Действие электрического тока на жизнедеятельность человека

Короткозамкнутая однофазная сеть.

Jчел = U/Rчел ( так как R0 мал, практически весь ток течет через человека )

Лекция №2 (20.09.2011)

Z1=10кОм

Z2=10кОм

Jчел = U/(2*Rчел + Rизол)

Jзаземл = U/(2Rзаземл + Rизол)

Uk = Jчел*Rзаземл

Jчел = Uk/Rчел

Ток течет по линии наименьшего сопротивления ВСЕГДА!

Трехфазные электрические сети

Если 3 ЭДС равны по амплитуде и сдвинуты по фазе одна относительно другой на ≤ 2π/3, то такая система называется трехфазной симметричной системой.

Ее преимущества при генерации, передаче и преобразовании энергии (в отличие от однофазной):

Ø Меньший расход металла на провода

Ø Меньше расход стали на трансформатор

Ø Простота получения вращения магнитного поля

Ø Трансформатор имеет как минимум 2 обмотки

 

Трехфазные трансформаторы могут быть сделаны двумя способами:

1. Треугольником ∆ (конец одной фазы с началом другой)

2. Звездой (все обмотки имеют общую точку и сдвинуты на 120 град.)

В зависимости от режима нейтрали и наличия/отсутствия нулевого провода различают следующие разновидности 3-х фазных сетей:

1. Трехфазные трехпроводные с изолированной нейтралью

2. ……с заземленной нейтралью

3. …..четырех проводные с изолированной нейтралью

4. ….с глухозаземленной нейтралью

Наибольшее распространение получили трехфазные трехпроводные сети с изолированной нейтралью. При этом, если сети проходят в области 1км, то сеть называется короткой. Она подразумевает, что емкостная нагрузка отсутствует, присутствует только чисто активная нагрузка.

Трехфазная трехпроводная сеть с ИН

Включился человек, произошло перенапряжение (ассиметричная диаграмма).

Напряжение 220В

Сопротивление 1 кОм

Сопротивление изоляции 7 кОм, следовательно ток через тело человека Jчел»60…70 мА.

Если сеть свыше 1 км, то у сети большая емкостная нагрузка, Rизол ≥≥ ½*π*f*С – длинная сеть.

Емкость колеблется в пределах от 0.5 до 1.5 мкФ

Если ток через тело человека = 90…95 мА, то это фибрилляционный ток, возможен летальный исход.

Возможно 5 типов прикосновения человека к сетям:

В реальном случае ток ч\з тело человека всегда должен оцениваться через:

Лекция №3 (4.10.2011)

Виды электротравм

Местные:

1. Электрические ожоги (токовые, дуговой) – поражение кожи и других мягких тканей, поражения связок, иногда кости

2. Электрические знаки или метки

3. Металлизация кожи – проникновение вглубь кожи паров металла

4. Механические травмы (разрывы сухожилий в результате судорог)

5. Электроофтальмия (поражение роговой оболочки глаза)

Общие электротравмы:

1. Электрический удар практически всего организма человека, местных внешних повреждений человек может и не иметь, но в организме возникает возбуждение живых тканей, который протекает через ткани; сопровождается непроизвольным сокращением мышц, нарушение сердечной деятельности, летальный исход.

Явление стекания тока в землю – происходит через проводник, который находиться непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным.

При стекании тока в землю вокруг заземлителя образуется зона растекания тока, характер распределения потенциалов в этой зоне при изменении расстояния от заземлителя рассмотрим для случая, когда заземлитель полусферический.

Напряжение между точкой и землей – напряжение относительно земли. Теоретически растекание тока идет до бесконечности. Однако плотность тока J на расстояние порядка 20 м принято считать равным 0.

J = Jз/2πх, х – расстояние от заземлителя до точки

70% падения напряжения происходит на первом метре от контакте с заземлителем.

