Общие сведения о напряжении прикосновения и шага

Для защиты человека от поражения электрическим током используется такая защитная мера, как заземление электрооборудования. Заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей электроустановок, нормально не находящихся под напряжением, но могущих оказаться под ним при пробое фазы на корпус (вследствие повреждения изоляции фазного провода). При замыкании фазного провода на корпус ток от частей, находящихся под напряжением, проходит в землю через электрод, который осуществляет контакт с грунтом. Этот электрод принято называть заземлителем.

Напряжением прикосновения называется напряжение, под которым оказывается человек, стоящий на земле (грунте) и касающийся рукой корпуса электрооборудования, находящегося под напряжением вследствие повреждения изоляции (рис. 1).

Рис. 1. Напряжение прикосновения к заземленным корпусам электроустановок, оказавшихся под напряжением: а – кривая распределения потенциалов; б – кривая распределения напряжения прикосновения

Напряжение прикосновения U_пр определяется выражением

, (1)

где – потенциал руки и потенциал ног человека, соответственно (см. рис. 7.1).

Потенциал руки всегда равен потенциалу корпуса (переходное сопротивление в плоскости контакта очень мало). Поскольку корпус связан с заземлителем заземляющим проводником, сопротивление которого также очень мало, падением напряжения можно пренебречь. Тогда потенциал корпуса будет равен потенциалу заземлителя

, (2)

где U_з – напряжение замыкания на землю, В; I_з – ток замыкания на землю, А; – удельное сопротивление грунта, Ом м; Х_з – радиус заземлителя, м.

Потенциал ног человека в точке А (см. рис. 7.1)

, (3)

где Х – расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования, м.

В итоге напряжение прикосновения определяется по выражению

. (4)

Используя формулу (2), выражение (4) можно записать в виде

, (5)

где – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования

. (6)

Величина коэффициента может изменяться от нуля до единицы. При Х = Х_з (когда заземленное электрооборудование размещено непосредственно над заземлителем) = 0. Следовательно, и напряжение прикосновения U_пр также равно нулю. Если же Х стремится к бесконечности, то = 1 (чем дальше от заземлителя расположено заземленное электрооборудование, тем больше величина напряжения прикосновения). На больших расстояниях от заземлителя U_пр = U₃.

На величину напряжения прикосновения влияет не только расстояние X, но и сопротивление тела человека. Формула (5) справедлива, если корпуса электроустановки с поврежденной изоляцией касается незащищенной рукой человек, стоящий босиком на земле. Если человек использует основные и дополнительные электрозащитные средства (диэлектрические перчатки, галоши, коврики, изолирующие подставки и др.), напряжение прикосновения необходимо определять по формуле

, (7)

где – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека.

Величина этого коэффициента может изменяться от единицы (когда человек касается электрооборудования незащищенной рукой, стоя босиком на земле) до нуля (человек касается электрооборудования, используя исправные основные и дополнительные электрозащитные средства).

Напряжение прикосновения является важной характеристикой, которая используется для расчетов сопротивления заземления и выбора типа защиты. При этом должно выполняться следующее условие:

, (8)

, (9)

где I_h – ток, протекающий через тело человека, А; R_h – сопротивление тела человека, Ом (принимается R_h = 1000 Ом); U_пр.доп – допустимое напряжение прикосновения, В.

Величина допустимого напряжения прикосновения зависит от времени воздействия напряжения на организм человека и может быть определена с помощью эмпирической формулы:

, (10)

где t_доп – допустимое время воздействия электрического тока на организм человека, с; величина t_доп может изменяться от 0,1 до 30 с. Так как

, (11)

то

, (12)

где R_з – сопротивление заземлителя, Ом.

Таким образом, величина определяет тип заземлителя, применяемый на объекте, поскольку сопротивление заземлителя R_з зависит от формы, размера, числа электродов заземлителя, их взаимного расположения и глубины залегания в грунте.

В целях эксплуатационного контроля состояния электробезопасности на объектах периодически производятся измерения величины напряжения прикосновения. Результаты измерений показывают, обеспечивается ли безопасность человека и животных от поражения электрическим током.

Напряжением шага называется разность потенциалов для двух точек на поверхности земли в зоне растекания тока, которые находятся одна от другой на расстоянии шага и на которых одновременно стоит человек (рис. 7.2). То есть, напряжение шага – это напряжение между двумя ступнями человека, стоящего на земле в зоне растекания тока:

. (13)

. (14)

Зона растекания тока образуется не только вокруг заземлителя (рис. 2) но и вокруг любого провода, находящегося под напряжением и лежащего на земле.

Поскольку

, (15)

, (16)

то

, (17)

где Х – расстояние от человека до заземлителя (или до лежащего на земле провода), м; а – ширина шага человека, м (в расчетах принимаем а=0,8).

Формулу (17) можно записать следующим образом:

(18)

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий расстояние от человека до заземлителя:

. (19)

Величина коэффициента может изменяться от единицы (человек одной ногой стоит на заземлителе (проводе), а другой делает шаг на расстояние а = 0,8 м) до нуля, когда человек находится на расстоянии более 20 м от заземлителя (провода). Расстояние 20 м – постоянная величина, не зависящая от напряжения сети и удельного сопротивления грунта.

Поскольку величина напряжения шага уменьшается в зависимости от расстояния до заземлителя по гиперболической зависимости, безопасное напряжение шага будет уже на расстоянии 8 м от заземлителя. Поэтому к месту замыкания на землю (к заземлителю или к лежащему на земле проводу) обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 8...10 м. На более близкие расстояния можно подходить только очень короткими шагами.

Кроме коэффициента в расчетах используется и коэффициент – коэффициент напряжения шага, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека. Коэффициент также может изменяться от единицы (человек стоит босиком на земле) до нуля (человек использует дополнительные электрозащитные средства – диэлектрические галоши и боты). Используя дополнительные электрозащитные средства, можно вплотную подходить, например, к лежащему на земле проводу.

Величина напряжения шага также используется для расчета сопротивления заземлителя. Если

, (20)

то

. (21)

Из величин R_з, полученных по формулам (12) и (21), выбирают меньшее значение.

Исследование характеристик напряжения прикосновения и шага с помощью лабораторного стенда.

Лабораторный стенд представляет собой модель, имитирующую растекание электрического тока в грунте. Грунт заложен в емкость из оргстекла длиной 1 м. На стенке емкости расположен электрод, имитирующий заземлитель. Потенциал этого электрода равен потенциалу заземлителя и руки человека .

Над емкостью расположен подвижный электрод, выполненный в виде катка, контактирующего с грунтом. Этот электрод перемещается вдоль емкости с грунтом и имитирует потенциал ног человека . Электрическая принципиальная схема стенда представлена на рис. 3.

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема лабораторного стенда

для исследования напряжения прикосновения и напряжения шага

Питание стенд получает от трансформатора, во вторичной обмотке которого находится реостат R₁, с помощью которого регулируется задаваемая величина напряжения прикосновения. Сопротивление грунта представлено в виде переменного резистора R₂, соединенного с неподвижным электродом Э1 и подвижным электродом Э2. Напряжение прикосновения U_пр измеряется вольтметром РV.

При работе стенда нельзя касаться поверхности грунта!

Подключить стенд к сети и реостатом R₁ выставить величину U_пр.доп , заданную преподавателем. Далее переместить электрод Э2 от левого края емкости к правому, фиксируя его положение через каждые 10 см. При этом снять показания вольтметра. Данные опыта занести в табл. 1.

Таблица 1