Аналіз небезпеки, що виникає при стіканні струму в землю. Захисне заземлення

Перша допомога людині, ураженій електричним струмом

Перша долікарняна допомога людині, ураженій електричним струмом складається з двох етапів: звільнення потерпілого від дії стуму і надання йому медичної допомоги.

Звільнення потерпілого від дії струму може бути здійснено декількома способами. Найбільш простий і вірний – це відключення відповідної частини електрообладнання. Якщо відключити швидко неможливо (наприклад, далеко розміщений вимикач), то можна при напругах до 1000 В перерубати дріт сокирою з дерев’яною рукояткою або відтягнути потерпілого від струмопровідних частин, тримаючись за його одяг, якщо він сухий, відкинути від потерпілого дріт з допомогою дерев’яної палки і т.п.

При напрузі вище 1000В слід використовувати діелектричні рукавиці, боти і в необхідних випадках ізолюючу штангу.

Міри першої медичної допомоги потерпілому залежать від його стану. Якщо потерпілий при свідомості але до цього був без тями, або довгий час знаходився під дією струму, йому необхідно забезпечити повний спокій до прибуття лікаря або швидко доставити в лікарню.

При відсутності свідомості, але збереженні дихання потрібно рівно і зручно укласти потерпілого на м’яку підстилку, розстібнути пояс та комір, забезпечити притік свіжого повітря. Слід також давати нюхати нашатирний спирт, скропити водою лице, розтирати і зігрівати тіло.

При відсутності ознак життя потрібно почергово роботи штучне дихання і масаж серця.

Стікання струму в землю можливе тільки через провідник, який знаходиться в безпосередньому контакті з землею. Такий контакт може бути випадковим або навмисним. В останньому випадку провідник, який знаходиться в контакті з землею, називається заземлювачем.

При стіканні струму в землю відбувається різке пониження потенціалу заземленої струмопровідної частини до значення потенціалу заземлювача , рівного добутку струму, що стікає в землю , на опір, який цей струм зустрічає на своєму шляху

. (3.1)

Це явище різкого зниження потенціалу є досить благоприємним по умовам безпеки і використовується як одна з мір захисту від ураження струмом при випадковій появі напруги на металічних струмопровідних частинах, які з цією метою заземлюють.

Однак наряду з пониженням потенціалу заземленої струмопровідної частини при стіканні струму в землю виникають і негативні явища, а саме:

· поява потенціалу на заземлювачі і металічних частинах, які знаходяться з ним в контакті;

· поява потенціалу на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму в землю.

Ці явища можуть містити в собі небезпеку для життя людини.

Характер розподілу потенціалу на поверхні ґрунту оцінимо, розглянувши випадок стікання струму в землю через найбільш простий заземлювач – півкулю радіусом (рис. 3.1). Для спрощення вважаємо, що земля у своєму об’ємі однорідна, тобто в довільній точці має однаковий питомий опір (Ом×м). Тоді на віддалі х від центру заземлювача густина струму буде

(3.2)

Практично при х = 20 м . При постійному струмі, а також при змінному з частотою 50 Гц поле розтікання можна розглядати як стаціонарне поле, тому:

, (3.3)

де – питомий опір , а – напруженість електричного поля (В/м).

 

Рис. 3.1. Розподіл потенціалу на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму через напівкульовий заземлювач

Звідси, напруженість електричного поля:

, (3.4)

а спад напруги на елементарному шарі ґрунту товщиною визначиться через напруженість наступним чином:

. (3.5)

Тоді потенціал в любій точці А на віддалі х від заземлювача визначиться спадом напруги в ґрунті на віддалі від х до нескінченості, тобто:

. (3.6)

Звідси , коли , а при ( – радіус самого заземлювача)

. (3.7)

Розв’язавши сумісно рівняння (3.6) і (3.7) отримаємо:

, (3.8)

де . Це є рівняння рівнобічної гіперболи.

Таким чином, потенціал на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму в землю змінюється по закону гіперболи, зменшуючись від свого максимального значення до нуля по мірі віддалення від заземлювача.

Струм, що проходить через заземлювач в землю переборює опір, який називається опором заземлювача розтіканню струму. Він має три складові: опір самого заземлювача, перехідний опір між заземлювачем і ґрунтом і опір ґрунту. Дві перші складові в порівнянні з третьою дуже малі, ними нехтують.

Опір розтікання струму для любого заземлювача визначається виразом (3.1). І для випадку напівкульового заземлювача

. (3.9)

Розраховані значення опорів для заземлювачів інших типів приведені у довідниках.

Для забезпечення як можна меншого опору заземлювача використовуються групові заземлювачі, тобто заземлювачі, які складаються з декількох паралельно увімкнених одиночних заземлювачів.

Згідно вимог правил улаштування електроустановок (ПУЕ) опір захисного заземлювача в любий час року не повинен перевищувати:

§ 4 Ом – в установках до 1000 В. Якщо їх потужність , то допускається 10 Ом;

§ 0,5 Ом – при і з великими струмами замикання на землю (більше 500 А) і 250/I_З, але не більше 10 Ом, для установок з і з малими струмами замикання на землю.

Тепер розглянемо поняття напруги дотику ( ) і напруги кроку ( ). Або інакше кажучи, спад напруги на опорі тіла людини.

Рис. 3.2. Напруга дотику при одиночному заземлювачі: 1– потенціальна крива; 2– крива, що характеризує зміну напруги дотику при зміні віддалі x від заземлювача

Напруга дотику –є різниця потенціалів двох точок електричного кола, яких одночасно торкається людина. (рис. 3.2)

, (3.10)

де: – струм, що протікає через людину; - опір людини.

