Классификация электротехнических установок относительно мер электробезопасности

Безопасность системы электроснабжения – свойство сохранять с некоторой вероятностью безопасное состояние при выполнении заданных функций в условиях, установленных нормативно-технической документацией. Безопасность как отсутствие опасности, предупреждение опасности можно рассматривать в трех аспектах: 1) как состояние, при котором отсутствуют факторы, опасные и вредные для людей и окружающей среды; 2) как свойство не допускать с некоторой вероятностью ситуации, опасные и вредные для людей и окружающей среды; 3) как систему мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей и окружающей среды от опасных и вредных производственных факторов.

Электробезопасность – система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Степень опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей зависит от следующих параметров:

- рода тока и величины напряжения и тока;

- частоты переменного электрического тока;

- пути протекания тока через тело человека;

- продолжительности воздействия электрического тока или электрического, магнитного или электромагнитного полей на человека;

- условий внешней природной и производственной среды;

- индивидуальных особенностей людей.

Проходя через живые ткани, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое воздействие. Обычно выделяют два вида поражений электрическим током: местные электрические травмы и электрический удар. Местные электрические травмы: ожоги, электрические знаки, электрометаллизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия.

Электрический ожог возможен при прохождении через тело человека значительных токов, в результате выделения тепла и нагрева пораженных тканей до температуры более 60 °С. Возможны также ожоги и без прохождения тока через тело человека, например электрической дугой или при прикосновении к сильно нагретым частям электрооборудования, от разлетающихся раскаленных частиц металла и т. д.

Электрические знаки (метки тока) возникают при хорошем контакте с токоведущими частями. Они представляют собой припухлость с затвердевшей в виде мозоли кожей серого или желтовато-белого цвета, круглой или овальной формы. Края электрического знака резко очерчены белой или серой каймой. Природа электрических знаков не выяснена. Предполагается, что они вызваны химическими и механическими действиями тока.

Электрометаллизация кожи – проникновение под поверхность кожи частиц металла вследствие разбрызгивания и испарения его под воздействием тока, например при горении дуги.

Электроофтальмия – поражение глаз вследствие воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги или ожогов.

Механические повреждения (ушибы, переломы и пр.) имеют место при падении с высоты вследствие резких непроизвольных движений или потери сознания, вызванных действием тока.

Электрический удар наблюдается при воздействии малых токов при небольших напряжениях. Ток действует на нервную систему и на мышцы, вызывая паралич пораженных органов. Паралич дыхательных мышц, а также мышц сердца может привести к смертельному исходу. Прохождение тока может вызвать фибрилляцию сердца – беспорядочное сокращение и расслабление мышечных волокон сердца. Опытным путем установлено, что большие значения тока и напряжения более опасны. Наиболее опасен также переменный ток. Чем короче время воздействия тока, тем меньше опасность.

Обычно выделяют следующие пороговые значения тока: порог ощущений тока – наименьший ощутимый ток (0,5–1,5 мА); порог неотпускающего тока – наименьший ток, при котором человек уже не может самостоятельно освободиться от захваченных электродов действием тех мышц, через которые проходит ток (6–10 мА); смертельный ток (100 мА и более). Пороговые значения зависят от индивидуальных особенностей людей, а опасность поражения током зависит не только от длительности, величины тока и напряжения, но и ряда других факторов: пути тока в теле человека, состояния внешней среды и других. Наиболее опасно прохождение тока через дыхательные мышцы и сердце.

По применяемым мерам по электробезопасности различают следующие виды электроустановок: 1) выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими – более 500 А – токами замыкания на землю); 2) выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю); 3) до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью; 4) до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Электрической сетью с эффективно заземленной нейтралью называют трехфазную электрическую сеть выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Под коэффициентом замыкания на землю понимается отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания.

Глухозаземленная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Изолированная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Величина тока и путь его протекания через тело человека зависят от схемы прикосновения к частям электроустановок, находящимся под напряжением; состояния изоляции токоведущих частей; режима работы нейтрали источника питания, величины сопротивления тела человека и от ряда других обстоятельств. Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть двухполюсными и однополюсными.

Рисунок 13.1 - Прикосновение к сети с заземленной нейтралью: а – двухполюсное; б – однополюсное

Наиболее опасным считается двухполюсное прикосновение, когда ток через тело человека определяется линейным напряжением и его сопротивлением и проходит по одному из самых опасных путей: «рука–рука» и «рука–нога». Случаи двухполюсного прикосновения относительно редки.

Наиболее частыми случаями являются однополюсные прикосновения (рис. 13.1, б; 13.2, б, г), когда в тяжести поражения важную роль играет режим работы нейтрали. При прикосновении к одной из фаз сети с изолированной нейтралью (см. рис. 13.2, б) последовательно с сопротивлением человека оказываются включенными сопротивление изоляции и емкости относительно земли двух других фаз и ток через тело человека ограничивается его сопротивлением, а также эквивалентным сопротивлением изоляции и переходным сопротивлением «ноги–земля».

