Электробезопасность для человека

 

 

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Безопасность жизнидеятельности»

По теме: «Электробезопасность»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. АСУ-03-у

Кольчурин В.И.

Проверил:           Бердышев О.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2006

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Воздействие электрического тока на организм человека

 

Проходя через живой организм эл. ток производит действие :

Тепловое воздействие проявляется в виде ожогов участков кожи тела, перегрева различных органов, а также возникающих в результате перегрева разрывов кровеносных сосудов и нервных волокон, иногда наблюдается обугливание тканей или своеобразные образования - "жемчужные бусы" - расплавление костного вещества с выделением фосфорнокислого кальция.

Химическое действие ведет к электролизу крови и других, содержащихся в организме растворов, что приводит к изменению их физико-химических свойств. Образующиеся при электролизе газы и пары придают тканям ячеистое строение. При соприкосновении тела человека с металлами при электролизе возникает металлизация кожи, цвет которой зависит от цвета металла.

Биологическое действие электрического тока проявляется в опасном возбуждении живых клеток и тканей организма, в результате чего они могут погибнуть. При прохождении тока через тело человека возникает возбуждение мускулатуры и нервных рецепторов, наблюдаются судороги скелетных мышц, которые приводят к остановке дыхания, открытым переломам и вывихам конечностей.

При воздействии электрического тока на организм человека происходят нарушения основных физиологических функций - дыхания, работы сердца, обмена веществ, а также электролиз крови и др. изменения.

Действие электрического тока на человека может привести к двум видам поражений: электротравме и электроудару.

Электрические травмы - это местные поражения тканей организма, которые делятся на электрические ожоги, электрические знаки, металлизацию кожи и механические повреждения. Электрические ожоги возникают при прохождении через тело человека значительных (более 1 А) токов. При этом выделяется тепло, достаточное для нагрева тканей тела до температуры 60-70 градусов, при которой свертывается белок и возникает ожог. При напряжении выше 1000 В ожоги могут образовываться без контакта человека с токоведущими частями при возникновении искрового разряда, переходящего в электрическую дугу. Температура дуги достигает 4000 град. От воздействия электрической дуги между токоведущими частями ожоги возможны и при напряжении до 1000 В.

Электрические знаки (метки тока) возникают при контакте с токоведущими частями и представляют собой припухлость с затвердевшей кожей серого или желтовато-бурого цвета овальной формы. Края знака очерчены серой или белой каймой. Эти знаки безболезненны, но могут привести к нарушению функции пораженного органа.

Электрометаллизация кожи - проникновение под поверхность кожи частиц металла вследствие разбрызгивания и испарения его под действием тока (дуги) или вследствие электролиза в месте соприкосновения человека с токоведущими частями.

Механические повреждения - это повреждения, полученные в результате непосредственного действия электрического тока и последующего падения или удара (потеря сознания, равновесия).

Электрический удар - действие тока на организм человека, в результате которого мышцы тела (рук, ног) начинают судорожно сокращаться. В тяжелых случаях теряется сознание и нарушается работа сердечно-сосудистой системы, что ведет к смертельному исходу. Электрический удар наблюдается при малых (до нескольких миллиампер) токах и чаще при напряжении до 1000 В. При этом выделение тепловой энергии мало и не вызывает ожога. Ток действует на нервную систему и на мышцы, причем может возникнуть паралич поврежденных органов. Паралич дыхательных мышц, а также мышц сердца может привести к смертельному исходу.

 

2. Факторы влияющие на исход поражения электрическим током

На исход опасного и вредного воздействия на человека электрического тока влияют следующие факторы:

Величина тока.

Характер воздействия постоянного и переменного токов на организм человека приведены в табл. 2.

Таблица 2

I, мА	Переменный (50 Гц)	Постоянный
0,5-1,5	Ощутимый. Легкое дрожание пальцев.	Ощущений нет.
2-3	Сильное дрожание пальцев.	Ощущений нет.
5-7	Судороги в руках.	Ощутимый ток. Легкое дрожание пальцев.
8-10	Не отпускающий ток. Руки с трудом отрываются от поверхности, при этом сильная боль.	Усиление нагрева рук.
20-25	Паралич мышечной системы (невозможно оторвать руки).	Незначительное сокращение мышц рук.
50-80	Паралич дыхания.	При 50мА неотпускающий ток.
90-100	Паралич сердца.	Паралич дыхания.
100	Фибрилляция (разновременное, хаотическое сокращение сердечной мышцы)	300 мА фибрилляция.

