Включение человека в электрическую сеть. Анализ сетей. Каковы особенности однофазного прикосновения в сети с изолированной нейтралью

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.

Анализ условий электробезопасности

Анализ условий электробезопасности заключается в определении величины тока через тело человека (I h) для конкретного случая.

Сравнивая полученные расчетным путем величины тока через тело человека с величиной условно безопасного тока (10мА) делают вывод об опасности данного случая. Если величина тока через тело человека превышает величину условно-безопасного тока - случай считают опасным. Если нет - не опасным. Так как человек в большинстве случаев пользуется сетью до 1000В, а эти сети, как правило, имеют небольшую протяженность, емкостью фазных проводов относительно земли можно пренебречь, считая, что сопротивление изоляции проводов (R из) относительно земли чисто активным.

Определить величину тока через тело человека можно так:

I h = U пр / R h

Сложность расчета заключается в нахождении напряжения прикосновения (U пр). Для нахождения этой величины прибегают к такому приему: определяют путь тока через тело человека, из которого и находят источник напряжения и сопротивления, через которые протекает ток.

Наиболее характерным бывают две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей.

Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую однофазным.

9.1.1. Двухфазное включение

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через тело человека пойдет большой ток (рисунок. 9.1.).

Рисунок 9.1. Двухфазное включение человека в сеть.

где, I h – ток через тело человека

U пр - напряжение прикосновения

Для сети 380/220

Ток опасный для жизни человека

9.1.2. Однофазное включение.

Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, т.к. напряжение под которым оказывается человек не превышает фазного. Кроме того, на значение тока через тело человека влияет также режим нейтрали источника тока, сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление обуви человека и другие факторы.

9.1.2.1. Однофазная сеть.

Рисунок 9.3. Схема включения

Рисунок 9.4. Схема замещения

Ток через тело человека можно найти как:

Из выражения можно сделать выводы:

1. Чем больше сопротивление изоляции относительно земли, тем меньше опасность однофазного прикосновения к проводу

2. Прикосновение человека к проводу с большим сопротивлением изоляции более опасно, т.к. напряжение прикосновение будет больше.

9.1 1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:

Рассмотрим два режима сети:

а) Нормальный режим работы (сопротивление изоляции имеют большое (нормированное) значение.

Рисунок 9.5. Однофазное включение в 3 х фазную сеть

с изолированной нейтралью

При равенстве сопротивлений изоляцииR из1 =R из2 =R из3 , величина тока через тело человека определяется выражением

В таких сетях опасность для человека, прикоснувшегося к проводу, при нормальном состоянии сети, зависит от сопротивления изоляции. Чем оно больше, тем меньше опасность. Поэтому, очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного выявления и устранения возникших неисправностей.

Согласно ПЭУ сопротивление изоляции проводов относительно земли в установках до 1000В не должно быть менее 500к.

б) При аварийном режиме - замыкание одной из фаз на землю через малое сопротивление замыкания - R зм.(рисунок 9.6.)

Рисунок 9.6 Аварийный режим в сети

Обычно R зм лежит в пределах от 50 до 200Ом.

Ток через тело человека, как и в нормальном режиме будет протекать и через сопротивления изоляции проводов относительно земли, но его величина будет значительно меньше, чем ток, протекающий через малое сопротивление замыкания. Поэтому величиной тока, протекающего через сопротивление изоляции, можно пренебречь и считать, что ток протекает только через сопротивление замыкания и тело человека.

Это очень опасно.

9.1.2.3. Трехфазная трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью:

Глухозаземленной называется нейтраль трансформатора или генератора присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока).

а) Нормальный режим работы

Рисунок 9.7.

Сопротивление заземления нейтрали R о нормируется в зависимости от максимального напряжения сети.

При U л =660В, R о =2Ом, при U л =380В, R о =4Ом, при U л =220В, R о =8Ом

Током, протекающим через тело человека и сопротивлением изоляции проводов можно пренебречь, по сравнению с током, протекающим через тело человека и малое сопротивление заземления нейтрали. Величина этого тока определяется из выражения:

Из выражения видно, что в сети с глухозаземленной нейтралью в период нормальной работы сети прикосновение к одному из проводов более опасно, чем прикосновение к проводу нормально работающей сети с изолированной нетралью.

б) При аварийном режиме работы - когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое сопротивление R зм (рисунок 9.8.).

