Вопрос 5 Электрический ток

Электрические установки, приборы и агрегаты широко распространены в различных отраслях техники и в быту. При работе с ними необходимо соблюдать требования электробезопасности, которые представляют собой систему организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от эл.тока, ЭМП, статического электричества.

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах носителями зарядов являются электроны. За направление электрического тока принимается направление, противоположное направлению отрицательно заряженных частиц.

Силой токаназывают количество электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за короткий промежуток времени. Если за любые равные промежутки времени проходят одинаковые заряды, то ток называют постоянным.Переменнымназывается ток, сила и направление которого изменяются во времени.

Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека:

· ощутимый ток вызывает у человека мало болезненные ощущения и человек самостоятельно может освободиться от провода или токоведущей части. При переменном токе промышленной частоты (50 Гц) ощущения появляются при значении тока 0.6-1.5 мА. Для постоянного тока пороговое значение 6-7 мА.

· не отпускающий токпри силе переменного тока 10-15 мА и постоянного 50-70 мА у человека возникают непреодолимые болезненные судорожные сокращения мышц, он не может самостоятельно освободиться от воздействия тока.

· фибриляционный ток вызывает быстрые хаотичные и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибриллы), в результате сердце теряет способность прокачивать кровь и наступает смерть. Величина порогового фибрилляционного тока составляет 100мА при продолжительности воздействия более 0.5 с, а для постоянного тока 300 мА той же продолжительности (табл. 2.19). Электрический ток, проходя через живые ткани, оказывает термическое, электролитическое и биологическое воздействия. Это приводит к различным нарушениям в организме, вызывая как местные повреждения тканей и органов, так и общее повреждение организма (рис. 2.24).

Таблица 2.19 - Характер воздействия постоянного и переменного токов на организм человека

Рисунок 2.24 – Действие электрического тока на человека

Приблизительное распределение по видам электротравм в процентах от всех несчастных случаев, связанных с электротравмами в промышленности:

· местные электротравмы - 20%;

· электрические удары - 25%;

· смешанные электротравмы – 55%.

В зависимости от паталогических процессов, возникающих при поражении электрическим током, принято, условно, следующим образом классифицировать общие электротравмы:

· электрические удары I степени – наличие судорожного сокращения мышц без потери сознания;

· электрические удары II степени – судорожные сокращения мышц, сопровождающееся потерей сознания;

· электрические удары III степени – потеря сознания и нарушение функций сердечной деятельности или дыхания (возможно и то и другое);

· электрические удары IV степени – клиническая смерть

Все перечисленные выше поражения электрическим током происходят по различным причинам (рис. 2.25). Каждый случай поражения электрическим током имеет свои индивидуальные особенности. Однако, с теоретической точки зрения (анализа физической природы источников электроэнергии и количественной оценки параметров тока) всё множество причин протекания через тело человека тока подразделяется на следующие типовые схемы:

- двухполюсное прикосновение – одновременное прикосновение к 2 полюсам электроустановки, находящейся под напряжением;

- однополюсное прикосновение – прикосновение к полюсу электроустановки, находящейся под напряжением;

- остаточный заряд;

- наведённый заряд;

- заряд статического электричества (между проводящими телами; разряды с заряженного диэлектрика на проводящие конструкции; коронирование диэлектриков; разряды в следе скольжения);

- напряжение шага – напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага (0.8 м), на которых одновременно стоит человек;

- электрический пробой воздушного промежутка.

Исход поражения зависит от многих факторов: силы тока и времени его прохождения через организм, характеристики тока (переменный или постоянный) пути тока в теле человека, частоты колебаний (при переменном токе). Факторы, влияющие на исход поражения, приведены на рисунке 2.26

Рисунок 2.26 – Факторы, влияющие на исход поражения током

Величина тока. Опасность воздействия электрического тока на человека оценивается по ответной реакции организма. С увеличением тока четко проявляется несколько качественно отличных ответных реакций: ощущение, судорожное сокращение мышц, неотпускание (для переменного тока), болевое ощущение (для постоянного тока), фибрилляция сердца и спазм легких. По степени воздействия на организм человека различают: неощутимый ток, ощутимый ток, отпускающий, неотпускающий и смертельный. Пороговые значения величины тока приведены в таблице 2.20.

Таблица 2.20 – Пороговые значения величины тока, мА

Время воздействия электрического тока. В настоящее время общепринятым пределом опасности электрического тока считается значение 100 мА при продолжительности воздействия 3 с. Однако можно выдержать и значительно большее значение тока, если время его воздействия будет мало.

Род тока, как и прочие факторы, определяет исход поражения электрическим током. Электрический ток разделяется на: постоянный и непостоянный. Постоянный ток примерно в 3 – 4 раза менее опасен переменного тока частотой 50 Гц. Однако это характерно для относительно небольших напряжений до 250 – 300 В. При более высоких напряжениях опасность постоянного тока возрастает и при напряжениях 400 – 600 В практически равна опасности переменного тока частотой 50 Гц. При напряжениях более 600 В постоянный ток становится более опасен, чем переменный, особенно в момент замыкания или размыкания цепи. В таблице 2.21 приведены предельно допустимые уровни (ПДУ) напряжений прикосновения U_при токов I: с увеличением ПДУ напряжений и токов должно быть ограничено время их воздействия.

