Тема 5. электро- и пожаробезопасность

1. Электробезопасность на производстве и в быту

Напомним некоторые основные понятия, используемые при описании электрических явлений. Электрическим током называют всякое упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах носителями зарядов являются электроны – отрицательно заряженные частицы с элементарным зарядом. За направление электрического тока условно принимается направление, противоположное направлению движения отрицательных зарядов. Силой тока i называют количество электричества dq, проходящее через поперечное сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dt.

Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды, ток называют постоянным (по величине и направлению) и обозначают буквой I. За единицу тока в системе СИ принят ампер (А). Переменным называется такой ток, сила или направление которого (или и то и другое) изменяются во времени. Токи, изменяющиеся только по величине, называются пульсирующими.

Электрической дугой называют длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии (выход электронов из металла под действием теплового движения (при нагреве)) с отрицательно заряженного электрода – катода. Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (ослаблением) свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ, материалов, изделий или на изолированных проводниках.

Поражение электрическим током организма человека носит название электротравмы. На производстве число травм, вызванных электрическим током, относительно невелико и составляет 11–12% их общего числа, однако из всех случаев травм со смертельным исходом на долю электротравм приходится наибольшее количество (порядка 40%).

Проходя через организм человека, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие. Первое заключается в нагреве и ожогах различных частей и участков тела человека, второе – в изменении состава (разложение) и свойств крови и других органических жидкостей. Биологическое действие электрического тока выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма и в нарушении протекания в нем различных внутренних биоэлектрических процессов. Примером таких нарушений может служить прекращение процесса дыхания и остановка сердца. Электротравмы принято делить на общие (электрические удары) и местные, под которыми понимают четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги. Местные электротравмы – это электрические ожоги, электрические знаки на коже, металлизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия. Электрические ожоги вызываются протеканием тока через тело человека, особенно при непосредственном контакте тела с электрическим проводом, а также под воздействием на тело человека электрической дуги (дуговой ожог), температура которой достигает нескольких тысяч градусов. Приблизительно 2/3 всех электротравм сопровождается ожогами.

На коже в тех местах, где проходил электрический ток, появляются электрические знаки, представляющие собой пятна серого или бледно-желтого цвета. Под действием электрической дуги в верхние слои кожи человека могут проникнуть мелкие расплавленные частицы металла. Такая электротравма носит название металлизации кожи и встречается приблизительно у каждого десятого пострадавшего.

Еще одним видом местной электротравмы является электроофтальмия – возникающее под действием ультрафиолетового излучения электрической дуги воспаление наружных оболочек глаз. В ряде случаев лечение этого профессионального заболевания является сложным и длительным.

Более трети всех электротравм приходится на электрический удар, под которым понимают возбуждение живых тканей организма электрическим током, проходящим через него, сопровождающееся судорожными сокращениями мышц тела. По тяжести последствий электроудары делятся на четыре степени:

- первая – судорожное сокращение мышц без потери сознания;

- вторая – судорожное сокращение мышц с потерей сознания; дыхание и деятельность сердца сохраняются;

- третья – потеря сознания, нарушение сердечной деятельности и дыхания или того и другого;

- четвертая – клиническая (мнимая) смерть, т. е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Следует различать понятие клинической (мнимой) и биологической (истинной) смерти. У здоровых людей, подвергшихся воздействию электрического тока, длительность клинической смерти составляет 7–8 минут. За этот период средствами современной медицины (реанимация) возможно оживление организма. В более поздние сроки в клетках и тканях организма возникают необратимые изменения, т. е. наступает биологическая (истинная) смерть. У человека в состоянии клинической смерти наблюдается отсутствие дыхания и остановка сердца. Он не реагирует на болевые раздражители, а зрачки его глаз (расширенные) – на воздействие света.

Последствия действия тока на организм человека зависят от силы тока (основной фактор), длительности его действия, рода и частоты тока, пути тока в теле человека и индивидуальных свойств человека. Важной характеристикой, определяющей исход воздействия тока, является электрическое сопротивление тела человека, которое является суммой сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Ток, проходящий через тело человека (I_чел, А) условно определяют по закону Ома:

,

где - приложенное напряжение; - сопротивление тела человека, Ом.

Для расчетов обычно принимают, что R_чел ⁼ 1000 Oм. Основное сопротивление распространению тока оказывает кожа человека. В том случае, если кожа повреждена, увлажнена или загрязнена токопроводящей пылью (металлической или углеродной), сопротивление тела человека может быть и ниже 1000 Ом.

