Анализ опасности поражения током в электрических цепях

Поражение человека электротоком возможно в том случае, если он прикоснется не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует электрический потенциал. В этом случае говорят, что электрическая цепь замкнута через тело человека.

Сила тока, проходящего через тело человека, и напряжение прикосновения будут определяться рядом факторов: схемой включения человека в цепь, характеристикой электрической цепи, степенью изоляции человека относительно Земли и т.д.

Возможны различные схемы включения человека в электрическую цепь. Рассмотрим две наиболее характерные из них: двухфазное включение (между двумя проводами или фазами) и однофазное (между одним проводом и корпусом судна при наличии электрической связи между ними).

Двухфазное включение, т.е. прикосновение человека одновременно к двум фазам трехфазной цепи более опасно, чем однофазное. Это объясняется тем, что в таком случае тело человека будет находиться под наибольшим в этой цепи линейным напряжением и, соответственно, через человека пройдет наибольший ток (рис.12 а).

I_ч = √ 3 U_ф /R _ч = U_л /R _ч , (29)

где I_ч - ток, проходящий через человека, А

Uл = √ 3 * Uф – линейное напряжение, напряжение между двумя проводами трехфазной линии, В;

Uф - фазное напряжение, т.е. разность потенциалов между обмоткой фазы и нулевым проводом в четырехпроводной цепи или между началом и концом одной обмотки и трехфазной, трехпроводной цепи, В;

R_ч - полное сопротивление тела человека, Ом.

а, в – однофазные прикосновения, б – двухфазное прикосновение

Рис. 12 Различные схемы прикосновения человека к электрической цепи

C₁, C₂, C₃, - емкости проводов относительно Земли, r₁, r₂, r₃ - полное сопротивление проводов относительно Земли.

Величина тока, проходящего через человека при двухфазном включении, определяется только приложенным напряжением и электрическим сопротивлением тела и не зависит от режима нейтрали[9]. Это значит, что двухфазное включение одинаково опасно в сети, имеющей изолированную или заземленную нейтраль. Причем даже хорошая изоляция человека относительно Земли (корпуса судна) не снижает опасности его поражения током при такой схеме подключения.

Однофазное прикосновение человека к цепи (рис.12, а, в) отмечается гораздо чаще, чем двухфазное. При этом тяжесть поражения током несколько уменьшается по сравнению с двухфазным подключением и будет определяться режимом нейтрали источника тока (заземлена нейтраль или изолирована). Кроме

а – нормальный режим работы б – аварийный режим работы -

замыкание фазы на Землю

Рис.13 Прикосновение человека к одной фазе трехфазной трехпроводной цепи с изолированной нейтралью

этого, большое значение будет иметь величина электрического сопротивления человека, изоляции проводов, пола и т.д.

Рассмотрим наиболее характерные случаи прикосновения человека к токоведущим проводам одной фазы.

При однофазном включении в цепь с изолированной нейтралью (рис.13, а) сила тока (А), проходящего через тело человека, при равенстве сопротивлений изоляции проводов каждой из трех фаз, Ом (r₁ = r₂ = r₃ = r) и малой емкости проводов относительно Земли (C₁ = C₂ = C₃ =0) будет определяться

I_ч = 3 U_ф / (3R _ч + r), или I_ч = U_ф / [R _ч +(r / 3)] , (30)

где R _ч = r_ч. + r_об + r_п - полное сопротивление цепи человека, равное сумме сопротивления тела человека, его обуви и пола, Ом.

Из выражения (30) следует, что опасность для человека будет зависеть от величины сопротивления изоляции проводов, а также от того, как надежно человек изолирован относительно Земли.

Проиллюстрируем сказанное примером. Если считать, что сопротивления изоляции проводов всех фаз меньше допустимых (R = 60000 Ом) и равны между собой, среднерасчетное сопротивление тела человека R_ч= 1000 Ом, а фазовое напряжение U_ф = 220 В, то величина тока, проходящего через человека, составит в этом случае

I_ч = 220 / [1000 + (60000 / 3 )] ≈ 0,010 А .

Ток такой силы опасности не представляет, т.е. при надежной изоляции токоведущих частей цепи и самого человека относительно Земли прикосновение к одной из фаз в период нормальной работы сети не будет опасные для жизни. Снижение уровней сопротивлений изоляции проводов и человека относительно Земли (в случае одновременного касания фазы и корпуса судна и пр.) значительно увеличивает вероятность тяжелого поражения электротоком.

При замыкании одной из фаз на Землю через малое сопротивление r_з, при аварийном режиме работы сети, прикосновение человека к неповрежденной фазе будет смертельно опасным (рис.13, б). В этом случае человек будет подвержен действию полного линейного напряжения и через него пройдет ток силой (А)

I_ч = U_ф * √ 3 / (R_ч + r₃), (31)

где r₃ - незначительное сопротивление (Ом), через которое однаиз фаз в трехфазной сети с изолированной нейтралью замкнута на Землю (аварийный случай).

При прикосновениичеловека к одной фазе трехфазнойчетырехпроводной цепи с заземленной нейтралью (рис.14) влияние защитных свойств изоляции проводов (фаз) практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что емкостная проводимость проводов относительно Земли, будет значительно меньше проводимости нейтрали и поэтому при расчете величины тока ею пренебрегают.

Рис.14 Схема касания человеком одной фазы трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью

При однофазном касании в цепи с глухо заземленной нейтралью (рис. 14) человек оказывается под воздействием фазного напряжения и тока (А), значение которого может быть определено из выражения [ 8 ]

I_ч = U_ф / (R _ч + r₀ ) , (32)

где r₀ - сопротивление нейтрали, Ом.

Пренебрегая незначительной величиной r₀ и подставляя числовые значения фазового напряжения в трехфазных промышленных установках (В) и расчетного сопротивления тела человека (Ом), получим величину тока, который проходит через тело человека,

I_ч = 220 / 1000 = 0,22 А.

Ток такой силы смертельно опасен для человека. Следовательно, даже при нормальном режиме работы сети с заземленной нейтралью прикосновение человека к одной из ее фаз намного опаснее аналогичного касания сети с изолированной нейтралью.

Поэтому правилами Регистра запрещено применение на судах систем переменного трехфазного тока с заземленной нейтралью в связи с их повышенной опасностью.