 

Ток, проходящий через тело человека (Iч), условно определяют по закону Ома.

.

где: Uпр – приложенное напряжение, Rч – сопротивление тела человека.

Для расчетов условно принимают Rч=1000 Ом.

Продолжительность действия тока влияет на исход поражения - чем меньше время действия тока, тем меньше вероятность опасного поражения человека, так как:

а) остановка дыхания происходит не мгновенно, а через определенное время, длительность которого пропорциональна величине тока;

б) по мере действия электричества на человека сопротивление его тела уменьшается, а сила тока возрастает;

в) полный цикл работы сердца составляет около 1 секунды, причем в каждом цикле в течение 0,15-0,2 с. (рис. 2.1) сердце наиболее чувствительно к току (фаза Т), а в остальное время цикла сравнительно большие токи не вызывают фибрилляцию сердца; при кратковременном воздействии тока возможно несовпадение действия с фазой Т.

Рис. 2.1. Кардиограмма здорового человека

Путь тока (петля тока) в теле человека. Наиболее тяжелое поражение вероятно, если на пути тока оказывается сердце, грудная клетка, головной или спинной мозг. Смертельный путь прохождения тока: голова - левая рука (левая нога).

Рис. 2.2 Пути протекания тока

Род и частота тока. Переменный ток частотой 50-60 Гц наиболее опасен, и опасность почти не снижается до частоты 500 Гц. Однако постоянный ток - ниже порога ощущения - при быстром разрыве цепи дает очень резкие удары.

Отметим, наиболее опасен переменный ток частоты 20-100 Гц, а токи частотой свыше 500000 Гц могут вызвать лишь термические ожоги.

При напряжениях менее 500 В наиболее опасен переменный ток, свыше 500 В – постоянный.

Сопротивление тела человека - зависит от:

·         состояния кожи (сухая, влажная, чистая и т.п.);

·         плотности и площади контакта;

·         величины и частоты тока и приложенного напряжения;

·         времени воздействия тока на человека.

Необходимо отметить, что на теле человека имеется ряд определенных точек, наиболее чувствительных к электрическому току и имеющих пониженное сопротивление: поверхности, лба, ладоней, подошв, шеи и др.

Индивидуальные особенности людей в значительной мере влияют на исход поражения. Характер воздействия одной и той же величины тока зависит от состояния нервной системы и здоровья человека. Более подвержены воздействию электрического тока дети и пожилые люди или лица с заболеваниями нервной системы, сердца, легких. Для женщин пороговые значения тока в 1,5 раза ниже. Имеет значение и фактор внимания - тяжелее воздействие, когда оно неожиданно.

Величина напряжения сама по себе не обуславливает тяжести  поражения, но от величины напряжения зависит величина тока,    проникающего в тело человека. Имеются случаи гибели людей при низком напряжении.

 

 

3. Классификация помещений по опасности поражения током

 

- Помещения I класса. Особо опасные помещения.

1. 100 % влажность;
2. наличие активной среды.

- Помещения II класса. Помещения повышенной опасности поражения эл. током.

1. повышенная температура воздуха (t = + 35 °С);
2. повышенная влажность (> 75 %);
3. наличие токопроводящей пыли;
4. наличие токопроводящих полов;
5. наличие электрических установок (заземленных) — возможности прикосновения одновременно и к электрической установке и к заземлению или к двум электрическим установкам одновременно.

- Помещения III класса. Мало опасные помещения. Отсутствуют признаки, характерные для двух предыдущих классов..

 

 

4. Основные меры защиты от поражения эл. током являются

4.1 Защитное заземление.

 

Защитное заземление – преднамеренное соединение корпуса оборудования с землей через проводник с малым по величине сопротивлением (4-10 Ом).

При пробое фазы на корпус ток в основном течет по пути наименьшего сопротивления.

