Основы электробезопасности в электроэнергетике


И. Р. Абдулвелеев





                ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ




Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3
ББК 31.2
     А13


Рецензенты:
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г. И. Носова»
Николаев Александр Аркадьевич;
к. т. н., доцент кафедры электро- и теплоэнергетики ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» Валиуллин Камиль Рафкатович

     Абдулвелеев, И. Р.
А13       Основы электробезопасности в электроэнергетике : учебное пособие /
     И. Р. Абдулвелеев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 100 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1074-8

     Рассматриваются способы защиты человека от поражения электрическим током и опасность поражения человека в сетях с различным исполнением системы заземления. Представлены основные подходы к расчету параметров одиночных и групповых заземлителей. Приведен анализ опасности поражения током в трехфазных сетях с глухозаземленной и изолированной нейтралью. Излагаются вопросы организации безопасной эксплуатации электроустановок, электромагнитные поля которых оказывают вредное воздействие на здоровье рабочего персонала.
     Для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно специалистам, занимающимся вопросами обеспечения электробезопасности жилых и производственных помещений.

                                                              УДК 621.3
                                                              ББК 31.2










ISBN 978-5-9729-1074-8

© Абдулвелеев И. Р., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


      Вопросы безопасности труда при эксплуатации электрооборудования в электроэнергетических системах имеют весьма важное значение. До половины несчастных случаев со смертельным исходом на производстве происходят в результате поражения рабочего персонала электрическим током, большая часть из которых приходится на электроустановки напряжением до 1000 В.
      Электробезопасность - это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от опасного и вредного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и электростатических разрядов.
      Требования электробезопасности в нашей стране регламентируются различными Правилами и Инструкциями: «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП), «Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок» (ПОТЭУ), «Инструкция по применению и испытанию средств защиты, используемых в электроустановках», (ИП и ИСЗ) и др.
      Помимо неукоснительного выполнения требований Правил и Инструкций по охране труда, основой организации безопасной эксплуатации электроустановок является высокая техническая грамотность персонала и знание основных положений теории электробезопасности.
      Настоящее пособие посвящено способам защиты человека от поражения электрическим током и опасности поражения человека в сетях с различным исполнением системы заземления. Представлены основные подходы к расчету параметров одиночных и групповых заземлителей. Приведен анализ опасности поражения током в трехфазных сетях с глухозаземленной и изолированной нейтралью. Излагаются вопросы организации безопасной эксплуатации электроустановок, электромагнитные поля которых оказывают вредное воздействие на здоровье рабочего персонала. Рассмотрены основные вопросы обеспечения электробезопасности жилых и производственных помещений.
      Данная работа предназначена для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электроснабжение». Пособие может оказаться полезным для электротехнического, оперативного и административно-технического персонала, обслуживающего электроустановки всех классов напряжения, а также для подготовки к экзаменам по технике безопасности, эксплуатации электроустановок и присвоении групп допуска.

3

1. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
1.1. Действие электрического тока на человека

     Воздействия электрического тока на человека разнообразны и зависят от множества факторов. По характеру воздействия различают: термические, биологические, электролитические, химические и механические повреждения.
     Термическое действие тока проявляется в виде ожогов отдельных участков тела, почернением и обугливанием кожи и мягких тканей; нагревом до высокой температуры органов, расположенных на пути прохождения тока, кровеносных сосудов и нервных волокон. Фактор нагрева вызывает функциональные расстройства в органах и системах человеческого тела.
     Электролитическое действие тока выражается в разложении различных жидкостей организма на ионы, нарушающие их свойства.
     Химическое действие тока проявляется в возникновении химических реакций в крови, лимфе, нервных волокнах с образованием новых веществ, не свойственных организму.
     Биологическое действие приводит к раздражению и возбуждению живых тканей организма, возникновению судорог, остановке дыхания, изменению режима сердечной деятельности.
     Механическое действие тока выражается в сильном сокращении мышц, вплоть до их разрыва, разрывам кожи, кровеносных сосудов, переломе костей, вывихе суставов, расслоении тканей.
     По видам поражения различают: электротравмы (местные поражения) и электрические удары (общие поражения).
     Электротравмы - это местные поражения (ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения, электроофтальмия).
      -        Токовые ожоги подразделяются на контактные и дуговые. Контактные возникают в месте контакта кожи с токоведущей частью электроустановки напряжением не выше 2 кВ, дуговые - в местах, где возникла электрическая дуга, обладающая высокой температурой и большой энергией. Дуга может вызвать обширные ожоги тела, обугливание и даже полное сгорание больших участков тела.
      -        Электрические знаки - это уплотненные участки серого или бледножелтого цвета на поверхности кожи человека, подвергнувшейся действию тока. Как правило, в месте электрического знака кожа теряет чувствительность.
      -        Металлизация кожи - внедрение в верхние слои кожи мельчайших частиц металла, расплавившегося под действием электрической дуги или заряженных частиц электролита из электролизных ванн.