Таблица 2.21 – Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов

Электрическое сопротивление тела человека. Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково. Например, при токе частотой 50 Гц удельное объемное сопротивление, Ом·м, составляет: для сухой кожи — 3000...20000; кости (без надкостницы)— 10000...2000000; жировой ткани — 30...60; мышечной ткани — 1,5...3; крови — 1...2; спинномозговой жидкости — 0,5...0,6. Таким образом, кожа характеризуется очень большим удельным сопротивлением, которое служит главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом.

Сопротивление тела человека R_ч колеблется в пределах от 1000 до 100 000 Ом и равно сумме двух одинаковых активных сопротивлений наружного слоя кожи R_н, в совокупности составляющих наружное сопротивление тела человека и внутреннее сопротивление тела R_B,. Факторами, приводящими к уменьшению сопротивления тела человека являются:

- увлажнение поверхности кожи;

- увеличение площади контакта;

- время воздействия.

Сопротивление тела человека является непостоянной величиной, зависящей от многих факторов: приложенного напряжения, состояния кожного покрова, места и площади контакта, формы токоведущей части и т. д. Сопротивление тела человека уменьшается при увеличении воздействующего напряжения.

Путь прохождения электрического тока. При воздействии на человека электрического тока возможны различные пути его прохождения через человека. При движении тока через жизненно важные органы – сердце, легкие, головной мозг – опасность их поражения резко возрастает. Если же ток проходит иными путями, то его воздействие на жизненно важные органы может быть рефлекторным, т.е. через центральную нервную систему, благодаря чему вероятность тяжелого исхода резко уменьшается. Характерными, обычно встречающимися в практике являются не более 15 петель, однако самые распространенные из них (6 петель) приведены в таблице 2.22

Таблица 2.22 – Характеристика наиболее распространенных путей тока в теле человека

Частота тока. До последнего времени считалось, что наиболее опасным для человека электрический ток частотой 50 – 60 Гц. Последние исследования позволили уточнить эти данные. С ростом частоты тока от 50 Гц до 15 кГц величины отпускающих токов возрастают, за исключением частоты 200 Гц, которая может рассматриваться как наиболее физиологически активная.

Опасность включения человека в электрическую цепь оценивается условиями, определяющими величину тока, проходящего через тело человека, или напряжением прикосновения (табл.2.24). Трехфазные сети с глухо заземленной нейтралью и нулевым проводом получили наибольшее распространение, так как позволяют не только питать трехфазные электропотребители, но и получать фазное напряжение (фаза – нуль) для обеспечения включения осветительных приборов и ручного электрифицированного инструмента.

. Таблица 2.24 – Расчётные зависимости для оценки опасности для человека электрических цепей

Трехфазные электрические цепи	Однофазные электрические цепи
С изолированной нейтралью при однофазном прикосновении	С заземленной нейтралью	С изолирован-ной от земли нейтралью	Заземленные
При двухфазном прикосновении	В аварийном режиме   Uч – меньше линейного, но больше фазного	На полюсе в исправном состоянии В аварийном режиме	В средней точке
Сопротивление тела человека 1кОм Одежды – 10-15 кОм Обуви 25-5000 кОм Опоры – 2 кОм
ω - угловая частота сети

Анализируя различные случаи прикосновения человека к проводам 3-х фазных электрических сетей, можно сделать следующие выводы:

1) наименее опасным является однофазное прикосновение к проводу исправной сети с изолированной нейтралью;

2) при замыкании одной из фаз на землю, опасность прикосновения к исправной фазе больше, чем в исправной сети при любом режиме нейтрали;

3) наиболее опасным является 2-х фазное прикосновение при любом режиме нейтрали.

Анализ величин токов, проходящих через тело человека при прикосновении к сетям однофазного тока, свидетельствует о том, что:

1) при различных случаях прикосновения к однофазным сетям постоянного тока наиболее опасно 2-х полюсное прикосновение при любом режиме сети относительно земли (изолированной или заземленной на полюсе или в средней точке), т.к. в этом случае ток, протекающий через тело человека, определяется только сопротивлением его тела;

2) наименее опасно однополюсное прикосновение к проводу изолированной сети в нормальном режиме работы

Пробой изоляции, замыкание электрической цепи на землю или преднамеренное соединение электрической цепи на землю вызывают растекание тока в земле. Оно обусловлено появлением разности потенциалов между отдельными точками земли или между заземленным электрооборудованием и землей. В наиболее простом случае, например при замыкании токоведущего провода на землю, его можно рассматривать в виде контакта полусферы с землей, имеющей однородное удельное сопротивление ρ. Принято считать, что линии тока в земле идут по радиусам от центра полусферы. Пространство вокруг полусферы (заземлителя), где наблюдается прохождение тока замыкания на землю, называется полем растекания.

Другим видом опасности при явлении растекания тока в земле может быть опасность шагового напряжения U_ш. Шаговое напряжение определяется разностью потенциалов, над которой находятся ноги человека (рис. 2.28).

Рисунок 2.28 – Напряжение шага при одиночном заземлителе

Если одна нога человека касается земли на расстоянии х от точки контакта провода с землей, а другая находится на расстоянии х + а (а – ширина шага, м), то шаговое напряжение будет равно:

(2.31)

По мере удаления от заземлителя опасность шагового напряжения снижается и на расстоянии 20 м не представляет опасности.