Как уже сказано выше, основным физическим фактором, вызывающим тяжесть электротравмы, является сила тока – количество электричества, проходящего через тело человека в единицу времени. Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека и соответствующие им три пороговых значения: ощутимое, отпускающее и фибрилляционное.

Пока сила тока не достигла ощутимого значения, человек не чувствует его воздействия. Если человек попал под воздействие переменного тока промышленной частоты (f = 50 Гц), он начинает ощущать протекающий через него ток, когда его значение достигнет 0,6–1,5 мА. Для постоянного тока это пороговое значение составляет 6–7 мА. Ощутимый ток вызывает у человека малоболезненные (или безболезненные) раздражения, и человек может самостоятельно освободиться от провода или токоведущей части, находящейся под напряжением.

Если сила переменного тока, протекающего через организм, составляет 10–15 мА и более, а постоянного – 50–70 мА (или более), то такие токи называют неотпускающими, так как они вызывают непреодолимые и болезненные судорожные сокращения мышц рук при касании ими (захвате) токопроводящих частей или проводов. Человек не может самостоятельно разжать руку и освободиться от воздействия тока. При повышении силы переменного тока промышленной частоты до 25– 50 мА затрудняется или даже прекращается процесс дыхания (при воздействии этого тока в течение нескольких минут).

Фибрилляционными называют токи, вызывающие быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате чего сердце теряет способность перекачивать кровь, в организме прекращаются процессы кровообращения и дыхания и наступает смерть. При воздействии переменного тока промышленной частоты величина порогового фибрилляционного тока составляет 100 мА (при продолжительности воздействия более 0,5 с), а для постоянного тока – 300 мА при той же продолжительности.

Степень поражения электрическим током зависит также от рода и частоты тока. Переменный ток с частотой от 20–100 Гц наиболее опасен для человека. Токи с частотой выше 500 000 Гц могут вызвать лишь термические ожоги и не оказывают раздражающего действия на ткани организма. Известно, что при напряжениях, превышающих 500 В, наиболее опасен постоянный ток, а при меньших напряжениях – переменный. Чем больше время воздействия тока, тем сильнее будет поражение и тем меньше вероятность восстановления жизненных функций организма. В табл. 1 представлены значения предельно допустимых уровней напряжения и тока в зависимости от продолжительности воздействия на организм человека.

Таблица 1. Предельно допустимы уровни напряжения и тока организме. Так, опасность поражения резко увеличивается, если на пути тока оказываются мозг, сердце или легкие. Цепь тока через тело человека зависит от места его прикосновения к оголенным проводам или токоведущим частям. Наиболее характерны следующие цепи: руки–ноги, рука–рука и рука–туловище.

Таблица 2. Характер воздействия тока на человека
Условия, в которых работает человек, могут увеличивать или уменьшать опасность его поражения электрическим током. К ним относятся сырость, высокая температура воздуха, наличие в помещениях токопроводящей пыли, химически активной или органической среды и др. Для учета условий, в которых находится работающий, все помещения принято делить по степени опасности поражения током на три категории: без повышенной опасности, с повышенной опасностью, особо опасные.

Помещениями без повышенной опасности называют сухие (с относительной влажностью воздуха, не превышающей 60%), безпыльные, с нормальной температурой воздуха и с изолирующими (например, деревянными) полами. К ним относятся жилые помещения и такие производственные помещения, как цеха приборных предприятий и радиозаводов, лаборатории, конструкторские бюро, заводоуправление, конторские помещения и др.

Для помещений с повышенной опасностью характерно наличие одного из следующих условий: сырость (помещения называют сырыми, если относительная влажность в них превышает 75%); токопроводящая пыль (металлическая, углеродная и т.д.); токопроводящие полы – металлические, земляные, железобетонные, кирпичные; высокая температура, длительно превышающая 35°С или кратковременно 40°С¹; возможность одновременного прикосновения к металлическим деталям и корпусам электрооборудования, которые при повреждении изоляции могут оказаться под напряжением, и заземленным металлоконструкциям. Примером таких помещений могут служить лестничные клетки различных зданий с токопроводящими полами, цеха механической обработки материалов, складские неотапливаемые помещения и др.

