuacji kryzysowych;
3. naruszenie wymagań określonych w aktach normatywnych określających zasady postępowania pracowników przy istniejących instalacjach elektrycznych.
Ocena niebezpieczeństwa obrażeń ciała człowieka polega na określeniu za pomocą obliczeń wielkości prądów, które przechodzą przez ciało ofiary. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę wiele sytuacji, w których styki mogą wystąpić w przypadkowych miejscach instalacji elektrycznej. Ponadto przyłożone do nich napięcie zmienia się w zależności od wielu przyczyn, w tym warunków i trybów działania obwodu elektrycznego, jego charakterystyki energetycznej.
Warunki pokonania osoby prądem instalacji elektrycznej
Aby prąd płynął przez ciało ofiary, konieczne jest utworzenie obwodu elektrycznego poprzez podłączenie go do co najmniej dwóch punktów obwodu z różnicą potencjałów - napięciem. Urządzenia elektryczne mogą podlegać następującym warunkom:
1. jednoczesne dotknięcie dwufazowe lub dwubiegunowe do różnych biegunów (faz);
2. kontakt jednofazowy lub jednobiegunowy z potencjałem obwodu, gdy osoba ma bezpośrednie połączenie galwaniczne z potencjałem ziemi;
3. przypadkowe dotarcie do przewodzących elementów instalacji elektrycznej, które w wyniku rozwoju awarii znalazły się pod napięciem;
4. wpadanie pod działanie napięcia krokowego, gdy powstaje różnica potencjałów między punktami, w których jednocześnie znajdują się nogi lub inne części ciała.
W takim przypadku może dojść do kontaktu elektrycznego poszkodowanego z przewodzącą prąd częścią instalacji elektrycznej, co PUE traktuje jako dotyk:
1. prosty;
2. lub pośredni.
W pierwszym przypadku powstaje on w wyniku bezpośredniego kontaktu z częścią pod napięciem, która znajduje się pod napięciem, w drugim przypadku poprzez dotknięcie nieizolowanych elementów obwodu, gdy w razie wypadku przejdzie przez nie niebezpieczny potencjał.
Aby określić warunki bezpiecznej pracy instalacji elektrycznej i przygotować miejsce pracy dla pracujących w niej pracowników, konieczne jest:
1. przeanalizować przypadki możliwego stworzenia ścieżek przepływu prądu elektrycznego przez korpus personelu obsługi;
2. porównać jego maksymalną możliwą wartość z aktualnymi minimalnymi dopuszczalnymi normami;
3. podjąć decyzję o wdrożeniu środków zapewniających bezpieczeństwo elektryczne.
Cechy analizy warunków uszkodzenia ludzi w instalacjach elektrycznych
Aby ocenić ilość prądu przepływającego przez ciało ofiary w sieci napięcia stałego lub przemiennego, stosuje się następujące rodzaje oznaczeń:
1. opory:
Rh - w ludzkim ciele;
R0 - dla urządzenia uziemiającego;
Riz - warstwa izolacji względem konturu gruntu;
2. prądy:
Ih - przez ludzkie ciało;
Iz - zwarcie do obrysu ziemi;
Uc - obwody prądu przemiennego stałego lub jednofazowego;
Ul - liniowy;
Uf - faza;
Upr - dotyk;
Ush - krok.
W takim przypadku możliwe są następujące typowe schematy podłączenia ofiary do obwodów napięcia w sieciach:
1. DC o:
styk jednobiegunowy styku przewodu z potencjałem odizolowanym od obwodu uziemiającego;
jednobiegunowy kontakt potencjału obwodu z uziemionym biegunem;
kontakt dwubiegunowy;
2. sieci trójfazowe w;
kontakt jednofazowy z jednym z potencjalnych przewodników (przypadek uogólniony);
kontakt dwufazowy.
Schematy uszkodzeń w obwodach prądu stałego
Jednobiegunowy styk człowieka z potencjałem odizolowanym od ziemi
Pod działaniem napięcia Uc prąd Ih przepływa przez utworzony szeregowo łańcuch potencjałów dolnego przewodnika, ciała ofiary (ręka-stopa) i obwód uziemiający przez podwojoną rezystancję izolacji ośrodka.
Jednobiegunowy kontakt z człowiekiem z uziemionym potencjałem bieguna
W tym schemacie sytuację pogarsza podłączenie do pętli uziemienia jednego przewodu potencjału o rezystancji R0 bliskiej zeru i znacznie mniejszej niż rezystancja ciała ofiary i warstwy izolacyjnej środowiska zewnętrznego.
Siła pożądanego prądu jest w przybliżeniu równa stosunkowi napięcia sieciowego do rezystancji ludzkiego ciała.
Dwubiegunowy kontakt człowieka z potencjałami sieciowymi
Napięcie sieciowe jest przykładane bezpośrednio do ciała ofiary, a przepływ prądu przez jego ciało jest ograniczony jedynie jego własnym, nieznacznym oporem.