Напряжение шага

Преднамеренное заземление

Rd = ρ/2πl*(ln(2l/d) + 0.5ln((4t+l)/(4t-l)))

ρ – удельное сопротивление грунта

l – длина заземлителя d – диаметр заземлителя t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя

Обычно сопротивление одиночного заземлителя превышает установленное значение ПУЭ. Для того чтобы получить необходимые сопротивления заземляющего устройства используют несколько заземлителей, расположенных на расстоянии значительно меньшем 20 метров, при этом поля растекания тока отдельных заземлителей накладываются один на другое, то есть возникает явление взаимного экранирования. Коэффициент использования заземлителей n =η*Rod/Rз

Защитное заземление

ЗЗ металлических частей и частей электрооборудования и корпусов, нормально не находящихся под напряжением наиболее эффективная мера защиты в сетях с ИН и напряжением до 1000В. В сетях более 1000В в независимости от режима нейтрали также используется эта мера. Это преднамеренное соединение с землей металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции электроизоляции.

Назначение ЗЗ – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных нетоковедущих частях оборудования, «замыкание на корпус».

Принцип действия ЗЗ снижение напряжения между корпусом, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения, путем соединения корпуса устройства с помощью заземляющего устройства с малым сопротивлением.

Из формулы напряжения прикосновения следует, что чем меньше ток через человека, тем меньше заземления и больше изоляция. Согласно ПУЭ сопротивление заземления в установках до 1000В не должно превышать 4 Ом. При мощности источника питания до 1000кВт допускается Rз ≤ 10 Ом.

 

Лекция №4 (18.10.2011)

Защитное зануление – преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей и корпусов электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением в следствии замыкания фазы на корпус с многократно заземленным нулевым защитным проводником. Принцип: превращение замыкания на корпус в однофазное КЗ с целью вызвать большой ток Jкз, способный обеспечить срабатывание токовой защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети. Область применения зануления трехфазные четырехпроводные сети до 1000В с ЗН.

k – коэффициент кратности тока, определяется типом автомата (предохранители, токовые автоматы), показывает сколько петель сделает ток до момента отключения.

Назначение нулевого защитного проводника – обеспечение необходимого для отключения установки значения тока однофазного КЗ, путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением. Чтобы снизить напряжение корпуса относительно земли на период от момента замыкания до момента отключения поврежденной установки, а также на случай обрыва нулевого защитного проводника необходимо многократное повторное заземление нулевого проводника.

Формула показывает, что напряжение корпуса относительно земли зависит от соотношения R0 и Rз. В этой связи в сети до 1000В ток Jз может оказаться недостаточным для срабатывания токовой защиты, установка может не отключиться, и напряжение Uо может быть длительным. Поэтому в сетях до 1000В с ЗН защитное заземление не применяется.

Защитное отключение

ЗО – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека током.

Такая опасность возникает в результате:

• Замыкания фазы на корпус
• Снижение сопротивления изоляции ниже нормы
• Прикосновение человека непосредственно к токоведущим частям

Отличие ЗО от ЗЗ: отключение за счет незначительного отклонения от номинала питающего напряжения.

Мера защиты – быстрый разрыв цепи.

Основные элементы устройства защитного отключения (УЗО):

1. Прибор защитного отключения
2. Автоматический выключатель

Прибор защитного отключения – представляет собой совокупность отдельных элементов, которые воспринимают входящую величину, реагирует на ее изменение и при заданном ее значении вырабатывает сигнал на срабатывание выключателя.

Основные элементы этого прибора:

• Датчик – воспринимает воздействие из внешней сети, либо по току, либо по напряжению и преобразует его в срабатываемый сигнал. Таким датчиком является реле, соответствующего типа (реле тока или реле напряжения). Иногда в качестве датчика – измерительные трансформаторы, различного рода фильтры тока и напряжения нулевой последовательности.
• Автоматический выключатель - вкл/откл цепи, которая находится под нагрузкой или в случае КЗ. Автомат при поступлении сигнала от датчика отключает установку. В качестве таких выключателей применяют контактеры (машинное реле).

