Jak ocenia się ryzyko odniesienia obrażeń przez prąd instalacji elektrycznej w sieciach elektrycznych o różnych konfiguracjach?

Znajomość procesów zachodzących w instalacjach elektrycznych pozwala energetykom bezpiecznie obsługiwać urządzenia o dowolnym napięciu i rodzaju prądu, wykonywać prace remontowe i konserwacyjne instalacji elektrycznych.

Aby uniknąć przypadków porażenia prądem instalacji elektrycznej, informacje zawarte w PUE, PTB i PTE — główne dokumenty stworzone przez najlepszych specjalistów na podstawie analizy wypadków z udziałem osób poszkodowanych przez niebezpieczne czynniki towarzyszące eksploatacji energii elektrycznej.

Okoliczności i przyczyny narażenia osoby na działanie prądu elektrycznego

Dokumenty z wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa rozróżniają trzy grupy przyczyn wyjaśniających porażenie prądem pracowników:

1. celowe, niezamierzone zbliżanie się do części pod napięciem w odległości mniejszej niż bezpieczna lub dotykanie ich;

2. powstawanie i rozwój sytuacji nadzwyczajnych;

3.naruszenie wymagań określonych w instrukcjach określających zasady zachowania się pracowników przy istniejących instalacjach elektrycznych.

Ocena niebezpieczeństwa odniesienia obrażeń przez osobę polega na określeniu za pomocą obliczeń wielkości prądów przepływających przez ciało ofiary. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę wiele sytuacji, w których styki mogą wystąpić w przypadkowych miejscach instalacji elektrycznej. Ponadto przyłożone do nich napięcie zmienia się w zależności od wielu przyczyn, w tym warunków i trybów działania obwodu elektrycznego, jego charakterystyki energetycznej.

Warunki obrażeń osób porażonych prądem elektrycznym

Aby prąd płynął przez ciało ofiary, konieczne jest utworzenie obwodu elektrycznego poprzez połączenie co najmniej dwóch punktów obwodu, które mają różnicę potencjałów - napięcie. W przypadku urządzeń elektrycznych mogą wystąpić następujące warunki:

1. Jednoczesne dwufazowe lub dwubiegunowe zetknięcie różnych biegunów (faz);

2. kontakt jednofazowy lub jednobiegunowy z potencjałem obwodu, gdy osoba ma bezpośrednie połączenie galwaniczne z potencjałem ziemi;

3. przypadkowego doprowadzenia do kontaktu z przewodzącymi elementami instalacji elektrycznej, które w wyniku rozwoju wypadku znajdowały się pod napięciem;

4. wpadnięcie pod działanie napięcia krokowego, gdy powstaje różnica potencjałów między punktami, w których jednocześnie znajdują się nogi lub inne części ciała.

W takim przypadku może dojść do kontaktu elektrycznego poszkodowanego z przewodzącą prąd częścią instalacji elektrycznej, co PUE uznaje za dotknięcie:

1. bezpośrednio;

2. lub pośrednio.

W pierwszym przypadku powstaje on w wyniku bezpośredniego kontaktu z częścią pod napięciem, która jest pod napięciem, w drugim dotykania nieizolowanych elementów obwodu, gdy w razie wypadku przejdzie przez nie niebezpieczny potencjał.

W celu określenia warunków bezpiecznej eksploatacji instalacji elektrycznej oraz przygotowania stanowiska pracy dla pracujących w niej osób konieczne jest:

1. przeanalizować przypadki możliwego stworzenia ścieżek przepływu prądu elektrycznego przez ciało personelu obsługi;

2. porównuje jego maksymalną możliwą wartość z aktualnymi minimalnymi dopuszczalnymi normami;

3. podejmuje decyzję o wdrożeniu środków zapewniających bezpieczeństwo elektryczne.

Charakterystyka analizy warunków obrażeń ludzi w instalacjach elektrycznych

Aby oszacować wielkość prądu przepływającego przez ciało ofiary w sieci o napięciu stałym lub przemiennym, stosuje się następujące rodzaje oznaczeń:

1. opory:

• Rh — w organizmie człowieka;

• R0 — dla urządzenia uziemiającego;

Ris — warstwa izolacyjna względem konturu ziemi;

2. prądy:

Ih – przez ludzkie ciało;

Iz — zwarcie do pętli uziemienia;

3. naprężenia;

Uc — obwody ze stałym lub jednofazowym prądem przemiennym;

Ul — liniowy;

Uf — faza;

Upr — dotyka;

Ucho - kroki.