Ogólne schematy uszkodzeń w trójfazowych obwodach prądu przemiennego
Tworzenie kontaktu człowieka między potencjałem fazowym a ziemią
W ogólnym przypadku istnieje rezystancja między każdą fazą obwodu a potencjałem ziemi i powstaje pojemność. Neutralny uzwojenia źródła napięcia ma uogólnioną rezystancję Zn, której wartość wynosi w różne systemy zmienia się obwód uziemienia.
Wzory do obliczania przewodności każdego obwodu i całkowitego prądu Ih przez napięcie fazowe Uf przedstawiono na rysunku za pomocą wzorów.
Formowanie się kontaktu między dwiema fazami
Największym natężeniem i zagrożeniem jest przepływ prądu przez łańcuch powstały między bezpośrednimi kontaktami ciała ofiary z przewodami fazowymi. W takim przypadku część prądu może przepływać wzdłuż ścieżki przez uziemienie i rezystancję izolacji ośrodka.
Cechy dwufazowego dotyku
W obwodach prądu stałego i trójfazowego najbardziej niebezpieczne jest zetknięcie się dwóch różnych potencjałów. Przy tym schemacie osoba znajduje się pod wpływem największego napięcia.
W obwodzie z zasilaczem o stałym napięciu prąd przepływający przez ofiarę oblicza się według wzoru Ih \u003d Uc / Rh.
W sieci trójfazowej prąd przemienny wartość ta jest obliczana ze stosunku Ih=Ul/Rh=√3 Uf/Rh.
Biorąc pod uwagę, że średni opór elektryczny ludzkiego ciała wynosi 1 kiloom, obliczamy prąd występujący w sieci napięcia stałego i przemiennego 220 woltów.
W pierwszym przypadku będzie to: Ih=220/1000=0,22A. Ta wartość 220 mA wystarczy, aby ofiara doznała konwulsyjnego skurczu mięśni, gdy bez pomocy z zewnątrz nie jest już w stanie uwolnić się od skutków przypadkowego dotyku – prądu trzymania.
W drugim przypadku Ih=(220 1.732)/1000\u003d 0,38A. Przy tej wartości 380 mA istnieje śmiertelne niebezpieczeństwo obrażeń.
Zwracamy również uwagę, że w trójfazowej sieci napięcia przemiennego położenie przewodu neutralnego (może być odizolowany od masy lub odwrotnie - zwarty) ma bardzo mały wpływ na wartość prądu Ih. Jego główny udział nie przechodzi przez obwód uziemienia, ale między potencjałami fazowymi.
Jeśli dana osoba zastosowała środki ochrony, które zapewniają jej niezawodną izolację od obwodu uziemiającego, to w takiej sytuacji okażą się one bezużyteczne i nie pomogą.
Jednofazowe funkcje dotykowe
Sieć trójfazowa z głucho uziemionym punktem zerowym
Poszkodowany dotyka jednego z przewodów fazowych i wpada pod różnicę potencjałów między nim a obwodem uziemiającym. Takie przypadki zdarzają się najczęściej.
Chociaż napięcie międzyfazowe jest mniejsze niż 1,732 razy między przewodami, taki przypadek pozostaje niebezpieczny. Stan ofiary może się pogorszyć:
tryb neutralny i jakość jego połączenia;
rezystancja elektryczna warstwy dielektrycznej przewodów względem potencjału ziemi;
rodzaj obuwia i jego właściwości dielektryczne;
opór gleby w miejscu ofiary;
inne powiązane czynniki.
Wartość prądu Ih w tym przypadku można określić zależnością:
Ih=Uf/(Rh+Rob+Rp+R0).
Przypomnijmy, że rezystancje: ludzkiego ciała Rh, butów Rb, podłogi Rn i uziemienia w punkcie zerowym R0 są mierzone w omach.
Im mniejszy mianownik, tym większy prąd jest generowany. Jeśli pracownik nosi buty przewodzące, np. jego stopy są mokre lub podeszwy są wyłożone metalowymi gwoździami, a dodatkowo znajduje się na metalowej podłodze lub wilgotnym podłożu, to możemy przyjąć, że Rb = Rp = 0. Zapewnia to najbardziej niekorzystną sytuację dla życia ofiary.
Ih=Uf/(Rh+R0).
Przy napięciu fazowym 220 woltów otrzymujemy Ih \u003d 220 / 1000 \u003d 0,22 A. Lub śmiertelny prąd niebezpieczny 220 mA.
Teraz obliczmy wariant, w którym pracownik używa sprzętu ochronnego: butów dielektrycznych (Rb = 45 kOhm) i podstawy izolacyjnej (Rp = 100 kOhm).
Ih=220 /(1000 +45000+10000)=0,0015 A.
Otrzymaliśmy bezpieczną wartość prądu 1,5 mA.