4

      -        Электроофтальмия - воспаление наружных оболочек глаз в результате воздействия мощного потока ультрафиолетового излучения от электрической дуги. Возможно повреждение роговой оболочки, что особенно опасно.
     Электрические удары - это общие поражения, связанные с возбуждением тканей проходящим через них током (сбои в функционировании центральной нервной системы, органов дыхания и кровообращения, потеря сознания, расстройства речи, судороги, нарушение дыхания вплоть до его остановки, мгновенная смерть).
     По степени воздействия на человека различают три пороговых значения тока: ощутимый, неотпускающий и фибрилляционный.
     Ощутимый электрический ток при прохождении через организм вызывает ощутимое раздражение. Ощущение от протекания переменного электрического тока, как правило, начинается от 0,6 мА.
     Неотпускающий ток при прохождении через человека вызывает непреодолимые судорожные сокращения мышц рук, ног или других частей тела, соприкасающихся с токоведущим проводником. Переменный ток промышленной частоты, протекая по нервным тканям, воздействует на биотоки мозга, вызывая эффект «приковывания» к неизолированному проводнику тока в месте контакта с ним. Человек не может самостоятельно оторваться от токоведущей части.
     Фибрилляционный ток при прохождении через организм вызывает фибрилляцию сердца (разновременные некоординированные сокращения отдельных мышечных волокон сердца). Фибрилляция может привести к остановке сердца и параличу дыхания.
     Степень поражения электрическим током зависит от электрической проводимости или от обратного ему параметра - общего электрического сопротивления организма. Они, в свою очередь, определяются:
      -        индивидуальными особенностями тела человека;
      -        параметрами электрической цепи (напряжением, силой и родом тока, частотой его колебаний), под действие которой попал работник;
      -        путем прохождения тока через тело человека;
      -        условиями включения в электросеть;
      -        продолжительностью воздействия;
      -        условиями внешней среды (температурой, влажностью, наличием токопроводящей пыли и др.).
     Низкое электрическое сопротивление организма способствует более тяжелым последствиям поражения. Электрическое сопротивление тела человека снижается вследствие неблагоприятных физиологических и психологических состояний (утомление, заболевание, алкогольное опьянение, голод, эмоциональное возбуждение).

5

     Общее электрическое сопротивление человеческого организма суммируется из сопротивлений каждого участка тела, расположенного на пути прохождения тока. Каждый участок обладает своим сопротивлением. Наибольшее электросопротивление имеет верхний роговой слой кожи, в котором отсутствуют нервные окончания и кровеносные сосуды. При влажной или поврежденной коже сопротивление составляет около 1000 Ом. При сухой коже без повреждений оно многократно возрастает. При электропробое наружного слоя кожи полное сопротивление тела человека значительно снижается. Сопротивление кожи падает тем быстрее, чем длительнее процесс протекания тока.
     Тяжесть поражения человека пропорциональна силе тока, прошедшего через его тело. Ток силой более 0,05 А может смертельно травмировать человека при продолжительности воздействия 0,1 с.
     Переменный ток более опасен, чем постоянный, однако при высоком напряжении (более 500 В) опаснее становится постоянный ток. Наиболее опасен частотный диапазон переменного тока от 20 до 100 Гц. Основная масса промышленного оборудования работает на частоте 50 Гц, входящей в этот опасный диапазон. Высокочастотные токи менее опасны. Токи высокой частоты могут вызвать лишь поверхностные ожоги, так как они распространяются только по поверхности тела.
     Характер воздействия различных значений электрического тока на человека при протекании через тело показан в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1
Воздействие переменного и постоянного тока на тело человека

Ток, мА      Переменный ток (f = 50 Гц)              Постоянный ток        
0,6-1,5     Слабый зуд, пощипывание кожи              Не ощущается         
2-4           Сильное дрожание пальцев                Не ощущается         
5-7     Судороги во всей кисти руки                 Зуд, нагрев кожи       
          Неотпускающий ток, непреодолимые                                 
          судорожные сокращения мышц руки,    Усиление нагрева, сокращение 
10-15    в которой зажат проводник. Человек            мышц руки           
         не может самостоятельно освободить                                
            руку от контакта с проводом                                    
20-25   Оторвать руку от провода невозможно,  Еще больший нагрев, судороги 
          сильные боли, затруднено дыхание                                 
          Через несколько секунд наступает                                 
50-80     паралич дыхания и сбои в работе          Неотпускающий ток       
                       сердца                                              
100       Фибрилляция сердца через 2-3 с,    Паралич дыхания при длительном
                дыхание прекращается                протекании тока        