Особо опасные помещения характеризуются наличием одного из следующих условий; особая сырость (стены, пол и потолок таких помещений покрыты влагой; относительная влажность воздуха в них близка к 100%); наличие химически активной (агрессивные газы, пары, жидкости) или органической (плесень и т.д.) среды, которые разрушающе действуют на электроизоляцию и токоведущие части электрооборудования. При наличии двух или более условий повышенной опасности (например, высокая температура и токопроводящая пыль) в помещении его следует относить к особо опасным. Примером таких помещений могут служить помещения гальванических цехов, моечные отделения, замкнутые металлические емкости, в которых производится работа, и др.

Человек может получить электротравму в следующих случаях:

§ при двухфазном прикосновении, т. е. при одновременном прикосновении к двум фазам сети переменного тока;

§ при двухполюсном прикосновении, т.е. при одновременном прикосновении к двум полюсам сети постоянного тока;

§ при приближении на опасные расстояния к неизолированным токопроводящим частям, находящимся под напряжением;

§ в результате прикосновения к оболочке (корпусу) электрооборудования, оказавшейся под напряжением;

§ в результате попадания под напряжение шага в зоне растекания тока;

§ при попадании под напряжение при освобождении человека от воздействия тока;

§ при воздействии атмосферного электричества, грозовых разрядов и статического электричества или электрической дуги.

Ток, проходящий через тело человека (ток поражения), зависит от напряжения и схемы питания электроустановок, сопротивления элементов электрической сети и условий включения человека в цепь тока. Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Все электроустановки условно делят на работающие под напряжением до 1000 В и выше 1000 В. Если установки работают под напряжением выше 1000 В, то прикосновение к токопроизводящим частям опасно в любых условиях. При эксплуатации установок, работающих под напряжением до 1000 В, человек может быть поражен током в результате случайного прикосновения к токопроводящим частям или корпусам электрооборудования, оказавшимися под напряжением при замыкании на них тока.

Чаще всего электроустановки напряжением до 1000 В работают от четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтралью. Нейтралью называется нейтральная точка источника питания (генератора, трансформатора). Электрические сети с глухозаземленной нейтралью используются для питания основной массы электроустановок, работающих под напряжением 380/220 В (электродвигатели, осветительные приборы, установки электронагрева, бытовая электроаппаратура и др.).

При повышенных требованиях безопасности используют сети с изолированной от земли нейтралью. Они используются для питания электроустановок, работающих под напряжением до 1000 В, но гораздо менее распространены, чем предыдущие.

При работе с электроустановками возможно прикосновение операторов к токоведущим частям оборудования. Наиболее часто встречаются две схемы включения человека в электрическую сеть: двухфазная – присоединение человека к двум проводам и однофазная – включение человека между проводом и землей.

Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.

Основные способы и средства электрозащиты:

§ изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный контроль;

§ установка оградительных устройств;

§ предупредительная сигнализация и блокировки;

§ использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;

§ использование малых напряжений;

§ электрическое разделение сетей;

§ защитное заземление;

§ выравнивание потенциалов;

§ зануление;

§ защитное отключение;

§ средства индивидуальной электрозащиты.

Рассмотрим кратко организационные мероприятия, обеспечивающие безопасную эксплуатацию электроустановок. К ним относятся оформление соответствующих работ нарядом или распоряжением, допуск к работе, надзор за проведением работ, строгое соблюдение режима труда и отдыха, переходов на другие работы и окончания работ.

Нарядом для проведения работы в электроустановках называют составленное на специальном бланке задание на ее безопасное производство, определяющее содержание, место, время начала и окончания работы, необходимые меры безопасности, состав бригад и лиц, ответственных за безопасность выполнения работ. Распоряжением называют то же задание на безопасное производство работы, но с указанием содержания работы, места, времени и лиц, которым поручено ее выполнение.

Все работы на токопроводящих частях электроустановок под напряжением и со снятием напряжения выполняют по наряду, кроме кратковременных работ (продолжительностью не более 1 ч), требующих участия не более трех человек. Эти работы выполняют по распоряжению. К организационным мероприятиям также относятся обучение персонала правильным приемам работы с присвоением работникам, обслуживающим электроустановки, соответствующих квалификационных групп.