Sieć trójfazowa z izolowanym przewodem neutralnym
Nie ma bezpośredniego połączenia galwanicznego między punktem zerowym źródła prądu a potencjałem ziemi. Napięcie fazowe przykładane jest do rezystancji warstwy izolacyjnej Riz, która ma bardzo dużą wartość, która jest kontrolowana podczas pracy i stale utrzymywana w dobrym stanie.
Obwód przepływu prądu przez ciało człowieka zależy od tej wartości w każdej z faz. Jeśli weźmiemy pod uwagę wszystkie warstwy rezystancji prądu, to jej wartość można obliczyć ze wzoru: Ih=Uf/(Rh+Rb+Rp+(Riz/3)).
W najbardziej niekorzystnym przypadku, gdy zostaną stworzone warunki maksymalnego przewodnictwa przez buty i podłogę, wyrażenie przyjmie postać: Ih=Uf/(Rh+(Riz/3)).
Jeśli weźmiemy pod uwagę sieć 220 woltów z izolacją warstwową 90 kOhm, otrzymamy: Ih \u003d 220 / (1000 + (90000/3)) \u003d 0,007 A. Taki prąd 7 mA będzie dobrze odczuwalny, ale nie będzie w stanie spowodować śmiertelnych obrażeń.
Zauważ, że w tym przykładzie celowo pominęliśmy opór podłoża i butów. Jeśli zostaną uwzględnione, prąd spadnie do bezpiecznej wartości, rzędu 0,0012 A lub 1,2 mA.
Wnioski:
1. w obwodach z izolowanym punktem neutralnym łatwiej jest zapewnić bezpieczeństwo pracownikom. Zależy to bezpośrednio od jakości warstwy dielektrycznej drutów;
2. w tych samych okolicznościach dotknięcia potencjału jednej fazy obwód z uziemionym punktem zerowym jest bardziej niebezpieczny niż z izolowanym.
Rozważmy przypadek dotknięcia metalowej obudowy urządzenia elektrycznego, jeżeli izolacja warstwy dielektrycznej na potencjale fazowym jest w nim przerwana. Kiedy osoba dotknie tego ciała, prąd przepłynie przez jego ciało do ziemi, a następnie przez przewód neutralny do źródła napięcia.
Obwód zastępczy pokazano na poniższym obrazku. Obciążenie wytworzone przez urządzenie ma rezystancję Rn.
Rezystancja izolacji Riz wraz z R0 i Rh ogranicza międzyfazowy prąd kontaktowy. Wyraża się to stosunkiem: Ih=Uf/(Rh+Riz+R®).
W tym przypadku z reguły już na etapie projektu dobierając materiały dla przypadku gdy R0=0 stara się spełnić warunek: Riz> (Uf / Ihg) -Rh.
Wartość Ihg nazywana jest progiem niedostrzegalnego prądu, którego wartości dana osoba nie odczuje.
Wnioskujemy: rezystancja warstwy dielektrycznej wszystkich części przewodzących prąd względem obrysu ziemi decyduje o stopniu bezpieczeństwa instalacji elektrycznej.
Z tego powodu wszystkie takie rezystancje są znormalizowane i uwzględnione w zatwierdzonych tabelach. W tym samym celu to nie same rezystancje izolacji są normalizowane, ale prądy upływowe, które przepływają przez nie podczas testowania.
Napięcie krokowe
W instalacjach elektrycznych z różnych powodów może dojść do wypadku, gdy potencjał fazowy bezpośrednio zetknie się z pętlą masy. Jeśli na napowietrznej linii elektroenergetycznej jeden z drutów pęka pod wpływem różnego rodzaju obciążeń mechanicznych, to właśnie w tym przypadku objawia się podobna sytuacja.
W tym przypadku w miejscu styku przewodu z ziemią powstaje prąd, który wokół miejsca styku tworzy strefę rozprzestrzeniania się – platformę, na powierzchni której pojawia się potencjał elektryczny. Jego wartość zależy od prądu zwarciowego Iz oraz specyfiki gruntu r.
Osoba, która znajdzie się w granicach tej strefy, podlega działaniu napięcia krokowego Ush, jak pokazano na lewej połowie rysunku. Obszar strefy rozprzestrzeniania jest ograniczony konturem, w którym nie ma potencjału.
Wartość napięcia krokowego oblicza się ze wzoru: Ush=Uz∙β1∙β2.
Uwzględnia napięcie fazowe w miejscu rozpływania się prądu - Uz, które określają współczynniki charakterystyki rozpływu napięcia β1 oraz wpływ rezystancji butów i nóg β2. Wartości β1 i β2 są publikowane w podręcznikach.
Wartość prądu przepływającego przez ciało ofiary oblicza się ze wzoru: Ih=(Uz∙β1∙β2)/Rh.
Po prawej stronie rysunku, w pozycji 2, ofiara styka się z potencjałem przewodu zwartego do masy. Wpływa na to różnica potencjałów między punktem styku z dłonią a konturem ziemi, która wyraża się napięciem styku Upr.