Если сопротивление пути через человека есть сумма сопротивлений человека, обуви, пола и изоляции (или рабочего заземления), а сопротивление пути через защитный заземлитель только сопротивление защитного заземлителя, то ясно, что по человеку пойдет не более 0,1% всего тока.

Защитное заземление применяется в основном в сетях с изолированной нейтральной точкой до 1000 В.

 

Назначение, сущность и область применения защитного заземления

Защитное заземление предназначено для защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.

Оно представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом (в дальнейшем землей) металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Соединение металлических нетоковедущих частей оборудования с землей осуществляется с помощью заземляющего устройства, представляющего собой совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителей. Заземляющий проводник - проводник, соединяющий заземляющие части с заземлителем, представляющим собой проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей.

В качестве заземляющих проводников рекомендуется использовать проводники, специально предназначенные для этой цели, а также металлические строительные, производственные и электромонтажные конструкции.

Применяют естественные и искусственные заземлители. В качестве естественных заземлителей используют электропроводящие части строительных и производственных конструкций и коммуникаций :

а) проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;

б) обсадные трубы скважин;

в) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;

г) свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;

д) рельсовые пути магистральных неэлектрофицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами.

В качестве искусственных заземлителей рекомендуется применять :

а) углубленные заземлители - полосы или круглая сталь, укладываемые горизонтально на дно котлована по периметру фундаментов;

6} вертикальные заземлители - стальные стержни или угловая  сталь (длина стержневых электродов  должна быть 4,5-5 м, электродов из угловой стали - 2,5-3 м);

в) горизонтальные заземлители - круглая сталь в стальные полосы.

Количество, геометрические размеры и способ расположения заземлителей должны обеспечить при данном сопротивлении грунта необходимую величину сопротивления заземления.

Принцип действия защитного заземления заключается в снижении напряжения до малого значения между защищаемым элементом оборудования, оказавшимся под напряжением, и землей.

Согласно Правилам устройства электроустановок и ГОСТ 12.1.030-81 заземление электроустановок необходимо выполнить:

1. При номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока  и 440 В и выше постоянного тока - во всех случаях.

2. При номинальных напряжениях  выше 42 В переменного тока и 110 В постоянного тока при работах  в условиях (помещениях) с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78 .

3. При всех напряжениях  переменного и постоянного тока  во взрывоопасных (установках) помещениях.

 

Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность:

сырости, когда относительная влажность воздуха длительно превышает 75 %;

высокой температуры, когда температура воздуха длительно (свыше суток) превышает +35 °С;

токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов и т.п.;

токопроводящях полов - металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и т.п.;

возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т.п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования - с другой.

 

Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность:

особой сырости, когда относительная влажность воздуха близка к 100 %,

химически активной или органической среды (в таких помещениях постоянно или в течение длительном времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень, действующие разрушающе на изоляцию и токоведущие части электрооборудования);

одновременным наличием двух и более условий, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Остальные помещения относятся к помещениям без повышенной опасности.

Заземлению подлежат металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, ручных инструментов и т.п.; приводы электрических выключателей и разъединителей, каркасы и ограждения щитов, пультов и шкафов и т.п.

 

Растекание тока в земле

При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства. При этом возникает опасность поражения человека током, так как между корпусов оборудования и землей, а также между отдельными точками грунта, где могут находиться люди, возникают напряжения.

Чтобы определить степень опасности поражения людей электрическим током при замыкании на землю, т.е. величину тока, проходящего через человека, находящегося вблизи места замыкания на землю или касающегося заземленного корпуса электрооборудования, рассмотрим закон распределения потенциалов на поверхности земли при растекании в нем тока.

Форма заземлителя может быть очень сложной. Состав, а следовательно, электрические свойства грунтов, как правило, неоднороден, особенно если учесть слоистое строение грунта. Поэтому закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью.

Чтобы упростить картину электрического поля и его анализ, сделаем следующие допущения: заземлитель имеет форму полусферы; грунт (земля) однородный и изотропный; удельное сопротивление грунта во много раз больше удельного сопротивления материала заземлителя (металла).