W takim przypadku możliwe są następujące typowe schematy podłączenia ofiary do obwodów napięcia w sieciach:

1. prąd stały przy:

• styk jednobiegunowy styku drutowego z potencjałem odizolowanym od obwodu uziemiającego;

• jednobiegunowy kontakt potencjału obwodu z uziemionym biegunem;

• kontakt dwubiegunowy;

2. sieci trójfazowe w;

• kontakt jednofazowy z jednym z potencjalnych przewodników (przypadek uogólniony);

• kontakt dwufazowy.

Obwody zwarciowe w obwodach prądu stałego

Jednobiegunowy styk człowieka z potencjałem odizolowanym od ziemi

Pod wpływem napięcia Uc przez zdwojoną rezystancję izolacji ośrodka przepływa prąd Ih przez kolejno tworzony obwód potencjału dolnego przewodnika, ciała ofiary (ramię-noga) i pętli uziemienia.

Jednobiegunowy kontakt człowieka z potencjałem bieguna uziemienia

W obwodzie tym sytuację pogarsza dołączenie do obwodu uziemiającego potencjalnego przewodnika o rezystancji bliskiej zeru R0 i znacznie mniejszej niż rezystancja ciała ofiary i warstwy izolacyjnej środowiska zewnętrznego.

Siła wymaganego prądu jest w przybliżeniu równa stosunkowi napięcia sieciowego do rezystancji ludzkiego ciała.

Dwubiegunowy kontakt człowieka z potencjałami sieciowymi

Napięcie sieciowe przykładane jest bezpośrednio do ciała ofiary, a prąd przepływający przez jego ciało jest ograniczony jedynie jego własnym, znikomym oporem.

Ogólne wzorce zwarć w trójfazowych obwodach prądu przemiennego

Ustanawianie kontaktu człowieka między potencjałem fazowym a ziemią

Zasadniczo istnieje rezystancja między każdą fazą obwodu a potencjałem masy i tworzona jest pojemność. Zero uzwojeń źródła napięcia ma uogólnioną rezystancję Zn, której wartość zmienia się w różnych systemach uziemienia obwodu.

Wzory do obliczania przewodności każdego obwodu i całkowitej wartości prądu Ih przez napięcie fazowe Uf pokazano na rysunku za pomocą wzorów.

Formowanie się kontaktu między dwiema fazami

Największą wartością i zagrożeniem jest prąd przepływający przez obwód, powstający pomiędzy bezpośrednimi kontaktami ciała ofiary z przewodami fazowymi. W takim przypadku część prądu może przepływać wzdłuż ścieżki przez uziemienie i rezystancję izolacji ośrodka.

Charakterystyka dotyku dwufazowego

W obwodach prądu stałego i trójfazowego najbardziej niebezpieczne jest zetknięcie się dwóch różnych potencjałów. Przy tym schemacie osoba wpada pod wpływ największego stresu.

W obwodzie ze stałym napięciem prąd płynący przez ofiarę oblicza się ze wzoru Ih = Uc / Rh.

W trójfazowej sieci prądu przemiennego wartość tę oblicza się ze stosunku Ih = Ul / Rh =√3Uph / Rh.

Biorąc pod uwagę, że średni opór elektryczny ludzkiego ciała wynosi 1 kiloom, obliczamy prąd występujący w sieci przy stałym i przemiennym napięciu 220 woltów.

W pierwszym przypadku będzie to: Ih = 220/1000 = 0,22A. Ta wartość 220 mA jest wystarczająca, aby ofiara doznała konwulsyjnego skurczu mięśni, gdy bez pomocy nie jest już w stanie uwolnić się od skutków przypadkowego dotyku – prądu trzymania.

W drugim przypadku Ih = (220·1,732)/1000= 0,38A. Przy tej wartości 380 mA istnieje śmiertelne ryzyko obrażeń.