Основные требования к УЗО

Высокая чувствительность – способность реагировать на малые изменения входящих величин

Малое время отключения – время срабатывания защиты + время выключения (от 0.05 сек до 0.2 сек)

Селективность – избирательное действие УЗО – от сети должны отключаться лишь поврежденные объекты. Если такой селективности нет – неселективность – отключение, не только поврежденного оборудования, но и всего остального, что недопустимо. Селективность достаточно дорога и используется редко.

Способность осуществлять самоконтроль – исправлять собственные схемы

Достаточная надежность – срабатывание во всех случаях, без исключений.

Принцип работы всех УЗО:

Основан на сравнении токов во всех трех фазах и в нулевом проводнике. Векторное сравнение токов осуществляется на сердечнике электромагнита, на котором обмотки намотаны, обтекаемые фазовыми токами и током нейтрали. При неравенстве суммы токов нулю (утечка токов на землю) электромагнит воздействует на спусковой механизм выключателя (механический участок, который разрывает электрическую цепь). При прикосновении человека к токоведущим частям УЗО будет работать через исполнительные механизмы ИМ, представляющие собой контактор – выключатель, снабженный элементом управления.

1. Дифференциальный трансформатор тока
2. Тест кнопка
3. Тестовый резистор
4. Силовые контакторы
5. Защитный контактор в цепи тестирования

Сравнение текущего значения 2 токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, так как обладает минимальной погрешностью. В рабочем положении (норма) тока утечки нет и для токов, протекающих по направлению к нагрузке (J1) и от нагрузки (J2) справедливо равенство J1 = J2, следовательно, результирующий магнитный поток равен 0, и ток во вторичной обмотке трансформатора равен 0. ИМ находиться в состоянии покоя, силовые контакты замкнуты. При возникновении утечки тока (пробой изоляции на корпус или прикосновение человека) по фазному проводнику через УЗО кроме J1 потечет дополнительный ток J_утечки, следовательно возникает разбалланс магнитных потоков и как следствие возникновение во вторичной обмотке трансформатора дифференциального тока ΔJ. Если ΔJ превышает значение (порог) срабатывает ИМ. Силовые контакторы втягиваются и установка отключается.

Для осуществления предварительного контроля в данной схеме используется цепь тестирования (3-5*Z). ЗО единственная рациональная мера защиты в целом ряде электроустановок таких, когда они эксплуатируются в регионах. В настоящее время УЗО – единственная мера защиты в различных электроприборах, фенах.

Типы устройств УЗО в зависимости от входных величин условно делятся на несколько групп, основные три группы:

1. Реагирует на потенциал корпуса
2. Реагирует на токи замыкания на землю
3. УЗО, работающие на условиях режима нулевой последовательности

Защитные системы

1. Жезловая система – все двери ограждений имеют специальные замки, которые открываются одним ключом, конструкция замка такова, что повернуть ключ и вынуть его из замка, можно только выключив автомат или рубильник, которым запитывается установка. Конструкция дверных замков, не позволяет вынуть ключ, если дверь не закрыта, включить рубильник можно только при закрытых дверях или надетых на установки кожухах.
2. Рычажная система – ручка управления рубильником механически связана с дверным засовом, при выключении рубильника одновременно выдвигается заслон замка и только после этого можно открыть дверь шкафа или ограждения, где находится электроустановка; при открытой двери конструкция не позволяет открыть засов и не допускает включения рубильника.
3. Система на радиоцентрах применятся дисковая блокировка – один диск с вырезом или пазом жестко закреплен на горизонтальном валу, который проложен на вдоль стены ограждения, на верхнем конце дверной оси жестко закреплен другой диск с точно таким же пазом; горизонтальный вал при помощи рычажного устройства связан с рубильником механической блокировки; когда рубильник выключен, пазы в обоих дисках совпадают и двери ограждения можно открыть.