Рисунок 13.2 - Прикосновение в сети с изолированной нейтралью: а – двухполюсное; б – однополюсное при несовершенной изоляции; в – однополюсное при пробое фазы на корпус; г – однополюсное при одновременном замыкании на землю одной из двух фаз

В случае однополюсного прикосновения к одной из фаз сети с изолированной нейтралью при наличии одновременного замыкания на землю другой фазы, когда сопротивление этой фазы становится небольшим (см. рис. 13.2, г), человек оказывается под линейным напряжением, как при двухполюсном прикосновении. При прикосновении человека к нетоковедущим металлическим частям электроустановки в сети с изолированной нейтралью, оказавшейся под напряжением вследствие нарушения изоляции, часть тока замыкания на землю проходит через тело человека (см. рис. 13.2, в). В указанных электрических сетях ток замыкания на землю зависит от состояния изоляции (сопротивление токам утечки) и емкостного сопротивления или, другими словами, от протяженности электрической сети и ее технического состояния. Поэтому в электроустановках напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью безопасность персонала обеспечивается при сравнительно небольшой протяженности сети и высоком уровне сопротивления изоляции, что, в свою очередь, обеспечивается путем непрерывного контроля изоляции, своевременного и быстрого отыскания и устранения мест ее повреждения. Если электрические сети разветвленные или имеют напряжение выше 1 кВ, емкость сети значительна и система с изолированной нейтралью теряет свое преимущество, так как снижается сопротивление участка цепи «фаза–земля», и в таких случаях предпочтение должно отдаваться, особенно в электроустановках напряжением до 1 кВ, сети с заземленной нейтралью.

При однополюсном прикосновении человека в электрической сети с заземленной нейтралью он оказывается под фазным напряжением и ток проходит через тело человека, землю и заземленную нейтраль (см. рис. 13.1, б).

При прикосновении человека к одной из фаз электрической сети с заземленной нейтралью в то время, когда другая фаза будет иметь замыкание на землю, к телу человека будет приложено напряжение больше фазного, но меньше линейного. При прикосновении человека к нетоковедущим частям электроустановки, имеющей нарушение изоляции (пробой на корпус), он оказывается включенным в цепь «фаза–корпус–тело человека–земля– заземленная нейтраль» параллельно цепи «фаза–корпус–земля–заземленная нейтраль». Во всех рассмотренных случаях прикосновения большую роль играет любое добавочное сопротивление, включенное последовательно с сопротивлением тела человека (сопротивление пола, обуви, защитных средств).

Во всех случаях соединения частей электроустановки, находящихся под напряжением, с землей или с металлическими нетоковедущими частями, не изолированными от земли, от них в землю проходит ток через электрод, который осуществляет контакт с землей. Специальный металлический электрод, находящийся в соприкосновении с землей, принято называть заземлителем.

Электробезопасность обеспечивается: конструкцией электроустановок; техническими способами и средствами; организационными и техническими мероприятиями.

Для безопасности труда персонала необходимо:

- соблюдение соответствующих расстояний до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей;

- применение блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;

- применение надлежащей изоляции, а в отдельных случаях – повышенной;

- применение двойной изоляции;

- компенсация емкостных токов замыкания на землю;

- надежное и быстродействующее автоматическое отключение частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением и поврежденных участков сети, в том числе защитного отключения;

- заземление или зануление корпусов электрооборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции;

- выравнивание потенциалов;

- применение разделительных трансформаторов;

- применение напряжений < 42 В переменного тока частотой 50 Гц и < 110 В постоянного тока;

- использование предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов;

- применение устройств, снижающих напряженность электрических полей;

- использование защитных средств и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля, в которых напряженность превышает допустимые нормы.

Все перечисленные мероприятия представляют конструктивные и технические способы и средства обеспечения безопасности. Ни одну из перечисленных выше мер нельзя считать универсальной.

В электрических сетях с изолированной нейтралью ток замыкания на землю зависит не только от сопротивления изоляции, но и от ее емкости, а последняя – от протяженности электрической сети и ее геометрических параметров. В процессе эксплуатации емкость электрической сети меняется лишь с изменением объема включенных под напряжение элементов сети. Снижение емкостной составляющей тока замыкания на землю в сети достигается включением параллельно с ее емкостью индуктивности. Компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю осуществляется в электрических сетях напряжением выше 1 кВ. Компенсирующая катушка включается между нейтралью и землей, как показано на рис. 13.3, а.

