МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению лабораторных работ по курсу
для студентов всех специальностей
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Красноярск, 2012 г.
Рецензент: Калинин А.А., к.т.н., профессор, академик МАН экологии и безопасности.
Оценка эффективности способов защиты человека от поражения электрическим током. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей/ составили Емец А.А., Красноярск, 2012, 19 с.
Печатается по решению
Редакционно-издательского совета университета
Печатается в авторской редакции
Лабораторные работы
« Оценка эффективности способов защиты человека от поражения электрическим током»
Цель работы— изучение количественных и качественных характеристик защитного заземления, защитного зануления и устройства защитного отключения (УЗО), как средств защиты человека от поражения электрическим током.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Электробезопасность — система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту работающих от воздействия электрического тока.
Поражение человека электрическим током может произойти при прикосновениях:
— к токоведущим частям, находящимся под напряжением;
— отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения;
— к металлическим нетоковедущим частям электроустановок после перехода на них напряжения с токоведущих частей.
Характер и последствия поражения человека электрическим током зависят от ряда факторов, в том числе и от:
— электрического сопротивления тела человека,
— величины и длительности протекания через него тока,
— рода и частоты тока,
— схемы включения человека в электрическую цепь,
— состояния окружающей среды
— индивидуальных особенностей организма.
Электрическое сопротивление тела человека складывается из сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей.
При расчетах
сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом.
Сила тока, протекающего через тело человека, является главным фактором, от которого зависит исход поражения: чем больше сила тока, тем опаснее последствия.
Сила тока, протекающего через тело человек, при которой человек начинает ощущать проходящий через него ток, называется пороговым ощутимым током. Обычно, при частоте токапромышленной частоты 50 Гц пороговым ощутимым является значение 0,5. 1,5 мА.
Ток силой 10. 15 мА вызывает сильные и непроизвольные судороги мышц, которые человек не в состоянии преодолеть, т. е. он не может разжать руку, которой касается токоведущей части, отбросить от себя провод, оказываясь как бы прикованным к токоведущей части. Такой ток называется пороговым неотпускающим.
При силе тока 20. 25 мА у человека происходит судорожное сокращение мышц грудной клетки, затрудняется и даже прекращается дыхание, что может привести к смерти вследствие прекращения работы легких.
Ток силой 100 мА является смертельно опасным, так как он в этом случае оказывает непосредственное влияние на мышцы сердца, вызывая его остановку или фибрилляцию (быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы), при которой сердце перестает работать.
Длительность протекания тока через тело человека определяет исход поражения им, так как с течением времени резко возрастает сила тока вследствие уменьшения сопротивления тела, и также потому, что в организме человека накапливаются отрицательные последствия воздействия тока.
Опасность электрических сетей.
На производстве используются следующие виды электрических сетей:
— трехфазные электрические сети с изолированной нейтралью;
— трехфазные электрические сети с заземленной нейтралью;
— однофазные электрические сети.
Опасность трехфазных электрических сетей с изолированнойнейтралью.
Провода электрических сетей по отношению к земле имеют емкость и активное сопротивление — сопротивление утечки, равное сумме сопротивлений изоляции и пути тока на землю (рис 5.10).
Для упрощения анализа можно принять их равными, т. е.
При прикосновении человека к одному из фазных проводов (однофазное сопротивление) исправной сети проводимость этого провода относительно земли уменьшается и происходит смещение нейтрали. Ток через человека в этом случае выражается зависимостью:
где Uф— фазное напряжение сети; Rч — сопротивление цепи человека (Rч = rтч + rод + rоб + rоп), rтч — сопротивление тела человека; rод— сопротивление одежды 0,5. 1 кОм для влажной ткани и 10. 15 кОм — для сухой; rоб— сопротивление обуви = 0,2. ..2 кОм, а для сухих — 25. 500 кОм; rоп— сопротивление опорной поверхности ног — пола или грунта (сопротивление сухих полов достигает 2 кОм, а влажных или пропитанных щелочами или кислотами — 4. 50 Ом); сопротивление опорной поверхности ног на грунте зависит от удельного сопротивления грунта и может быть определено по формулам: rоп= 2,2q, если ступни расположены рядом, и гоп = 1,6 q, если ступни ног расположены на расстоянии шага (где q— удельное сопротивление грунта, Ом/м); w = 2πf — угловая частота сети, f — частота тока для промышленных сетей равна 50 Гц.