Сигнализация

1. Звуковая

2. Световая (зеленый – напряжение снято, красный – установка под напряжением; в установках до 1000В сигнальные лампа на специальном пульте, лампа горит до тех пор пока напряжение имеет место на установке; недостаток – сломанная лампа)

При работе с передатчиком должно иметься две блокировки: электрическая и механическая. Электрическая воздействует только на контакты цепи, может применяться на любых расстояниях от объекта. Принцип – снятие крышек, открытие дверей, шкафов приводит к разрыву цепи питания. Блокировку можно сделать в специальной комнате.

Электроустановка

Магнитный пускатель

БК – блокировочный контакт

Открытие дверей, шкафов, кожухов сопровождается разрывом электрической цепи и автоматическим отключением электроустановки от источника тока. ЭУ не может быть включена при закрытии двери, так для этого замыкание БК недостаточно, чтобы включить установку нужно нажать кнопку ПУСК, которая находится вне ограждения. Оператор не может оказаться под напряжением при случайном закрытии двери. Недостаток – зависимость от исправности электрической цепи (пригорание контактов)

Блокировка и сигнализация

Предупреждают от неправильных действий рабочий персонал

Действие электрического тока на жизнедеятельность человека

Проходя через организм человека электрический, ток может производить термическое (ожоги, нагрев кровеносных сосудов), электролитическое (разложение органической жидкости, крови, изменение кровотока), механическое (разрыв тканей организма) и биологическое (раздражение живых тканей организма, нарушение биоэлектрических процессов, протекающих в нормальном состоянии) действие.

Человек начинает ощущать раздражающее действие токов:

1. Переменный ток (50 Гц) – 0.6 – 1.6 мА

2. Постоянный 5 -7 мА

Возможно самостоятельное освобождение человека от воздействия тока.

Когда действие тока настолько сильно, то больно. Для переменного тока сила неотпускающего тока равна 6 -20 мА. Порог болевой 15 – 18 мА. Пороги фибрилляционных токов зависят от массы тела, пути прохождения, длительности.

Три критерия электробезопасности:

1. Неощутимый ток – не вызывает нарушений деятельности организма, допускается для длительного протекания (не более 10 минут\сутки). Переменный ток 50 Гц 0.3 мА, для постоянного тока – 1 мА.

2. Отпускающий ток – допустимо, длительность его протекания не более 30 сек, переменный 6 мА, постоянного 15 мА.

3. Фибрилляционный ток – длительность не более 1 сек.

В исходе поражения током основное значение играет его путь. Поражение более тяжелое если путь проходит через сердце, легкие, головной и спинной мозг. Ток, протекающий через тело, чаще всего идет по пути рука\рука или рука\нога.

Рука\рука – 3.3% через тело

Нога\нога – 0.4%

Сила неотпускающего тока по пути рука\рука приблизительно в 2 раза меньше, чем по пути рука\нога.

Сила фибрилляционного тока в 4 раза больше сети, повышение частоты тока – одна из мер электробезопасности.

Условия электробезопасности зависят от параметров ОС.

Тяжесть поражения: плотность и площадь контакта человека с токоведущими частями. Наличие заземленных металлических конструкций и полов приводит к тому, что человек практически постоянно связан с полюсом электроустановки, в этом случае любое прикосновение человека к токоведущим частям ведет к двухполюсному включению его в сеть.

Рука\рука

рис.1

U = 45В – пробивное напряжение рогового слоя кожи, самое маленькое сопротивление человеческого тела 1 кОм.

На участке между двумя электродов сопротивление состоит из 2 слоев человека и внутреннего сопротивления тела человека. Внутреннее сопротивление можно рассматривать как чисто активное. По пути тока рука\рука электрическое сопротивление тела человека можно представить вышеуказанной схемой замещения (рис.1). С ростом частоты уменьшение реактивного сопротивления наружного слоя кожи практически приводит к уменьшению сопротивления человека в целом, при больших частотах комплексное сопротивление становится чисто активным на частотах порядка 10 кГц.

Рассмотрим случай однополюсного прикосновения к однофазной изолированной сети.

Эквивалентная схема

Jчел = U/(2Rч+Rизол.)

Rизол. = 700 кОм (расчетная), принимается по ГОСТу 500 кОм.