В ряде случаев существенную опасность для человека представляет статическое электричество, под которым понимают совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (ослаблением) свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических веществ, материалов, изделий или на изолированных проводниках. Протекание различных технологических процессов, таких, как измельчение, распыление, фильтрование и другие, сопровождается электризацией материалов и оборудования, причем возникающий на них электрический потенциал достигает значений тысяч и десятка тысяч вольт. Воздействие статического электричества на организм человека проявляется в виде слабого длительно протекающего тока либо в форме кратковременного разряда через тело человека, в результате чего может произойти несчастный случай.

Вредное воздействие на организм человека оказывает и электрическое поле повышенной напряженности. Оно вызывает функциональные изменения центральной нервной, сердечнососудистой и некоторых других систем организма.

Защиту от статического электричества осуществляют по двум основным направлениям: уменьшение генерации электрических зарядов и устранение зарядов статического электричества. Для реализации первого направления необходимо правильно подбирать конструкционные материалы, из которых изготавливаются машины, агрегаты и прочеетехнологическое оборудование. Эти материалы должны быть слабо электризующимися или неэлектризующимися. Например, синтетический материал, состоящий на 40% из нейлона и 60% дакрона, не электризуется при трении о хромированную поверхность. Для снятия зарядов статического электричества с поверхности технологического оборудования его обязательно заземляют.

Кроме перечисленных способов защиты от статического электричества большое значение имеет снижение удельного поверхностного электрического сопротивления перерабатываемых материалов. Это достигается повышением относительной влажности в помещении, где производится обработка поглощающих воду материалов (древесины, бумага, хлопчатобумажной ткани и др.), до 65–70%, нанесением на их поверхность специальных антистатических составов, введением в состав твердых диэлектриков электропроводящих материалов (графита, углеродных волокон, алюминиевой пудры и т.д.). Существуют и другие методы защиты от статического электричества.

Рассмотрим основные вопросы, касающиеся оказания первой помощи от воздействия электрического тока. Эта помощь состоит из двух этапов: освобождение пострадавшего от воздействия электрического тока и оказание ему первой помощи.

Если человек прикоснулся к токопроводящей части электроустановки и не может самостоятельно освободиться от воздействия тока, то присутствующим необходимо оказать ему помощь. Для этого следует быстро отключить электропроводку с помощью выключателя, рубильника и т.д. Если быстро отключить электроустановку от сети невозможно, оказывающий помощь должен отделить пострадавшего от токопроводящей части. При этом следует иметь в виду, что без применения необходимых мер предосторожности нельзя прикасаться к человеку, находящемуся в цепи тока, так как можно самому попасть под напряжение. Действовать следует таким образом.

Если пострадавший попал под действие напряжения до 1000 В, токопроводящую часть от него можно отделить сухим канатом, палкой или доской или оттянуть пострадавшего за одежду, если она сухая. Руки оказывающего помощь следует защитить диэлектрическими перчатками, на ноги необходимо надеть резиновую обувь или встать на изолирующую подставку (сухую доску). Если перечисленные меры не дали результата, допускается перерубить провод топором с сухой деревянной рукояткой или перерезать его другим инструментом с изолированными ручками.

При напряжении, превышающем 1000 В, лица, оказывающие помощь, должны работать в диэлектрических перчатках и обуви и оттягивать пострадавшего от провода специальными инструментами, предназначенными для данного напряжения (штангой или клещами). Рекомендуется также накоротко замкнуть все провода линии электропередачи, набросив на них соединенный с землей провод.

После освобождения пострадавшего от воздействия электрического тока ему оказывают доврачебную медицинскую помощь. Если получивший электротравму находится в сознании, ему необходимо обеспечить полный покой до прибытия врача или срочно доставить в лечебное учреждение. Если человек потерял сознание, но дыхание и работа сердца сохранились, пострадавшего укладывают на мягкую подстилку, расстегивают пояс и одежду, обеспечивая тем самым приток свежего воздуха, и дают нюхать нашатырный спирт, обрызгивают лицо холодной водой, растирают и согревают тело.

При редком и судорожном, а также ухудшающемся дыхании пострадавшему делают искусственное дыхание. При отсутствии признаков жизни искусственное дыхание сочетают с наружным массажем сердца.

В заключение главы укажем, что измерения уровня тока, напряжения, сопротивления, мощности и других параметров сети, осуществляемые с целью обеспечения безопасности работающих на электроустановках, проводят с использованием обычных амперметров, вольтметров, омметров, ваттметров и других приборов. Конструкции, принципы работы, области применения и методики измерений соответствующих электрических величин рассматриваются в курсах физики и электротехники.