Рисунок 9.8.

Если провести анализ этого случая, то можно сделать следующие выводы:

2. Если принять R о равным 0, то человек окажется под фазным напряжением.

В реальных условиях R зм и R о всегда больше нуля, следовательно, человек, касаясь провода в аварийном режиме сети, попадает под напряжение меньше линейного, но больше фазного.

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).

Схемы включения человека в цепь тока могут быть различными:

· между двумя проводами;

· между проводом и землей;

· между двумя проводами и землей одновременно и т.п.

Однако наиболее характерными являются первые две схемы. Применительно к трехфазным сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным включением, а вторую – однофазным.

Двухфазное включение, т.е. прикосновение человека одновременно к двум фазам (рис. 11.3.), как правило, более опасно, чем однофазное, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, и поэтому через человека пойдет больший ток, сила которого определяется по формуле:

где I ч – сила тока, проходящего через тело человека, А; U л = 1,73 U ф – линейное напряжение, т.е. напряжение между фазными проводами сети, в; U ф – фазное напряжение, В; R ч – сопротивление тела человека, Ом.

Рис. 11.3 Схема двухфазного включения

человека в цепь тока в трехфазной сети

Нетрудно видеть, что при двухфазном включении ток, проходящий через человека, практически не зависит от режима нейтрали сети, следовательно, двухфазное включение является одинаково опасным в сети как с изолированной, так и с заземленной нейтралями.

Однофазное включение происходит значительно чаще, нo оно менее опасно, чем двухфазное, поскольку напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного, т.е. меньше линейного в 1,73 раза. Кроме того, на значение этого тока влияют также режим нейтрали источника тока, сопротивление пола, на котором стоит человек, сопротивление его обуви и некоторые другие факторы.

В сети с заземленной нейтралью (рис. 11.4) последовательно с сопротивлением тела человека (R ч) оказываются включенными сопротивление обуви (R об), сопротивление пола (R n) и сопротивление заземления нейтрали источника тока (R о).

Рис. 11.4 Схема однофазного включения человека в цепь тока в трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью

С учетом этих сопротивлений сила тока (I ч), проходящего через человека, будет отделяться по формуле:

I ч = ,

где R ч – сопротивление тела человека, Ом; R об – сопротивление обуви, Ом; R n – сопротивление пола, Ом; R о – сопротивление заземления нейтрали, Ом.

В сети с изолированной нейтралью (рис.

11.5.), ток, проходящий через человека, возвращается к источнику тока через изоляцию проводов, которая обладает большим сопротивлением. Значение силы тока, проходящего через человека, определяется для этого случая по формуле:

I ч = ,

где R из – сопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом.

В сети с изолированной нейтралью условия безопасности находятся в прямой зависимости не только от сопротивления пола и обуви, но и от сопротивления изоляции проводов относительно земли: чем лучше изоляция, тем меньше ток, протекающий через человека.

Рис. 11.5 Схема однофазного включения человека в цепь тока в трехфазной сети с изолированной нейтралью

Таким образом, при прочих равных условиях однофазное включение человека в сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в сети с заземленной нейтралью. Этот вывод справедлив дня нормальных (безаварийных) условий работы сети. В случае же аварии, когда одна из фаз замкнута на землю, сеть с изолированной нейтралью может оказаться более опасной, так как вследствие старения изоляции, увлажнения и при других неблагоприятных условиях сопротивление изоляции снижается. В результате этого напряжение между любой неповрежденной фазой и землей может увеличиться с фазного до линейного, в то время как в сети с заземленной нейтралью напряжение неповрежденных фаз относительно земли практически не возрастает, т.е. остается в пределах фазного.

Таким образом, безопасность человека обеспечивается высоким качеством изоляции, которое контролируется в процессе профилактических испытаний. Периодический контроль изоляции заключается в том, чтобы определить сопротивление изоляции каждой фазы относительно земли и между фазами на каждом участке, между двумя последовательно установленными предохранителями, аппаратами или за последним предохранителем.

Электрическая изоляция силовой или осветительной электропроводки считается достаточной, если ее сопротивление между проводом каждой фазы и землей, или между разными фазами на участке, ограниченном последовательно включенными плавкими предохранителями, составляет не менее 0,5 МОм (согласно правилам устройства электроустановок).

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).