В області захисних заземлень одна із точок, якої торкається людина, має потенціал заземлювача , друга – потенціал основи, на якій стоїть людина (див. рис. 3.2). Тоді,

, (3.11)

де – коефіцієнт дотику, який враховує форму потенціальної кривої.

Для напівсферичного заземлювача з радіусом

 

, (3.12)

а для інших типів заземлювачів значення приводиться у відповідних таблицях.

При великій віддалі, тобто при , а практично при напруга дотику буде максимальна і , при цьому =1. При найменшому значенні х, коли людина стоїть на заземлювачі (металева заземлена підлога), тобто при : і = 0. Це безпечний випадок, людина не є під напругою, хоч і знаходиться під потенціалом .

Для вирівнювання потенціалу на поверхні грунту використовують групові заземлювачі та контур заземлення(рис. 3.3).

Рис. 3.3. Розподіл потенціалів в зоні розтікання струму при використанні контурного заземлення

 

Рис. 3.4. Крокова напруга при стіканні струму в землю

Напруга кроку – різниця потенціалів і двох точок на поверхні землі в зоні розтікання струму, які знаходяться одна від одної на віддалі кроку і на яких одночасно стоїть людина (рис. 3.4)

. (3.13)

Так як і являються частинами потенціалу заземлювача, то

, (3.14)

де – коефіцієнт кроку, який враховує форму потенціальної кривої заземлювача і рівний

(3.15)

Чим більше крок і чим ближче до заземлювача, тим напруга кроку більша і тим більша небезпека для людини.

3.5. Аналіз небезпеки ураження струмом при дотиканні до струмопровідних частин в різних електричних мережах

Випадки ураження людини струмом можливі лише при замиканні електричного кола через тіло людини, тобто при дотиканні людини не менш чим до двох точок кола, між якими існує деяка напруга.

Рис. 3.5. Випадки включення людини в електричне коло: а – двофазне включення; б, в – однофазне включення

 

Небезпека такого дотику, яка оцінюється величиною струму, що протікає через людину, або напругою дотику, залежить від цілого ряду факторів: схеми ввімкнення людини в коло, напруги мережі, схеми самої мережі, режиму її нейтралі, степені ізоляції струмопровідних частин від землі, а також від величини ємності струмопровідних частин відносно землі і т.п.

Схеми ввімкнення людини в коло можуть бути різними. Однак найбільш характерними являються дві схеми ввімкнення: між двома дротами і між одним дротом і землею (рис. 3.5). В другому випадку припускається наявність електричного зв’язку між мережею і землею. Стосовно мереж змінного струму першу схему (а) звичайно називають двофазним ввімкненням, а другу (б) – однофазним.

Двофазне ввімкнення, тобто дотикання людини одночасно до двох фаз, як правило, більш небезпечне, оскільки до тіла людини прикладається найбільша можлива в даній мережі напруга – лінійна, і тому через людину піде найбільший струм

, (3.16)

де: – струм, який проходить через людину, А; – лінійна напруга, тобто напруга між фазовими дротами мережі, В; – фазова напруга, тобто напруга між початком і кінцем однієї обмотки трьохфазного трансформатора (або між фазовим і нульовим дротом), В.

Тому на практиці торкатися до струмопровідних частин установок при необхідності можна лише однією рукою, другу потрібно тримати в кишені (правило кишені).

Очевидно, що двофазне ввімкнення являється однаково небезпечним в мережах як з ізольованою нейтрально так і з заземленою. При двофазному ввімкненні небезпека ураження не зменшиться і в тому випадку, якщо людина надійно ізольована від землі.

Однофазне ввімкненнявідбувається значно частіше, однак є менш небезпечним, ніж двофазне, оскільки, по-перше, напруга, під якою знаходиться людина, не перевищує фазної, тобто менше лінійної в 1,73 рази. Відповідно менше буде і струм, який проходить через людину. По-друге, на величину цього струму впливає також режим нейтралі джерела струму, опір ізоляції і ємність дротів відносно землі, опір підлоги, на якій стоїть людина, опір взуття і т.д.

Розглянемо можливі варіанти однофазного включення в мережу.

 

А. Трьохфазна мережа з ізольованою нейтраллю в період її нормальної роботи (рис. 3.6).

Струм, який проходить через людину, при дотиканні до однієї з фаз мережі в період її нормальної роботи визначиться виразом

Рис. 3.6. Дотикання людиною до дроту трьохфазної мережі з ізольованою нейтраллю в період її нормальної роботи

. (3.17)

Тут і відповідно опір ізоляції (Ом) і ємність дротів (Ф) відносно землі (для спрощення вони прийняті однаковими для всіх дротів мережі), – опір тіла людини (Ом).

Якщо ємність дротів відносно землі мала, тобто , що звичайно має місце в повітряних мережах невеликої протяжності, то вираз (3.17) прийме вигляд

. (3.18)

Якщо ж ємність велика, а провідність ізоляції незначна, тобто , що звичайно має місце в кабельних мережах, то згідно виразу (3.17) струм через людину буде

. (3.19)

З (3.18) слідує, що в мережах з ізольованою нейтраллю, які володіють незначною ємністю між дротами і землею, небезпека для людини, що доторкнулася однієї з фаз в період нормальної роботи мережі, залежить від опору дротів відносно землі: із збільшенням опору небезпека зменшується.

Однак в мережах з великою ємністю відносно землі роль ізоляції дротів в забезпеченні безпеки дотикання втрачається, що видно з (3.17) і (3.19).