Леденев Основы безопасности жизнедеятелности 2007

тока w. Эту зависимость можно продемонстрировать эквивалентной электрической схемой тела человека, приведенной на рис. 3.1.

Рис. 3.1

На рисунке Rк, Rв – активное сопротивление токопроводящих участков кожи и внутренних органов соответственно, через которые в конкретном случае течет ток; Cк – емкость, создаваемая токопроводящими участками кожи, ее наличие объясняется тем, что кожный покров, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, играет роль диэлектрика, по обе стороны от которого находятся токопроводящие среды, в результате формируется конденсатор емкостью Cк.

Общее электрическое сопротивление тела человека можно выразить, глядя на приведенную эквивалентную схему:

При протекании через тело человека постоянного тока (w = 0) имеем:

Для переменного тока частотой 50 Гц оказывается, что wCк(2Rк + Rв) << 1, в силу чего электрическое сопротивление тела человека принято принимать за омическое, величина которого может быть оценена по соотношению:

Rh = 2Rк + Rв.

Известны [19] значения удельного электрического сопротивления тканей человеческого тела: кожи (ρк) и внутренних органов (ρв). Они соответствуют интервалам:

131

ρк = 3 – 20 кОм м; ρв = 1 – 50 кОм м.

Понятно, что значение Rh зависит от пути протекания электрического тока. Наиболее опасные случаи включения тела человека в электрическую цепь – варианты: «рука – рука» и «голова – левая рука» (когда путь протекания тока проходит через жизненно важные органы – сердце и легкие). Фактическая величина электрического сопротивления тела человека помимо геометрических параметров зависит от многих других обстоятельств: состояния здоровья, кожных покровов, возраста, от наличия ранений кожи в местах контактов с токоведущими деталями, от влажности и загрязненности кожи, когда Rк << Rв. Ориентируясь на такие неблагоприятные обстоятельства протекания тока через тело человека, при оценках степени опасности принимают:

Rh = Rв = 800 Ом.

Подчеркнем, что последствия воздействия на человека определяются, в первую очередь, величиной электрического тока Ih. Но это зависимость неоднозначна, в меньшей мере на эти последствия влияют частота w, продолжительность протекания тока; люди одной категории могут обладать разной чувствительностью к электрическому току.

Проходя через организм человека, электрический ток оказывает сложное воздействие на него. Могут проявляться следующие эффекты:

•термические – ожоги тела, нагрев органов (сосудов, нервов, мозга), их расстройство;

•электрические – разложение тканей, клеток за счет направленного перемещения ионов;

•механические – раздражительные сокращения мышц, разрыв тканей;

•биологические – нарушение биопроцессов путем возбуждения нервных рецепторов.

Конечные эффекты поражения человека электрическим током принято делить на электротравмы (местные поражения тела или отдельных органов) и электрические удары (нарушение биопроцессов). Электрические удары принято классифицировать по степени их тяжести:

132

I – судорожное сокращение мышц без потери сознания;

II – сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранением дыхания и кровообращения;

III – потеря сознания, нарушение сердечной деятельности, дыхания;

IV – клиническая смерть, т.е. остановка дыхания и кровообращения.

В состоянии клинической смерти человек не проявляет признаков жизни, не дышит, сердце не работает, зрачки расширены и не реагируют на свет, болевые воздействия не вызывают реакций. В состоянии клинической смерти человек может находиться до 10 мин, после чего, если не принять меры для восстановления, наступает биологическая смерть.

Как уже отмечалось, степень поражения человека электричеством определяется в основном силой тока. Начало неприятных ощущений (слабый зуд, пощипывание кожи) соответствует току (переменному, продолжительному во времени) в 1 мА. Судорожные сокращения мышц, невозможность самостоятельного освобождения от захвата имеют место при токе 5 – 25 мА. Смертельный исход наступает при токе 50 – 350 мА, а мгновенная смерть – при токе 5 А.

При проектировании мер электробезопасности ориентируются на допустимые токи. Для переменного тока продолжительностью более 1 с в неаварийных условиях допустимый ток принимается равным 0,3 мА, в аварийном режиме – 6 мА (из условия несмертельности); в бытовых условиях допустимым считается ток 2 мА. При кратковременном протекании тока через тело человека величина допустимого тока увеличивается: для аварийного режима – до 650 мА при длительности 0,01 с; для бытового режима – до 220 мА при той же длительности.

Пороговое значение электрического напряжения, при котором может иметь место летальный исход, для большинства людей составляет 40 В, хотя могут встречаться люди повышенной электрочувствительности, для которых смертельный исход возможен при напряжении источника в 5 В.

133

3.2. Условия поражения человека электрическим током

Поражение человека электричеством может стать следствием прикосновения его не менее чем к двум точкам электрической сети, между которыми существует разность потенциалов, или электрическое напряжение (U = ϕ1 – ϕ2). Степень возможного при этом поражения существенно зависит от построения сети и от предусмотренных мер по снижению опасности. Для понимания этого обратимся к рис. 3.2, на котором изображена упрощенная схема токовой линии электропередачи.

Как правило, на генерирующей электростанции на трех обмотках (катушках) генератора создается электрическое напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с частотой 50 Гц. Это напряжение называется фазным (Uф). По фазе эти гармоники сдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3.

Проблема передачи электроэнергии на большие расстояния (в тысячи километров) специфична тем, что потери энергии в проводах линии электропередачи (ЛЭП) тем меньше, чем выше в них фазные напряжения. Поэтому протяженные ЛЭП – высоковольтные, фазное напряжение в них может составлять сотни тысяч вольт.