В случае коротких электрических сетей (при малых емкостях фазных проводов относительно земли С = 0) выражение для тока через человека запишется так:
При двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение и ток через человека определяется выражением:
где Uл линейное напряжение сети , равное 
ф
В аварийном режиме работы сети при наличии замыкания на одной из фаз на землю, ток, проходящий через человека, прикоснувшегося к исправной фазе, выразится зависимостью:
Если переходным сопротивлением Rк в месте замыкания на землю можно пренебречь — по сравнению с сопротивлением цепи человека, тогда ток, проходящий через человека,
где 
Таким образом, при прикосновении к одному фазному проводу сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме ток через человека зависит от сопротивления утечки и емкости сети относительно земли. Замыкание одной из фаз на землю резко повышает опасность однофазного прикосновения, так как в этом случае человек попадает под напряжение, близкое к линейному. Наиболее опасным является двухфазное прикосновение.
Сети с изолированной нейтралью целесообразно в целях безопасности применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов и когда емкость сети относительно земли незначительна. Это мало разветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды, находящиеся под контролем квалифицированного персонала.
Опасность трехфазных сетей с заземленной нейтралью.
Трехфазные сети с заземленной нейтралью обладают малым сопротивлением между нейтралью и землей (практически оно равно сопротивлению рабочего заземления нулевой точки трансформатора или генератора (рис. 5.11.)
Напряжение любой фазы исправной сети относительно земли равно фазному напряжению, и ток, проходящий через человека, прикоснувшегося к одной из фаз, определится выражением:
где Rо — сопротивление рабочего заземления нейтрали.
Пренебрегая сопротивлением рабочего заземления нейтрали (R ≤ 10 Ом) по сравнению с сопротивлением цепи человека, можно окончательно записать:
При двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение как в сетях с изолированной нейтралью, и ток, проходящий через человека,
В аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю, происходит перераспределение напряжения и напряжения исправных фаз по отношению к земле отличны от фазного напряжения сети. Прикасаясь к исправной фазе, человек попадает под напряжение Uч, которое больше фазного, но меньше линейного, и ток, проходящий через человека,
Таким образом, прикосновение к исправной фазе при замыкании другой фазы на землю опаснее, чем прикосновение в фазе в нормальном режиме работы трехфазной сети с заземленной нейтралью, а наиболее опасно двухфазное прикосновение.
Анализируя различные случаи прикосновения человека к проводам трехфазных электрических сетей, можно сделать следующие выводы:
1) наименее опасным является однофазное прикосновение к проводу исправной сети с изолированной нейтралью;
2) при замыкании одной из фаз на землю опасность однофазного прикосновения к исправной фазе больше, чем в исправной сети при любом режиме нейтрали;
3) наиболее опасным является двухфазное прикосновение при любом режиме нейтрали.
Режим нейтрали трехфазной сети выбирается по технологическим требованиям и по условиям безопасности. Согласно ПУЭ.
При напряжении выше 1000 В применяются две схемы:
— трехпроводные сети с изолированной нейтралью и
— трехпроводные сети с эффективно заземленной нейтралью.
При напряжении до 1000 В применяются трехпроводные сети с изолированной нейтралью и четырехпроводные сети с заземленной нейтралью.
Сети с заземленной нейтралью следует применять в тех производствах и цехах, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (высокая влажность, агрессивная среда и др.), когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда емкостные токи сети вследствие значительной ее разветвленности достигают больших значений, опасных для человека.
Опасность сетей однофазного тока.
Однофазные сети могут быть изолированными от земли, иметь заземленный полюс или среднюю точку (рис. 5.12).
При однополюсном прикосновении к проводу изолированной сети человек оказывается «подключенным» к другому проводу через сопротивление утечки (рис. 5.12, а). Так как однофазные сети переменного тока имеют небольшую протяженность, емкостью проводов относительно земли можно пренебречь, а для сетей постоянного тока емкость не увеличивается, так как ток утечки через емкость равен нулю. Для упрощения выводов условимся, что сопротивления утечки обоих проводов одинаковы, т. е. r1 = r2 = r
 |
Рис. 5.12. Опасность сетей однофазного тока: а — схема прикосновения к проводу изолированной сети; б — эквивалентная схема; в — схема прикосновения к незаземленному проводу сети с заземленным полюсом; г — схема прикосновения к проводу неисправной сети; д — схема прикосновения к проводу сети с заземленной средней точкой; е — схема прикосновения к двум проводам сети.