6

     Степень поражения организма во многом определяет путь, по которому электрический ток проходит через тело человека. Наиболее опасны следующие варианты протекания тока:
      -         человек дотрагивается двумя руками до токоведущих проводов или частей оборудования, находящихся под напряжением. В этом случае движение тока идет от одной руки к другой через легкие и сердце. Путь этот принято называть «рука - рука»;
      -         человек стоит двумя ногами на земле и прикасается одной рукой к источнику тока. Путь протекания тока в этом случае называют «рука - ноги». Ток проходит через легкие и, возможно, через сердце;
      -         человек стоит обеими ногами на земле в зоне стекания на землю тока от неисправного электрооборудования, выполняющего в данном случае роль заземлителя. Земля в радиусе до 20 м получает потенциал напряжения, уменьшающийся с удалением от заземлителя. Каждая из ног человека получает разный потенциал напряжения, определяемый удаленностью от неисправного электрооборудования. В результате возникает электрическая цепь «нога - нога», напряжение в которой называют шаговым;
      -         прикосновение головой к токоведущим частям может создать цепь, где путь тока будет «голова - руки» или «голова - ноги».
     Также весьма опасными являются случаи, когда в зону поражения попадает головной мозг. Это цепи: «голова - рука», «голова - ноги».

1.2. Мероприятия по защите человека от поражения электрическим током

     Мероприятия по защите от поражения электрическим током должны обеспечивать снижение напряжения прикосновения и тока, протекающего через человека, а также времени воздействия тока на человека.
     Основные технические способы защиты от поражения электрическим током:
      -  защитное заземление;
      -  защитное зануление;
      -  автоматическое отключения питания при сверхтоках;
      -  использование устройств защитного отключения.

1.2.1. Защитное заземление

     Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на них токоведущих

7

частей или по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.), выполняемое в целях электробезопасности.
      Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус токоведущих частей, или по другим причинам.
      Принцип действия защитного заземления - снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).
      Рассмотрим аварийную сеть с изолированной нейтралью, где ток короткого замыкания определяется состоянием изоляции.
      Возможны два случая:
       1.        Корпус электроустановки не заземлен. В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки так же опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.
       2.        Корпус электроустановки заземлен (рис. 1.1). В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным:
U ₃ =I₃R ₃.                           (1.1)

      Напряжение прикосновения и ток через тело человека в этом случае будут определяться по формулам:

Uh = I3R 3“1;
R₃
Ih= I3 Rh “1,                         ⁽¹.²⁾

где «1 - коэффициент напряжения прикосновения.

      Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R з можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток через тело человека.
      Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя.
      Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью (типа IT)

8

напряжением до 1 кВ, т. к. в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема сети с изолированной нейтралью (типа IT) и защитным заземлением электроустановки

Рис. 1.2. Схема сети с заземленной нейтралью и защитным заземлением электроустановки
      В сетях переменного тока с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве основной защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении не применяется, т. к. оно не эффективно (рис. 1.2).

9

     В таких сетях ток замыкания на землю будет зависеть в основном только от сопротивления заземлителя. Уменьшение сопротивления заземлителя привела к увеличению тока замыкания, а напряжение прикосновения и опасность поражения током не уменьшится.
     Область применения защитного заземления:
      1.       Электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трехпроводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (система IT).
      2.        Электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных двухпроводных сетях переменного тока изолированных от земли.
      3.        Электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока (система IT).
      4.        Электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней точки обмоток источников тока.
     Заземляющим устройством называется совокупность зеземлителя и заземляющих проводов.
     В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.
     Каждая часть электроустановки, подлежащая заземлению или занулению, должна быть присоединена к сети заземления или зануления с помощью отдельного проводника. Последовательное соединение заземляющими (зануляющими) проводниками нескольких элементов электроустановки не допускается [ПУЭ, разд. 2.7.6]. Присоединение заземляющих проводников к заземлителю и заземляющим конструкциям должно быть выполнено сваркой, а к главному заземляющему зажиму, корпусам аппаратов, машин и опорам ВЛ - болтовым соединением. Открыто проложенные заземляющие проводники должны быть предохранены от коррозии и окрашены в черный цвет.
     При малых токах замыкания на землю, в частности в установках до 1 кВ, где потенциал заземлителя не превышает значения предельно допустимого напряжения прикосновения, применяются выносные заземляющие устройства.
     Существенный недостаток выносного заземляющего устройства - отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего коэффициент прикосновения ai = 1.
     Для установок напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей в сетях с изолированной нейтралью типа IT, должно соответствовать условию.

10