Напряжение прикосновения

Если человек касается одновременно двух точек, между которыми существует разность потенциалов, этот человек попадает под напряжение прикосновения. При этом образуется замкнутая цепь, и через тело человека проходит ток. Величина этого тока зависит от схемы включения, т.е. от того, каких частей электроустановки касается человек, а также от параметров электрической сети.

При прикосновении к токоведущим частям электроустановок наиболее
тяжелым является двухполюсное касание человеком токоведущих частей
(рисунок 2.3).

Рисунок 3 – Двухполюсное прикосновение к токоведущим частям в трехфазной сети с изолированной нейтралью

Рисунок 4 – Однополюсное прикосновение к токоведущим частям в трехфазной сети с изолированной нейтралью

В этом случае величина тока, проходящего через человека, достигает предельного значения и определяется выражением

(4)

где I_h – ток, проходящий через тело человека, А;

U_Л – линейное напряжение, В;

U_ф – фазное напряжение, В;

R_h – сопротивление тела человека, Ом.

При U – 220 В и R_h – 1000 Ом ток, проходящий через тело человека, составит:

т.е. это значение превышает пороговое значение предельно допустимого тока при длительности воздействия на человека более 0, 2 с (ГОСТ 12.1.038-82).

Мерой, повышающей безопасность обслуживающего персонала, может быть понижение рабочего напряжения установки, однако это не всегда можно осуществить. Наиболее распространенной мерой является применение изолированных защитных средств.

Чаще встречаются случаи однополосного прикосновения. На рисунке 2.4 приведена схема однополосного прикосновения в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, которые широко применяются на железнодорожном транспорте и транспортном строительстве. При касании человека провода 1 образуется замкнутая электрическая цепь: обмотка трансформатора фазы 1- провод 1-человек-земля-активное и емкостное сопротивления фазы 2 и 3 относительно земли (r₂, r₃, x_c2, x_c3) - провод 2 и 3 - обмотки трансформатора второй и третьей фаз. По этой цепи будет протекать ток I_h, определяющий опасность при однополосном прикосновении.

В воздушных сетях напряжением до 1000 В емкость фаз относительно земли можно приравнять к нулю и соответственно x_c1=x_c2=x_c3 = ∞, а активное сопротивление изоляции фаз относительно земли r₁ =r₂ = r₃ =r.

Ток через тело человека для этого случая составит

(5)

где r – сопротивление изоляции фаз относительно земли.

Из выражения (5) сопротивление изоляции фаз можно определить

(6)

Если принять максимально допустимый для человека ток 1 мА, то для обеспечения безопасности необходимо, чтобы сопротивление изоляции фаз относительно земли при U = 220 В и R_h = 1000 Ом было не менее

Величина сопротивления изоляции электроустановок нормируется выше, чем 0, 5 мОм.

Если при прикосновении человека к фазе одновременно произойдет пробой другой фазы на землю (т.е. сопротивление изоляции этой фазы относительно земли =0), то человек окажется под линейным напряжением. Тогда ток, протекающий через тело человека, определяется по формуле:

(7)

Присоединение к незаземленному корпусу электрооборудования в таких сетях равносильно прикосновению к токоведущим частям.

При прикосновении человека к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением, напряжение прикосновения может быть определено по выражению:

(8)

Так как человек касается корпуса, то потенциал руки есть потенциал корпуса или напряжение относительно земли, т.е.

(9)

где х₃ – расстояние от центра до поверхности электрода.

Если ноги человека находятся на расстоянии х от центра заземлителя, то их потенциал находим из (1).

На рисунке 5 показано несколько корпусов потребителей (электродвигателей), присоединенных к заземлителю R₃. Потенциалы на поверхности грунта при замыкании на корпус любого потребителя распределяются по кривой 1. Потенциалы всех корпусов одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводом, падением напряжения в котором можно пренебречь.

Рисунок 5 – Напряжение прикосновения к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением;

I – кривая распределения потенциалов;

II – кривая распределения прикосновения.

Чтобы получить значения напряжения прикосновения к корпусам надо согласно (7) из напряжения относительно земли вычесть потенциал точки грунта, на которой стоит человек. Для человека, стоящего над заземлителем, напряжение прикосновения равно нулю, так как потенциал рук и ног одинаков и равен потенциалу корпусов.

По мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения возрастает, и у последнего (третьего) корпуса оно равно напряжению относительно земли, потому что человек стоит на земле и потенциал его ног равен нулю, т.е. из (7) имеем:

Если в (8) подставить значение потенциала рук и ног и , то получим напряжение прикосновения:

или

(10)

В (10) первый множитель представляет собой напряжение корпуса относительно земли U₃, второй множитель обозначим и назовем коэффициентом напряжения прикосновения.