Выражение для тока, протекающего через человека, полученное из эквивалентной схемы (рис. 5.12, б), имеет вид:
Прикосновение человека к незаземленному проводу сети с заземленным полюсом (рис. 5.12, в) вызывает протекание тока:
а так как Rо 2 — площадь поверхности полусферы радиусом х.
 |
Обозначив Iз = ρ/2π = const = k, получим
Таким образом, потенциал на поверхности грунта распределяется по закону гиперболы.
При отекании тока в неоднородный грунт имеет место деформация (нарушение неоднородности) поля. В предельных случаях ток устремляется в нижний слой, если ρ2 > ρ1
Зоной растекания тока замыкания на землю называется зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю.
Зона растекания тока простирается на расстояние до 40 м от места замыкания на землю.
Для заземлителя характерным показателем является сопротивление току растекания, представляющее собой сопротивление грунта току замыкания на землю в пределах зоны растекания. На основании закона Ома можем записать
где Rз — сопротивление растеканию тока заземлителя. Для полусферического заземлителя
При отекании тока с двух заземлителей, расположенных в пределах зоны растекания тока, потенциал увеличивается в смежной области за счет взаимного экранирования и наложения токов растекания.
Шаговое напряжение.Напряжение шага — это напряжение между точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю при одновременном касании их ногами человека.
Численно напряжение шага равно разности потенциалов точек, на которых находятся ноги человека (рис.5.14).
При расположении одной ноги человека на расстоянии х от заземлителя и ширине шага а (обычно принимается а = 80 см) получаем
где, 
коэффициент напряжения шага,который зависит от:
— расстояния от заземлителя
— ширины шага (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем ρбольше).
Напряжение шага максимально у заземлителя и уменьшается по мере удаления от заземлителя; вне поля растекания оно равно нулю. Напряженность шага также увеличивается с увеличением ширины шага.
Ток, обусловленный напряжением шага,
 |
Следует отметить, что условия поражения человека напряжением прикосновения и напряжением шага различны, так как ток протекает по разным путям: через грудную клетку — от напряжения прикосновения и по нижней петле — от напряжения шага. Значительные напряжения шага вызывают судороги в ногах, человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль всего тела человека.
Опасность электрооборудованияопределяется величиной используемого тока, параметрами электроэнергии и условиями эксплуатации. Нарушение изоляции электрооборудования приводит к замыканию электрического тока на токопроводящие части корпуса электрооборудования формированию напряжения прикосновения.
Напряжение прикосновения. Напряжение прикосновения — это напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Численно оно равно разности потенциалов корпуса φк и точек почвы, в которых находятся ноги человека φн (рис. 5.15.):
—
Величину αназывают коэффициентом напряжения прикосновения (в пределах этой зоны растекания тока αменьше единицы, а за пределами этой зоны равен единице).
Напряжение прикосновения увеличивается по мере удаления от заземлителя, и за пределами зоны растекания тока оно равно напряжению на корпусе оборудования.
Тема: какое электрическое сопротивление имеет человеческое тело.
Человеческое тело, как и любое другое тело живого организма, имеет свойство проводить через себя электрический ток. Разные живые ткани в организме имеют различную проводимость (сопротивление). К примеру — кожа, жировая ткань, кости – имеют большое сопротивление, а кровь, мышечная масса и особенно головной и спинной мозг – малое. Кожа имеет большое удельное электрическое сопротивление, что впоследствии и определяет фактическое сопротивление человеческого тела.
Кожа человека, как известно, имеет два слоя:
1» наружный слой кожи (также ещё называется эпидермис) состоит из несколько слоёв, самый верхний из которых называется роговым и представляет собой множество рядов отмерших и ороговевших клеток. В чистом и сухом виде этот слой можно характеризовать как диэлектрик (он имеет очень большое электрическое сопротивление). Следующий слой эпидермиса (носит название — ростковый) гораздо тоньше рогового и имеет значительно большую электрическую проводимость (меньшее сопротивление).
2» внутренний слой кожи (называется дерма) представляет собой живую ткань. Данный слой дермы имеет малое электрическое сопротивление.
Электрическое сопротивление обычного человека при условии, что кожа у него чистая, сухая и неповреждённая (измеренное напряжением 15-20 Вольт) лежит в пределах 3 — 100 кОм (1кОм = 1000 Ом), в некоторых случаях и более. Сопротивление тела человека, а именно проводимость между двух электродов, которые касаются поверхности кожи, можно рассматривать как 3 сопротивления включённых последовательно: наружные слои (эпидермиса) представляют собой первое сопротивление, и внутренние слои является вторым и третьим сопротивлением, включающим в себя сопротивления внутреннего слоя кожи и сопротивление внутренних тканей.