Zwracamy również uwagę, że w sieci trójfazowej o napięciu przemiennym położenie przewodu neutralnego (można go odizolować od masy lub odwrotnie połączyć zwarcie) ma bardzo mały wpływ na wartość prądu Ih . Jego główny udział nie przechodzi przez obwód uziemienia, ale między potencjałami fazowymi.

Jeśli dana osoba zastosowała sprzęt ochronny, który zapewnia jej niezawodną izolację od konturu ziemi, to w takiej sytuacji będą one bezużyteczne i nie pomogą.

Charakterystyka kranu jednofazowego

Sieć trójfazowa z solidnie uziemionym punktem neutralnym

Ofiara dotyka jednego z przewodów fazowych i wpada pod różnicę potencjałów między nim a obwodem uziemiającym. Takie przypadki zdarzają się najczęściej.

Chociaż napięcie faza-ziemia jest 1,732 razy mniejsze niż napięcie sieciowe, taki przypadek pozostaje niebezpieczny. Stan ofiary może się pogorszyć:

• tryb neutralny i jakość jego połączenia;

• rezystancja elektryczna warstwy dielektrycznej przewodników względem potencjału ziemi;

• rodzaj butów i ich właściwości dielektryczne;

• odporność gleby w miejscu ofiary;

• inne powiązane czynniki.

Wartość prądu Ih w tym przypadku można wyznaczyć ze stosunku:

Ih = Uph / (Rh + Rb + Rp + R0).

Przypomnijmy, że opory ciała ludzkiego Rh, butów Rb, podłogi Rp i gruntu w punkcie zerowym R0 są wyrażone w omach.

Im mniejszy mianownik, tym silniejszy prąd. Jeśli np. pracownik nosi buty przewodzące prąd, jego stopy są mokre lub stopy są przybite metalowymi gwoździami, a także znajduje się na metalowej podłodze lub mokrej ziemi, to możemy przyjąć, że Rb = Rp = 0. Gwarantuje to, że najgorszy przypadek dla życia ofiary.

Ih = Uph / (Rh + R0).

Przy napięciu fazowym 220 woltów otrzymujemy Ih = 220/1000 = 0,22 A. Lub śmiertelny prąd 220 mA.

Teraz obliczmy opcję, gdy pracownik używa sprzętu ochronnego: butów dielektrycznych (Rp = 45 kOhm) i podstawy izolacyjnej (Rp = 100 kOhm).

Ih = 220/(1000+ 45000 + 10000) = 0,0015 A.

Uzyskał bezpieczną wartość prądu 1,5 mA.

Sieć trójfazowa z izolowanym przewodem neutralnym

Nie ma bezpośredniego połączenia galwanicznego przewodu neutralnego źródła prądu z potencjałem ziemi. Napięcie fazowe jest przykładane do rezystancji warstwy izolacyjnej Rot, która ma bardzo dużą wartość, która jest kontrolowana podczas pracy i jest stale utrzymywana w dobrym stanie.

Od tej wartości zależy łańcuch przepływu prądu przez organizm człowieka w każdej z faz.Jeśli weźmiemy pod uwagę wszystkie warstwy rezystancji prądu, to jej wartość można obliczyć ze wzoru: Ih = Uph / (Rh + Rb + Rp + (Riz / 3)).

W najgorszym przypadku, gdy zostaną stworzone warunki dla maksymalnej przewodności przez buty i podłogę, wyrażenie przyjmie postać: Ih = Uph / (Rh + (Rf / 3)).

Jeśli weźmiemy pod uwagę sieć 220 V z izolacją warstwową 90 kΩ, otrzymamy: Ih = 220 / (1000+ (90000/3)) = 0,007 A. Taki prąd 7 mA będzie się dobrze czuł, ale nie może powodować śmiertelna kontuzja.

Zwróć uwagę, że w tym przykładzie celowo pominęliśmy odporność na glebę i obuwie. Jeśli je uwzględnimy, prąd spadnie do bezpiecznej wartości rzędu 0,0012 A lub 1,2 mA.