W tej sytuacji prąd oblicza się ze wzoru: Ih=(Uph.c.∙α )/Rh
Wartości współczynnika rozrzutu α mogą zmieniać się w granicach 0÷1 i uwzględniać charakterystyki, które wpływają na Upr.
W rozpatrywanej sytuacji obowiązują te same wnioski, co przy tworzeniu styku jednofazowego dla poszkodowanych w normalnej pracy instalacji elektrycznej.
Jeśli osoba znajduje się poza obecną strefą rozprzestrzeniania się, to znajduje się w strefie bezpiecznej.
Włączenie osoby do sieci elektrycznej może być jednofazowe i dwufazowe. Przełączanie jednofazowe to połączenie osoby między jedną z faz sieci a ziemią. Siła prądu uderzającego w tym przypadku zależy od trybu sieci neutralnej, rezystancji osoby, butów, podłogi, izolacji fazowej względem ziemi. Przełączanie jednofazowe występuje znacznie częściej i często powoduje obrażenia elektryczne w sieciach o dowolnym napięciu. W przypadku przełączania dwufazowego osoba dotyka dwóch faz sieci elektrycznej. Przy podłączeniu dwufazowym prąd płynący przez ciało (prąd uszkadzający) zależy tylko od napięcia sieciowego i rezystancji ciała ludzkiego i nie zależy od trybu zerowego transformatora zasilającego. Sieci elektryczne dzielą się na jednofazowe i trójfazowe. Sieć jednofazowa może być odizolowana od ziemi lub mieć przewód uziemiający. na ryc. 1 pokazuje możliwe opcje podłączenia osoby do sieci jednofazowych.
Tak więc, jeśli osoba dotknie jednej z faz trójfazowej sieci czteroprzewodowej z uziemionym przewodem neutralnym, to będzie praktycznie pod napięciem fazowym (R3≤ RC) i prądem przepływającym przez osobę podczas normalnej pracy sieć praktycznie nie zmieni się wraz ze zmianą rezystancji izolacji i pojemności przewody do ziemi.
Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka
Przechodząc przez ciało, prąd elektryczny ma działanie termiczne, elektrolityczne i biologiczne.
Działanie termiczne objawia się oparzeniami skóry lub narządów wewnętrznych.
Podczas działania elektrolitycznego, w wyniku przepływu prądu, następuje rozkład (elektroliza) krwi i innych płynów organicznych, któremu towarzyszy zniszczenie erytrocytów i zaburzenia metaboliczne.
Efekt biologiczny wyraża się w podrażnieniu i pobudzeniu żywych tkanek organizmu, czemu towarzyszy samoistny, konwulsyjny skurcz mięśni, w tym serca i płuc.
Istnieją dwa główne rodzaje porażenia prądem:
§ uraz elektryczny,
§ szok elektryczny.
Szok elektryczny można z grubsza podzielić na cztery poziomy:
1. konwulsyjne skurcze mięśni bez utraty przytomności;
2. z utratą przytomności, ale z zachowaniem oddychania i funkcji serca;
3. utrata przytomności i zaburzenia czynności serca lub oddychania (lub jedno i drugie);
4. śmierć kliniczna, tj. brak oddychania i krążenia.
Śmierć kliniczna jest okresem przejściowym między życiem a śmiercią, zaczyna się od momentu ustania czynności serca i płuc. Osoba w stanie śmierci klinicznej nie wykazuje oznak życia: nie oddycha, nie bije jej serce, nie ma reakcji na ból; Źrenice oczu są rozszerzone i nie reagują na światło. Należy jednak pamiętać, że w tym przypadku organizm nadal może zostać ożywiony, jeśli pomoc zostanie mu udzielona prawidłowo i na czas. Czas trwania śmierci klinicznej może wynosić 5-8 minut. Jeśli pomoc nie zostanie udzielona na czas, następuje śmierć biologiczna (prawdziwa).
Wynik porażenia prądem elektrycznym zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to wielkość i czas trwania prądu, rodzaj i częstotliwość prądu oraz indywidualne właściwości ciała.
Wyznaczanie rezystancji rozpraszania prądu pojedynczych przewodów uziemiających i procedura obliczania pętli uziemienia ochronnego dla stacjonarnych urządzeń technologicznych (GOST 12.1.030-81. SSBT. Uziemienie ochronne, zerowanie)
Wykonanie urządzeń uziemiających. Istnieją sztuczne elektrody uziemiające, przeznaczone wyłącznie do celów uziemiających, oraz naturalne - części przewodzące pochodzące od osób trzecich, które mają kontakt elektryczny z ziemią bezpośrednio lub przez pośredni środek przewodzący używany do celów uziemiających.
W przypadku sztucznych elektrod uziemiających zwykle stosuje się elektrody pionowe i poziome.