Наружное сопротивление человека обладает не только активным сопротивлением, а ещё и ёмкостным, поскольку в самом месте контактирования электродов с человеческим телом образовывается некое подобие конденсатора, в роле обкладок которого являются сами электроды и ткани тела человека, хорошо проводящие электрический ток, что находятся под наружным слоем кожи, ну, а диэлектриком (изолятором между обкладками) в данном случае будет выступать наружный слой кожи (эпидермис).
Ёмкостная составляющая, присутствующая в сопротивлении человека обуславливает влияние, как рода электрического тока, так и его частоты на общую величину сопротивления тела. При частоте 10 — 20 кГц и свыше можно утверждать, что поверхностный слой кожи почти полностью утрачивает своё сопротивление, и общее сопротивление человека в данном случае будет состоять лишь из внутреннего сопротивления тела (сопротивление дермы и внутренних тканей).
Общее состояние кожи в значительной мере оказывает влияние на величину электрического сопротивления человека. При повреждении рогового слоя кожи (царапины, порезы, ссадины и т.д.) происходит снижение сопротивления человека до величины, приближенного к значению внутреннего сопротивления, а это, естественно, повышает опасность поражения электрическим током. Подобное влияние может оказываться и в случае увлажнения кожи водой или потом.
При электрическом переменном токе промышленной частоты (50 герц) берут во внимание только активное сопротивление человека (его тела) и соотносят его с величиной равной 1 кОм. В действительности данное электрическое сопротивление есть величина непостоянная, что имеет нелинейную характеристику и зависит от дополнительных условий, в том числе от параметров электрической цепи, состояния кожи, состояния окружающей среды, физиологии человека и т.д.
Так как сопротивление кожи у одного и того же человека может быть неодинаковое в разных местах и частях тела, то, естественно, на его сопротивление сильно будет влиять конкретное место прикосновения электрических контактов, а также их общая площадь. Величина электрического тока и длительность воздействия на тело оказывают прямое влияние на полное сопротивление человека: с увеличением значения тока и времени его прохождения, сопротивление будет понижаться, потому что происходит местный нагрев участков кожи, а это, само собой, ведёт к расширению сосудов, тем самым усиливая снабжение данного участка тела кровью, увеличения его потоотделение. Увеличение напряжения, воздействующее на тело человека, вызывает понижение сопротивления кожи в 10-ки раз, следовательно, и общее сопротивление человека, снижается до предела 300 — 500 Ом. А это опасно.
Сопротивление тела человека
Электрическое сопротивление различных тканей тела человека не одинаково. Например, при токе частотой 50 Гц удельное сопротивление равно: кости – 107 Ом∙м, кожа сухая – 105 Ом∙м, крови – 1,7 Ом∙м. При сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела, измеренное, при напряжении 15-20 В переменного тока (50 Гц), колеблется в пределах от 1 до 10 кОм, а иногда и в более широких пределах.
Сопротивление кожи, а следовательно сопротивление тела в целом резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличие влаги на ее поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.
Электрическое сопротивление тела человека зависит так же от места приложения электродов к телу, значений тока, проходящего через человека, и приложенного к телу напряжения, рода и частоты тока, площади электродов, длительности прохождения тока через человека и некоторых других факторов. Увеличение тока приводит к снижению сопротивления соответствующих участков кожи, за счет местного нагрева кожи и действия на центральную нервную систему (усиливается приток крови, повышается потоотделение). С ростом напряжения сопротивление тела уменьшается в десятки раз. При больших напряжениях приближается к наименьшему пределу 300 Ом. В России в качестве расчетных значений сопротивление человека равно 1000 Ом при напряжении, приложенном к телу, равное 50 В и выше и сопротивление человека равное 6000 Ом при приложенном напряжении 36 В. Опыты показывают, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. Разница в значениях сопротивлений постоянному и переменному (50 Гц) током особенно велико при малых напряжениях – до 10 В. С ростом приложенного напряжения эта разница уменьшается и начиная с 40-80 В сопротивление тела человека как постоянному, так и переменному току промышленной частоты становится практически одинаковым.
На значение сопротивления тела человека влияют и другие факторы, хотя в значительно меньшей степени. Пол и возраст. У женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей – меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других — толще и грубее.
Физическое раздражение снижает сопротивление тела на 20-25%.
Повышенная температура окружающего воздуха (30-450 С) или тепловое облучение человека, вызывает некоторое понижение сопротивление тела.