Рис. 3.2

134

Перед подачей электроэнергии потребителям напряжение сети понижается, чаще всего до 220 В. ЛЭП с напряжением до 1000 В принято называть низковольтными.

Заметим, что, в принципе, на электростанции можно генерировать энергию и в однофазном режиме. Но трехфазный режим экономически существенно выгоднее.

Электрическое напряжение (разность потенциалов) между любой парой проводов трехфазной ЛЭП называется линейным напряжением (Uл). Нетрудно установить факт:

U л = 3 U ф .

К примеру, при Uф = 220 В получаем Uл = 380 В; такую ЛЭП условно именуют «сетью 380/220 В».

Общая точка обмоток источника энергии называется нейтральной. Нейтральная точка сети может быть либо изолирована от земли, либо заземлена (электрически связана) с землей через малое сопротивление R0. В последнем случае сеть называется трехфазной с глухозаземленной нейтралью. Режим нейтральной точки сети выбирается, исходя из соображений безопасности и экономичности.

Трехфазная ЛЭП может быть трех- и четырехпроводной. В последнем варианте четвертым является провод, соединенный с нейтральной точкой генератора; он называется нулевым, или нейтральным, проводом. Понятно, что напряжение между любым из фазных проводов и нулевым проводом равно фазному напряжению.

Подача электроэнергии для бытового потребления чаще всего осуществляется в однофазном режиме. Двухпроводные электрические сети образуются из нулевого и одного из фазных проводов трехфазной сети. При этом важным становится условие соблюдения равномерности нагрузки по фазам (равенства мощностей потребителей энергии).

Для понимания логики дальнейших пояснений необходимо принять в расчет следующее немаловажное обстоятельства: при создании ЛЭП принимаются все меры к тому, чтобы провода были надежно изолированы (электрически) от земли и между собой.

Исключение составляет случай глухого заземления нейтрали. Практически всякая изоляция неидеальна: в процессе эксплуатации ЛЭП будут образовываться «паразитные» пути электрической свя-

135

зи проводов с землей – активные (r) и реактивные (С), они изображены на рис. 3.3. Чем длиннее ЛЭП, тем меньшими будут сопротивления r и тем больше емкости С. В высоковольтных ЛЭП эти элементы сети способны играть большую роль не только в смысле потерь электрической энергии, но и в смысле обусловленной ими опасности для человека.

Далее рассмотрим характерные случаи попадания человека под электрическое напряжение в различных случаях.

3.3.Случай однофазной ЛЭП

Воднофазной сети условия возможного поражения образуются следующим образом.

Вслучае сети, изолированной от земли (рис. 3.3), где r1 и r2 – сопротивления изоляции проводов, будем считать сопротивления активными, что допустимо для низковольтных (непротяженных) ЛЭП.

Рис. 3.3

При нормальном состоянии сети и прикосновении стоящего на земле человека к одному из проводов напряжение прикосновение Uh составит:

Rh + r1

а протекающий через тело человека ток:

136

Вывод: чем выше изоляция токопроводов относительно земли, тем безопаснее прикосновение.

При аварийном состоянии сети, когда один из проводов в результате обрыва замкнут на землю через сопротивление rзм , а че-

ловек коснулся другого провода, ситуация изменится, и сопротивление между фазой 2 и землей станет равным:

Вслучае сети с заземленным проводом (рис. 3.4) прикосновение может быть к незаземленному или к заземленному токопроводу.

Впервом случае ввиду того, что R0 << r1,2 ,

и при R0 << Rh человек оказывается практически под полным на-

пряжением сети.

Прикосновение к заземленному проводу часто считается безопасным, так как напряжение этого провода относительно земли незначительно. На самом же деле во время прикосновения к заземленному проводу сети в неаварийном состоянии человек попадает под напряжение, равное потере напряжения в проводе (см. рис. 3.4, б). Сети проектируются так, чтобы падение напряжения в

137

проводах не превышало 10 %. Следовательно, максимальное напряжение прикосновения (см. рис. 3.4, б) составляет 5 % от сетевого, т.е.

Рис. 3.4

138

В аварийной ситуации, при коротком замыкании проводов сети между собой, потеря напряжения в них составит 100 % и, следовательно, во время прикосновения к заземленному проводу будет иметь место (см. рис. 3.4, в):

3.4.Трехфазная четырехпроводная ЛЭП

сглухозаземленной нейтралью

Схема трехфазной четырехпроводной ЛЭП с глухозаземленной нейтралью представлена на рис. 3.5. Обычно имеет место соотношение R0 << r . Поэтому при неаварийном состоянии сети (нет

коротких замыканий проводов между собой или на землю) человек, коснувшись фазного провода, попадает под напряжение:

Рис. 3.5

Наибольшее значение R0 согласно техническим нормам составляет 60 Ом, а Rh – не менее 800 Ом. Поэтому

139

Для аварийного режима, когда фаза 3 (к примеру) замкнулась на землю через малое сопротивление rзм , а человек коснулся провода

другой фазы, без вывода запишем конечную формулу для тока, проходящего через человека:

линейным напряжением:

U h = 3U ф =U л ,

при R0 = 0 получим U h =U ф .

3.5. Трехфазная ЛЭП с изолированной нейтралью

Трехфазная ЛЭП с изолированной нейтралью показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6

Так как rзм ≠ 0 , R0 ≠ 0 , то U ф <U h <U л . Опустив доказательство, запишем:

140