Jako naturalne przewody uziemiające mogą być stosowane: rury wodne i inne metalowe ułożone w ziemi (z wyjątkiem rurociągów cieczy palnych, gazów palnych lub wybuchowych); rury osłonowe studni artezyjskich, studzienek, dołów itp.; metalowe i żelbetowe konstrukcje budynków i budowli, które mają połączenia z gruntem; ołowiane osłony kabli układanych w ziemi; grodzice metalowe konstrukcji hydraulicznych itp.
Obliczenie uziemienia ochronnego ma na celu określenie głównych parametrów uziemienia - liczby, wymiarów i kolejności ułożenia pojedynczych przewodów uziemiających oraz przewodów uziemiających, przy których napięcia dotykowe i krokowe podczas fazy zbliżania się do uziemionej obudowy nie przekraczają wartości dopuszczalnych .
Aby obliczyć uziemienie, wymagane są następujące informacje:
1) charakterystykę instalacji elektrycznej – rodzaj instalacji, rodzaje urządzeń głównych, napięcia robocze, sposoby uziemiania punktów zerowych transformatorów i generatorów itp.;
2) plan instalacji elektrycznej ze wskazaniem głównych wymiarów i rozmieszczenia urządzeń;
3) kształty i rozmiary elektrod, z których planuje się zbudować projektowany zespół uziomów grupowych, a także szacunkową głębokość ich zanurzenia w gruncie;
4) dane pomiarowe rezystywności gruntu na obszarze, na którym ma być wybudowany system uziomów, oraz informacje o warunkach pogodowych (klimatycznych), w jakich wykonano te pomiary, a także charakterystykę strefy klimatycznej. Jeżeli zakłada się, że ziemia jest dwuwarstwowa, to konieczne jest wykonanie pomiarów rezystywności obu warstw ziemi oraz grubości warstwy górnej;
5) dane o naturalnych przewodach uziemiających: jakie konstrukcje można do tego celu zastosować oraz oporność na ich przepływ prądu, uzyskana w drodze bezpośredniego pomiaru. Jeżeli z jakiegoś powodu nie można zmierzyć rezystancji naturalnego przewodu uziemiającego, należy podać informacje w celu obliczenia tej rezystancji;
6) Znamionowy prąd ziemnozwarciowy. Jeśli prąd jest nieznany, oblicza się go zwykłymi metodami;
7) obliczone wartości dopuszczalnych napięć stykowych (i schodkowych) oraz czas trwania zabezpieczenia, jeżeli obliczeń dokonuje się na podstawie napięć stykowych (i schodkowych).
Obliczenia uziemienia są zwykle przeprowadzane w przypadkach, gdy elektroda uziemiająca jest umieszczona w jednorodnym podłożu. W ostatnich latach opracowano i zaczęto stosować inżynierskie metody obliczania przewodów uziemiających w glebie wielowarstwowej.
Przy obliczaniu przewodów uziemiających w glebie jednorodnej uwzględnia się rezystancję górnej warstwy ziemi (warstwy zmian sezonowych) na skutek zamarzania lub wysychania gleby. Obliczenia przeprowadza się metodą opartą na wykorzystaniu współczynników wykorzystania przewodności elektrody uziemiającej i dlatego nazywa się to metodą współczynników wykorzystania. Wykonuje się to zarówno przy prostych, jak i złożonych konstrukcjach uziomów grupowych.
Przy obliczaniu przewodów uziemiających w uziemieniu wielowarstwowym zwykle przyjmuje się model uziemienia dwuwarstwowego z rezystancjami właściwymi odpowiednio górnej i dolnej warstwy r1 i r2 oraz grubością (mocą) górnej warstwy h1. Obliczenia dokonuje się metodą polegającą na uwzględnieniu potencjałów indukowanych na elektrodach wchodzących w skład grupy uziomów, a zatem nazywaną metodą potencjałów indukowanych. Obliczenie przewodów uziemiających w ziemi wielowarstwowej jest bardziej pracochłonne. Daje to jednak dokładniejsze wyniki. Wskazane jest stosowanie go przy skomplikowanych projektach uziemień grupowych, które zwykle mają miejsce w instalacjach elektrycznych ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym, czyli w instalacjach o napięciu 110 kV i wyższym.
Przy obliczaniu urządzenia uziemiającego w jakikolwiek sposób konieczne jest określenie wymaganej rezystancji dla niego.
Określenie wymaganej rezystancji urządzenia uziemiającego odbywa się zgodnie z PUE.
Dla instalacji o napięciu do 1 kV rezystancja uziemiacza stosowanego do uziemienia ochronnego odsłoniętych części przewodzących w systemie typu IT musi spełniać warunek:
gdzie Rz jest rezystancją urządzenia uziemiającego, om; Upr.adm - napięcie dotykowe, którego wartość przyjmuje się na 50 V; Iz to całkowity prąd zwarcia doziemnego, A.