Если другой электрод находится достаточно далеко, то линии тока вблизи исследуемого заземлителя направлены по радиусам от его центра. При этом линии тока перпендикулярны как к поверхности самого заземлителя, так и к любой полусфере в грунте, концентричной с ним (рис.4.0.1).

 

 

 

 

 

Рис.4.0.1. Растекание тока замыкания на землю 
в грунте через полусферический заземлитель

 

 

 

 

 

 

 

Стекающий с заземлителя ток создает в грунте с удельным электрическим сопротивлением ρ электрическое поле напряженностью Ε. Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома:

,

где j - плотность электрического тока в зоне растекания в земле.

Поскольку грунт однородный и изотропный, ток распределяется по поверхности электрических полусфер равномерно. Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии x от заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю Jз, к площади поверхности полушара радиусом X :

(2)

Эта поверхность является эквипотенциальной.

Выделив на расстоянии х от заземлителя элементарный слой толщиной dх, получим падение напряжения в этом слое:

DU=Edx (3) 
Потенциал произвольно выбранной точки А, т.е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, найдем из выражения

(4)

Решая совместно уравнения (I) - (4), получим

(5)

Если приравнять

,

то получим уравнение гиперболы:

Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника - грунта, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя.

Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Те точки поверхности грунта, потенциал которых может быть принят равным нулю, называются электротехнической землей. Плотность тока в электротехнической земле также может быть принята равной нулю.

Зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю, называется зоной растекания тока замыкания на землю.

Принято считать, что электротехническая земля в зависимости от свойств грунта начинается с расстояния 10-20 м от заземлителя, так как на этом расстоянии и далее потенциал грунта не превышает нескольких процентов от потенциала заземлителя.

Таким образом, при полушаровом заземлителе потенциал точек на поверхности земли изменяется по гиперболе. Если пренебречь точками, расположенными в непосредственной близости от заземлителя, полученная зависимость может быть с некоторым приближением использована для изучения поля растекания и при других заземлителях (стержень под уголок).

Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель. На поверхности заземлителя, где расстояние от центра равно rз, потенциал или напряжение заземлителя относительно земли

(6)

здесь Rз - сопротивление растеканию тока.

Если какая-либо точка электрической цепи оказывается в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток Iз, потенциал заземлителя φз сообщается и данной точке. Это обстоятельство, благодаря которому в результате, контакта с заземлителем любая точка электрической цепи может создать свой потенциал 
(напряжение относительно земли) до величины IзRз, используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.

Определение величины тока однофазного замыкания на землю

Электрическим замыканием на землю называется случайное электрическое соединение токоведущей части непосредственно с землей или нетоковедущими проводящими конструкциями, или предметами, не изолированными от земли.

Током замыкания на землю называется ток, проходящий через место замыкания на землю.

 

 

 

 

 

Рис.4.0.2. Схема измерения; величины тока однофазного замыкания на землю

 

 

 

 

 

Величина тока однофазного замыкания на землю в общем случае зависит от режима нейтрали (изолированная или глухозаземленная нейтраль), мощности, протяженности и конструкции сети (воздушная или кабельная), состояния 
изоляции и емкости проводов и т.п.

Некоторые параметры электрических сетей в процессе их эксплуатации изменяются. Поэтому определить величину тока однофазного замыкания на землю аналитическим путём довольно трудно. На практике обычно величину тока замыкания на землю определяют путем измерения с помощью амперметра, включенного в заземляющий провод непосредственно через трансформатор тока (рис.4.0.2).

В целом токи замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В обычно невелики. В установках и помещениях без повышенной опасности, с нормальными условиями среды этот ток не превышает нескольких ампер; в особо опасных помещениях он пожег достигать десятков ампер.

Напряжения прикосновения и шага

Напряжение прикосновения - напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

 

 

Рис.4.0.3. Напряжение прикосновения к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением

 

 

 

 

 

Для человека, стоящего на грунте и касающегося заземленного корпуса, оказавшегося под напряжением (рис. 4.0.3), напряжение прикосновения

Uпр= φр - φн ,                                  (7)

где φр, φн - соответственно величины потенциалов руки и ног.