Wnioski:

1. W systemach z izolowanym trybem neutralnym łatwiej jest zapewnić bezpieczeństwo pracownikom. Zależy to bezpośrednio od jakości warstwy dielektrycznej drutów;

2. W tych samych okolicznościach, dotykając potencjału jednej fazy, obwód z uziemionym punktem neutralnym jest bardziej niebezpieczny niż izolowany.

Tryb awaryjny styku jednofazowego w sieci trójfazowej z uziemionym punktem neutralnym

Rozważmy przypadek dotknięcia metalowej obudowy urządzenia elektrycznego, w którym następuje przerwanie izolacji warstwy dielektrycznej na potencjale fazowym. Kiedy osoba dotknie tego ciała, prąd przepłynie przez jej ciało do ziemi, a następnie przez przewód neutralny do źródła napięcia.

Równoważny obwód pokazano na poniższym rysunku. Rezystancja Rn jest własnością obciążenia wytwarzanego przez urządzenie.

Rezystancja izolacji Rot razem z R0 i Rh ogranicza prąd kontaktowy między fazami. Wyraża się to stosunkiem: Ih = Uph / (Rh + Rot + Ro).

W tym przypadku z reguły już na etapie projektowania, dobierając materiały dla przypadku, gdy R0 = 0, stara się spełnić warunek: Rf>(Uph /Ihg)- Rh.

Wartość Ihg nazywana jest progiem niedostrzegalnego prądu, którego wartości dana osoba nie odczuje.

Wnioskujemy: rezystancja warstwy dielektrycznej wszystkich części znajdujących się pod napięciem do konturu gruntu decyduje o stopniu bezpieczeństwa instalacji elektrycznej.

Z tego powodu wszystkie takie rezystancje są znormalizowane i podane w zatwierdzonych tabelach. W tym samym celu nie normalizuje się samych rezystancji izolacji, ale przepływających przez nie prądów upływowych podczas testów.

Napięcie krokowe

W instalacjach elektrycznych z różnych powodów może dojść do wypadku, gdy potencjał fazowy bezpośrednio zetknie się z pętlą masy. Jeżeli na napowietrznej linii elektroenergetycznej jeden z przewodów ulegnie zerwaniu pod wpływem różnego rodzaju obciążeń mechanicznych, to w tym przypadku zachodzi podobna sytuacja.

W tym przypadku w miejscu styku przewodnika z ziemią generowany jest prąd, który tworzy strefę dyfuzyjną wokół punktu styku - obszar, na powierzchni którego pojawia się potencjał elektryczny. Jego wartość zależy od prądu zamykania Ic oraz specyficznych warunków gruntowych r.

Osoba, która mieści się w granicach tej strefy, podlega wpływowi napięcia stopy Ush, jak pokazano na lewej połowie rysunku. Obszar strefy dyfuzji jest ograniczony konturem, w którym nie ma potencjału.

Wartość napięcia krokowego oblicza się ze wzoru: Ush = Uz ∙ β1 ∙ β2.

Uwzględnia napięcie fazowe w punkcie dystrybucji prądu — Uz, które jest określone przez współczynniki charakterystyki rozkładu napięcia β1 oraz wpływ rezystancji butów i nóg β2. Wartości β1 i β2 są publikowane w podręcznikach.

Wartość prądu przepływającego przez ciało ofiary oblicza się ze wzoru: Ih =(U3 ∙ β1 ∙ β2)/Rh.

Po prawej stronie rysunku, w pozycji 2, ofiara styka się z potencjałem uziemienia przewodnika. Wpływa na to różnica potencjałów między punktem styku dłoni a konturem podłoża, która wyraża się napięciem dotykowym Upr.

W tej sytuacji prąd jest obliczany za pomocą wyrażenia: Ih = (Uph.z. ∙α)/Rh

Wartości współczynnika dyspersji α mogą zmieniać się w granicach 0 ÷ 1 i uwzględniają cechy, które wpływają na Upr.

W rozpatrywanej sytuacji obowiązują te same wnioski, co w przypadku kontaktu jednofazowego z poszkodowanym podczas normalnej pracy instalacji elektrycznej.

Jeśli dana osoba znajduje się poza obecną strefą rozproszenia, znajduje się w strefie bezpiecznej.