Z reguły nie jest wymagane przyjmowanie wartości rezystancji urządzenia uziemiającego jako mniejszej niż 4 omy. Dopuszczalna jest rezystancja urządzenia uziemiającego do 10 Ohm, jeżeli powyższy warunek jest spełniony, a moc transformatorów i generatorów zasilających sieć nie przekracza 100 kVA, wliczając w to sumaryczną moc transformatorów i (lub) generatorów pracujących równolegle.
W przypadku instalacji o napięciu powyżej 1 kV powyżej 1 kV rezystancja urządzenia uziemiającego musi odpowiadać:
0,5 oma ze skutecznie uziemionym przewodem neutralnym (tj. z wysokimi prądami ziemnozwarciowymi);
250 / Iz, ale nie więcej niż 10 omów z izolowanym punktem zerowym (tj. przy niskich prądach zwarcia doziemnego) i pod warunkiem, że uziemnik jest używany tylko w instalacjach elektrycznych o napięciu powyżej 1000 V.
W tych wyrażeniach Iz jest znamionowym prądem ziemnozwarciowym.
W trakcie eksploatacji może wystąpić wzrost rezystancji na przepływ prądu przewodu uziemiającego ponad obliczoną wartość, dlatego konieczne jest okresowe monitorowanie wartości rezystancji przewodu uziemiającego.
Pętla uziemienia
Pętla masy to klasycznie grupa pionowych elektrod o małej głębokości, połączonych poziomym przewodem, zamontowanych w pobliżu obiektu w stosunkowo niewielkiej odległości od siebie.
Jako elektrody uziemiające w takim urządzeniu uziemiającym tradycyjnie stosowano stalowy kątownik lub zbrojenie o długości 3 metrów, które wbijano w ziemię młotem kowalskim.
Jako przewód łączący zastosowano taśmę stalową 4x40 mm, którą umieszczono w przygotowanym wcześniej wykopie o głębokości 0,5–0,7 metra. Przewód łączono z zamontowanymi elektrodami uziemiającymi za pomocą spawania elektrycznego lub gazowego.
Aby zaoszczędzić miejsce, pętla uziemienia jest zwykle „składana” wokół budynku wzdłuż ścian (wzdłuż obwodu). Jeśli spojrzeć na ten uziom z góry, można powiedzieć, że uziomy są zamontowane wzdłuż obrysu budynku (stąd nazwa).
Pętla uziemiająca jest więc elektrodą uziemiającą, składającą się z kilku elektrod (grupy elektrod) połączonych ze sobą i zamontowanych wokół budynku wzdłuż jego obrysu.
Przypadki porażenia prądem elektrycznym są możliwe tylko wtedy, gdy obwód elektryczny jest zamknięty przez ciało człowieka lub innymi słowy, gdy osoba dotknie co najmniej dwóch punktów obwodu, między którymi występuje napięcie.
Niebezpieczeństwo takiego dotknięcia, oszacowane na podstawie wielkości prądu przepływającego przez ludzkie ciało lub napięcia dotyku, zależy od wielu czynników: obwodu do podłączenia osoby do obwodu, napięcia sieciowego, obwód samej sieci, tryb jej neutralności, stopień izolacji części przewodzących prąd od ziemi, a także od wartości pojemności części przewodzących prąd względem ziemi itp.
Schematy włączania osoby do łańcucha mogą być różne. Jednak najbardziej charakterystyczne są dwa schematy przełączania: między dwoma przewodami oraz między jednym przewodem a masą (ryc. 68). Oczywiście w drugim przypadku zakłada się, że istnieje połączenie elektryczne między siecią a ziemią.
W odniesieniu do sieci prądu przemiennego pierwszy obwód jest zwykle nazywany przełączaniem dwufazowym, a drugi - jednofazowym.
Przełączanie dwufazowe, czyli osoba dotykająca jednocześnie dwóch faz, z reguły jest bardziej niebezpieczna, ponieważ najwyższe napięcie w tej sieci przykładane jest do ludzkiego ciała - liniowe, a zatem przez osoba:
gdzie Ih jest prądem przepływającym przez ludzkie ciało, A; UL \u003d √3 Uf - napięcie liniowe, tj. napięcie między przewodami fazowymi sieci, V; Uf - napięcie fazowe, czyli napięcie między początkiem a końcem jednego uzwojenia (lub między przewodem fazowym a przewodem neutralnym), V.
Ryż. 68. Przypadki włączenia osoby w obwód prądowy:
a - inkluzja dwufazowa; b, c - wtrącenia jednofazowe
Łatwo sobie wyobrazić, że przełączanie dwufazowe jest równie niebezpieczne w sieci z izolowanymi i uziemionymi przewodami neutralnymi.
W przypadku podłączenia dwufazowego niebezpieczeństwo obrażeń nie zmniejszy się, nawet jeśli osoba jest niezawodnie odizolowana od podłoża, tj. jeśli ma na nogach gumowe kalosze lub buty lub stoi na izolującej (drewnianej) podłodze lub na dielektryku mata.