Рисунок 13.3 - Компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю: а – принципиальная схема; б – векторная диаграмма тока замыкания на землю в сети без компенсации; в – векторная диаграмма тока замыкания на землю при полной компенсации

На векторной диаграмме (рис. 13.3, б, в) показан ток замыкания на землю и его составляющие без компенсации и в компенсированной сети. К активной и емкостной составляющим тока замыкания на землю добавляются активный и индуктивный токи компенсирующей катушки (I_а.к, I_L). При настройке катушки индуктивности в резонанс емкостная и индуктивная составляющие, находящиеся в противофазе, взаимно уничтожают друг друга. Ток замыкания на землю после компенсации емкостной составляющей становится меньше, чем без компенсации. Снижение тока замыкания на землю приводит не только к уменьшению напряжения прикосновения и шага, но и способствует гашению дуги между токоведущими и заземленными частями в случае их соединения и ликвидации повреждения – замыкания на землю. Поэтому компенсирующие катушки иногда называют дугогасящими.

Заземление электроустановок осуществляется преднамеренным электрическим соединением с заземляющим устройством, которое представляет собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель – проводник или совокупность металлически соединенных между собой проводников, находящихся в соприкосновении с землей. Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляемые части заземлителя.

Различают следующие виды заземлений: защитное – для обеспечения электробезопасности; рабочее – для обеспечения нормальных режимов работы установки; молниезащитное – для защиты электрооборудования от перенапряжений и молниезащиты зданий и сооружений. В большинстве случаев одно и то же заземление выполняет несколько функций одновременно.

Упрощенная картина растекания тока в землю и распределения потенциала земли вокруг заземлителя показана на рис. 13.4.

Рисунок 13.4 - Напряжения прикосновения в зоне растекания тока замыкания на корпус

В цепи замыкания на землю наибольшим потенциалом обладает заземлитель. Точки, лежащие на поверхности земли, имеют тем меньший потенциал, чем они дальше удалены от заземлителя. Зоной растекания называется область земли, в пределах которой возникает заметный градиент потенциала при стекании тока с заземлителя. Зоной нулевого потенциала называется зона земли за пределами зоны растекания. Если человек стоит на земле и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса, разность потенциалов между корпусом, соединенным металлическим проводником достаточной проводимости с заземлителем, и точкой грунта, на которой расположены его ноги, равна напряжению прикосновения и может быть определена как разность потенциалов заземлителя и данной точки грунта.

В общем случае под напряжением прикосновения понимается напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Человек, находящийся на поверхности земли в зоне растекания тока, попадает под шаговое напряжение, физический смысл которого виден из рис. 13.5. Напряжением шага называется напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Величина электрического тока, проходящего через тело человека под действием шагового напряжения, зависит от длины шага, а также от крутизны кривой потенциалов.

Занулением в электроустановках напряжением до 1 кВ называется преднамеренное соединение части электроустановок, нормально не находящихся под напряжением, с заземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с заземленной средней точкой в сетях постоянного тока.

Рисунок 13.5 - Распределение потенциалов в зоне растекания и напряжение шага

Нулевым защитным проводником (PE-проводником) в электроустановках напряжением до 1 кВ называется проводник, соединяющий зануляемые части: с заземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока; с заземленным выводом источника однофазного тока; с заземленной средней точкой источника постоянного тока.

Нулевым рабочим проводником (N-проводником) в электроустановках до 1 кВ называется проводник, используемый для питания электроприемника, соединенный с заземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с заземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной средней точкой источника постоянного тока.

PEN-проводником называется проводник в системе TN, который присоединен к заземленной нейтрали источника и одновременно выполняет функции нулевого защитного проводника (PE-проводника) и нулевого рабочего проводника (N-проводника).

Сопротивление, которое оказывают току заземлитель и грунт, называется сопротивлением растеканию. В практике сопротивлению растекания соответствует термин «сопротивление заземлителя». Сопротивление заземлителя определяется отношением напряжения Uз на заземлителе относительно точки нулевого потенциала к току Iз, стекающему с заземлителя в землю:

R₃ = U₃ / I₃ (13.1)

Для устройства заземлений в установках переменного тока следует в первую очередь использовать естественные заземлители, которыми называют находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для целей заземления.

В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать: проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывчатых газов и смесей; обсадные трубы скважин; металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле; рельсовые магистральные неэлектрифицированные железнодорожные пути и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами.

Алюминиевые оболочки кабелей, выпускаемые с защитными покровами для предотвращения коррозии алюминия при соприкосновении с землей, не допускаются к использованию в качестве заземлителей.

Искусственные заземлители следует применять лишь при необходимости уменьшения токов, протекающих по естественным заземлителям или стекающих с них в землю. Для снижения затрат на заземляющие устройства в ряде случаев можно ограничиться использованием только естественных заземлителей.

Искусственные заземлители обычно выполняют из стальных вертикальных электродов (труб, уголков, стержней) с расположением верхнего конца у поверхности земли или ниже уровня земли на 0,5–0,7 м. При этом способе сопротивление заземления относительно стабильно из-за небольшого изменения влажности и температуры грунта.