Подставив эти значения в (10), получим:

U_пр=U₃α ₁ (11)

Таким образом, U_пр есть часть напряжения относительно земли, так как α ₁ ≤ 1.

Во всех случаях контакта человека с частями, находящимися под напряжением, это напряжение прикладывается к цепи, состоящей из сопротивления человека, обуви, пола. А напряжение прикосновения это та часть напряжения, которая приходится в этой цепи непосредственно на тело человека:

(12)

Напряжение прикосновения определяется как падение напряжения в сопротивлении тела человека.

Полное сопротивление цепи человека равно

(13)

где R – полное сопротивление цепи человека;

R_h – сопротивление человека;

R_об – сопротивление обуви;

R_н – сопротивление пола;

α ₂ – коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека.

Напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека определяется из выражения:

(14)

Коэффициент α ₂ может быть определен, если известны сопротивления R_об, R_н. Сопротивления обуви может колебаться в широких пределах - от несколько МОм до нескольких Ом, поэтому в наружных электроустановках, а также сырых помещениях сопротивлением обуви можно пренебречь.

Сопротивление опорной поверхности ног можно определить, если представить ноги человека как два полусферических (радиусом х_Н) заземлителя, включенных параллельно. Тогда

(15)

где ρ – удельное сопротивление поверхностного слоя грунта;

x_Н – эквивалентный радиус опорной поверхности ног (х_Н = 7 см).

С некоторым приближением можно использовать это выражение и для учета сопротивления пола, на котором стоит человек.

Ток через человека при прикосновении к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжениям, определяется из выражения (14). Если учесть, что

; ;

получим:

(16)

Таким образом, получена зависимость тока, проходящего через тело человека при случайном прикосновении, от тока замыкания на корпус электрической установки (землю) I_h =ƒ (I₃).

Из соотношения видно, что при увеличении сопротивления заземляющего устройства, например, из-за увеличения удельного электрического сопротивления фунта, ток, проходящий через тело человека, может возрасти только в том случае, сели ток замыкания соответственно не снизится. Эго связано с тем, что увеличенное значение сопротивления заземляющего устройства входит в электрическую цепь замыкания и приведёт к снижению тока в ней.

Необходимо иметь в виду, что ток замыкания электрической сети на землю зависит не только от сопротивления растеканию заземляющего устройства, а также и от других электрических сопротивлений, входящих в электрическую цепь замыкания.

В электрических сетях с изолированной нейтралью трансформатора или генератора возможны два случая вынужденных режимов, в которых могут возникнуть напряжения прикосновения и шага:

- однофазное замыкание на заземляющее устройство,

- при наличии однофазною замыкания на одном электрическом аппарате
возникновение второго замыкания на другом электрическом аппарате.

Вынужденный режим однофазного замыкания на заземляющее устройство в сетях с изолированной нейтралью не является аварийным режимом и может существовать достаточно длительный период. В этом режиме малый ток замыкания определяется высоким электрическим сопротивлением изоляции проводов и, практически не зависит от величины электрического сопротивления заземляющего устройства (рисунок 6).

Рисунок 6 – Замыкание электрической установки на заземляющее устройство в электрической сети с изолированной нейтралью

Это подтверждается соотношением (5) для этого случая, так как ,

(17)

Многократное увеличение R _Зиз-за увеличения удельного сопротивления грунта практически не повлияет на величину тока I _З

При неизменной величине тока замыкания, протекающего через заземляющее устройство, напряжение прикосновения будет изменяться прямо пропорционально изменению удельного электрического сопротив­ления грунта, что следует из соотношения (9).

В другом рассматриваемом случае при наличии однофазного замыкания на одном электрическом аппарате и возникновении второго замыкания на другом электрическом аппарате (рисунок 7) неизменным будет напряжение на заземляющем устройстве независимо от величины тока короткого замыкания и удельного сопротивления грунта.

Если принять равенство конструктивных параметров заземляющих устройств, то ток короткого замыкания и напряжение на заземляющем устройстве с достаточной степенью точности можно определить из соотношений

, (18)

Рисунок 7 – Однофазное замыкание на одном электрическом аппарате и возникновение второго замыкания на другом электрическом аппарате.

В рассмотренном случае напряжение прикосновения не зависит от величины электрического сопротивления, удельного электрического сопротивления грунта и других параметров заземляющего устройства.