Przełączanie jednofazowe występuje znacznie częściej, ale jest mniej niebezpieczne niż przełączanie dwufazowe, ponieważ napięcie, pod którym znajduje się dana osoba, nie przekracza pierwszej fazy, czyli 1,73 razy mniej niż liniowe. W związku z tym prąd przepływający przez osobę jest mniejszy.
Ponadto na wartość tego prądu wpływa również tryb neutralny źródła prądu, rezystancja izolacji i pojemność przewodów względem ziemi, rezystancja podłogi, na której stoi osoba, rezystancja jego butów, i kilka innych czynników.
W trójfazowej sieci trójprzewodowej z izolowanym przewodem neutralnym prąd przepływający przez osobę dotykającą jednej z faz sieci podczas jej normalnej pracy (ryc. 69, a) jest określony przez następujące wyrażenie w złożony forma (A):
gdzie Z jest złożoną impedancją jednej fazy względem ziemi (Ohm):
tutaj r i C to odpowiednio rezystancja izolacji drutu (Ohm) i pojemność drutu (F) względem ziemi (dla uproszczenia są one takie same dla wszystkich przewodów sieci).
Ryż. 69. Dotykanie osoby przewodem trójfazowej sieci trójprzewodowej z izolowanym przewodem neutralnym: a - w trybie normalnym; b - w trybie awaryjnym
Prąd w postaci rzeczywistej to (A):
, (35)
Jeżeli pojemność przewodów względem ziemi jest mała, tj. C = 0, co zwykle ma miejsce w sieciach napowietrznych o małej długości, to równanie (35) przyjmie postać
, (36)
Jeżeli pojemność jest duża, a przewodność izolacji jest znikoma, tj. r ≈ ∞, co zwykle ma miejsce w sieciach kablowych, to zgodnie z wyrażeniem (35) prąd płynący przez osobę (A) będzie wynosił:
, (37)
gdzie xc \u003d 1 / wC - pojemność, Ohm.
Z wyrażenia (36) wynika, że w sieciach z izolowanym przewodem neutralnym, które mają znikomą pojemność między przewodami a ziemią, niebezpieczeństwo dotknięcia jednej z faz podczas normalnej pracy sieci zależy od rezystancji druty względem ziemi: wraz ze wzrostem oporu zmniejsza się niebezpieczeństwo.
Dlatego bardzo ważne jest zapewnienie wysokiej rezystancji izolacji w takich sieciach i monitorowanie jej stanu w celu szybkiego wykrywania i usuwania usterek.
Jednak w sieciach o dużej przepustowości względem ziemi rola izolacji przewodów w zapewnieniu bezpieczeństwa dotykowego jest tracona, co widać z równań (35) i (37).
W awaryjnym trybie pracy sieci, tj. gdy jedna z faz została zwarta do ziemi przez mały opór gzm, prąd płynący przez osobę, która dotknęła zdrowej fazy (ryc. 69, b) będzie (A):
, (38)
oraz napięcie dotykowe (V):
, (39)
Jeśli założymy, że rzm = 0 lub przynajmniej założymy, że rzm< Rh (так обычно бывает на практике), то согласно выражению (39)
, (40)
tj. osoba będzie pod napięciem liniowym.
W rzeczywistych warunkach gzm > 0 napięcie, przy którym osoba, która w okresie awaryjnym dotknie zdrowej fazy sieci trójfazowej z izolowanym przewodem neutralnym, będzie znacznie większe od napięcia fazowego i nieco mniejsze od napięcia liniowego sieci trójfazowej. sieć. Tym samym ten przypadek dotknięcia jest wielokrotnie bardziej niebezpieczny niż dotknięcie tej samej fazy sieci podczas normalnej pracy.
pracować [patrz równania (36) i (39), pamiętając, że r/3>rzm].
W trójfazowej czteroprzewodowej sieci z uziemionym przewodem neutralnym przewodnictwo izolacji i pojemność przewodów względem ziemi są małe w porównaniu z przewodnictwem przewodu neutralnego, dlatego przy określaniu prądu płynącego przez osobę dotykającą fazy sieci można je pominąć.
W normalnym trybie pracy sieci prąd przepływający przez osobę będzie wynosił (ryc. 70, a):
, (41)
gdzie r0 jest neutralną rezystancją uziemienia, Ohm.
Ryż. 70. Osoba dotykająca przewodu fazowego trójfazowej czteroprzewodowej sieci z uziemionym punktem zerowym:
a - w trybie normalnym; b - w trybie awaryjnym
W zwykłych sieciach r0< 10 Ом, сопротивление тела человека Rh не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в уравнении (41) можно пренебречь значением г0 и считать, что при прикосновении к одной из фаз трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью человек оказывается практически под фазным напряжением Uф, а ток, проходящий через него, равен частному от деления Uф на Rh
Wynika z tego, że dotknięcie fazy sieci trójfazowej z przewodem neutralnym uziemionym podczas jej normalnej pracy jest bardziej niebezpieczne niż dotknięcie fazy normalnie pracującej sieci z przewodem neutralnym izolowanym [por. równania (36) i (41)], ale mniej niebezpieczne jest dotknięcie nienaruszonej fazy sieci izolowanym punktem neutralnym w okresie awaryjnym [por. równania (38) i (41)], gdyż w niektórych przypadkach rzm może niewiele różnić się od r0.