Так как человек касается корпуса, то потенциал корпуса (напряжение его относительно земли)

φк = φр

На рис.3 показаны два корпуса потребителей (I и 2), присоединенных к заземлителю Rз. Потенциалы всех корпусов одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводником, сопротивление которого мало. Для упрощения анализа падением напряжения в заземляющих проводниках ввиду его малости будем пренебрегать и считать, что Uк=Uз, т.е. напряжения корпуса и заземлителя относительно земли равны между собой.

Как видно на рис.3, потенциалы ног человека зависят от его 
местоположения относительно заземлителя. По мере удаления от заземлителя потенциалы ног человека уменьшаются (φ1 > φ2).

Следовательно, по мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения в соответствии с выражением (7) возрастает (Uпр2>Uпр1) и у корпуса потребителя, находящегося за пределами зоны растекания тока, оно равно напряжению корпуса относительно земли, так как человек стоят на земле, где потенциал ног равен нулю.

В общем случае напряжение прикосновения может быть определено из выражения

Uпр =  α1α2Uз ,                (8)

где α1 - коэффициент напряжения прикосновения, учитывавший форму потенциальной кривой (зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения точки, в которой он определяется относительно заземлителя), α1=0,1...0,75;

α2  -   коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека (сопротивление обуви и сопротивление опорной поверхности ног растеканию тока или сопротивление пола).

Напряжение шага - напряжение между двумя точками цепи тока, которые находятся одна от другой на расстоянии шага (0,8 м) и на которых одновременно стоит человек.

 

 

 

Рис. 4.0.4. Напряжение шага

 

 

 

 

 

 

 

Человек, находящийся в зоне растекания, оказывается под напряжением шага, если его ноги находятся в точках А и В с разными потенциалами (рис. 4.0.4):

Uш=φA- φB,                 (9)

Как видно из рис.4, по мере удаления от заземлителя величина напряжения шага уменьшается (Uш1>Uш2). Человек, находящийся вне зоны растекания тока замыкания на землю, вообще не попадает под напряжение шага, так как потенциалы обеих ног человека равны нулю.

В общем случае напряжение шага так же, как и напряжение прикосновения, может быть выражено через напряжение заземлителя:

Uш = β1β2Uз,              (10)

где β1, - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, β1 = 0,10...0,15;

β2 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи (сопротивление обуви и сопротивление пола).

 

Нормирование параметров защитного заземления

Поскольку заземление должно обеспечивать безопасность при прикосновении к нетоковедущим частям, случайно оказавшимся под напряжением, то величина напряжений прикосновения не должна превосходить предельно допустимых уровней:

Uпр≤ Uпр.д,                (11)

 

Согласно ГОСТ 12.1.038-82 предельно допустимый уровень напряжения прикосновения для установок переменного тока напряжением до 1000 В при продолжительности воздействия тока свыше 1 с принимается равным 36 В.

Исходя из приведенных условий, можно нормировать сопротивление заземления и коэффициенты напряжения прикосновения α1 и шага β1, учитывая величину тока замыкания на землю в данной установке.

Действующие Правила устройства электроустановок предусматривают расчет заземления исходя из заданных значений сопротивлений заземляющих устройств Rз.

Наибольшие допустимые величины Rз установлены ГОСТ 12.1.030-81: для установок с рабочим напряжением до 1000 В - не более 10 Ом, для установок с рабочим напряжением > 1000 В - не более 250/Iз Ом,

Если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 и выше 1000 В, то сопротивление заземления принимается не более 125/Iз

Расчетная сила тока замыкания на землю Iз, должна быть определена для той из возможных в эксплуатации схемы сети, при которой имеет наибольшее значение.

 

Измерение величины сопротивления защитного заземления

Сопротивление заземления складывается из сопротивления почвы растеканию тока в объеме между заземляющим устройством (заземлителем) и точками почвы с нулевым потенциалом, а также переходного сопротивления от заземлителя к почве и сопротивления заземляющих проводников. Два последних сопротивления обычно очень незначительны (порядка сотых долей) и при расчете не учитываются.

Сопротивление защитного заземления (заземляющего устройства) является его важнейшим параметром, „поэтому измерение должно выполняться весьма тщательно. Сопротивление заземления необходимо измерять в периоды наименьшей проводимости грунта: зимой при наибольшем его промерзании, летом при наибольшем просыхании.