Istnieć różne schematy włączenie osoby w obwód prądu elektrycznego:
Kontakt jednofazowy - dotknięcie przewodu jednej fazy istniejącej instalacji elektrycznej;
Kontakt dwufazowy - jednoczesny kontakt z przewodami dwóch faz istniejącej instalacji elektrycznej;
Dotykanie nieprzewodzących prądu części instalacji elektrycznych, które znajdują się pod napięciem w wyniku uszkodzenia izolacji;
Załączanie napięcia krokowego - przełączanie między dwoma punktami ziemi (gleby), które znajdują się pod różnymi potencjałami.
Rozważ najbardziej charakterystyczne schematy włączania osoby do obwodu prądu elektrycznego.
Dotyk jednofazowy w sieci z solidnie uziemionym przewodem neutralnym. Prąd płynący przez ludzkie ciało ( ja godz) z dotykiem jednofazowym (ryc. 6) zamyka się w obwodzie: faza Ł 3 - ludzkie ciało - podstawa (podłoga) - uziemienie neutralne - neutralne (punkt zerowy).
Ryż. 6. Schemat jednofazowego dotyku w sieci
z solidnie uziemionym punktem neutralnym
Zgodnie z prawem Ohma:
Gdzie R o - rezystancja uziemienia neutralnego,
R osn - opór bazowy.
Jeśli podstawa (podłoga) jest przewodząca, to R podstawa ≈ 0
Biorąc pod uwagę fakt, że R O " R godz, To
ty godz = u F
Taki kontakt jest niezwykle niebezpieczny.
Kontakt jednofazowy w sieci z izolowanym punktem neutralnym. Prąd płynący przez ludzkie ciało (ryc. 7) zamknie się w obwodach: faza Ł 3 - ludzkie ciało - podłoga, a następnie wraca do sieci poprzez izolację faz Ł 2 i Ł 1, tj. wtedy prąd podąża za obwodami: izolacja faz Ł 2 - faza Ł 2 - neutralny (punkt zerowy) i izolacja fazowa Ł 1 - faza Ł 1 - neutralny (punkt zerowy). Tak więc w obwodzie prądu przepływającego przez ciało człowieka izolacje faz włączane są szeregowo z nim. Ł 2 i Ł 1 .
Ryż. 7. Schemat jednofazowego dotyku w sieci
z izolowanym przewodem neutralnym
Rezystancja izolacji fazowej Z ma aktywny ( R) i elementy pojemnościowe ( Z).
R- charakteryzuje niedoskonałość izolacji, tj. zdolność izolacji do przewodzenia prądu, choć znacznie gorsza niż metale;
Z- pojemność fazy względem ziemi jest określona przez wymiary geometryczne wyimaginowanego kondensatora, którego „płyty” są fazami i uziemieniem.
Na R 1 = R 2 = R 3 = R f i Z 1 = Z 2 = Z 3 = Z Prąd F przepływający przez ciało człowieka:
Gdzie Z- impedancja izolacji przewodu fazowego względem ziemi.
Jeśli pojemność faz jest zaniedbana Z f = 0 (sieci antenowe o małym zasięgu), to:
stąd wynika, że wielkość prądu zależy nie tylko od rezystancji człowieka, ale także od rezystancji izolacji przewodu fazowego względem ziemi.
jeśli np. R 1 = R 2 = R 3 = 3000 omów, zatem
; ty godz= 0,0111000 = 110 V
Dotyk dwufazowy. Przy dotyku dwufazowym (ryc. 8), niezależnie od trybu neutralnego, osoba będzie pod napięciem sieciowym u l i zgodnie z prawem Ohma:
Na u l=380V: I= 380/1000 = 0,38 A = 380 mA.
Ryż. 8. Schemat dwufazowego dotyku człowieka
Zetknięcie dwufazowe jest niezwykle niebezpieczne, takie przypadki są stosunkowo rzadkie i zwykle są wynikiem pracy pod napięciem w instalacjach elektrycznych do 1000 V, co jest naruszeniem przepisów.
Dotknięcie metalowej obudowy, która jest pod napięciem. Dotknięcie korpusu instalacji elektrycznej (ryc. 9), w której faza ( Ł 3) zamknięty na obudowie, równoznaczny z dotknięciem samej fazy. Dlatego omówiona wcześniej analiza i wnioski dla przypadków styku jednofazowego w pełni odnoszą się do przypadku zwarcia doziemnego.
Ryż. 9. Schemat osoby dotykającej metalu
kadłub pod napięciem