Безопасность жизнедеятельности (стр. 5 )

2.3.2.1. Электрическая энергия как опасный производственный фактор

Электрическая энергия W (Дж) численно равна произведению напряжения U (В) на ток I (А) и на время t (с).

(2.1)

Проходя через тело человека, электрический ток обусловливает преобразование электрической энергии в другие виды, и производит термическое, электролитическое, биологическое и механическое воздействие на организм.

По статистике более 50% электротравм составляют ожоги. Они трудно поддаются лечению, так как глубоко поражают ткани организма. Ожоги могут быть вызваны как прохождением тока через тело человека, так и воздействием электрической дуги, температура которой достигает 3000°С. При ожогах от воздействия электрической дуги возможна металлизация кожи частицами металла дуговой плазмы.

Наиболее опасным видом электротравмы является электрический удар –поражение организма, при котором наступает паралич мышц опорно-двигательного аппарата, мышц грудной клетки, дыхательных мышц и мышц желудочков сердца. При этом непреодолимые судорожные сокращения мышц не позволяют человеку самостоятельно без посторонней помощи освободиться от контакта с электроустановкой, нарушается снабжение организма кислородом, останавливается сердце. Через 5-6 мин после прекращения работы сердца и дыхания вследствие кислородного голодания погибают клетки центральной нервной системы, и наступает «клиническая (мнимая) смерть», поскольку клетки остальных органов тела еще живы. Если при этом человеку не будет оказана квалифицированная помощь, то через некоторое время произойдет прекращение жизнедеятельности головного мозга и остальных жизненно важных органов и наступит необратимая биологическая смерть.

Различают три степени воздействия тока на организм человека:

- ощутимый ток – вызывающий ощутимые раздражения;

- неотпускающий ток – вызывающий непреодолимые судорожные сокращения мышц;

- фибрилляционный ток – вызывающий фибрилляцию (трепетание) и затем остановку сердца.

Наименьшие значение этих токов называют пороговыми. Так, например, переменный ток промышленной частоты 50 Гц имеет пороговые значения:

-  ощутимый – 2 мА;

-  неотпускающий – 10-15 мА;

- фибрилляционный – 100 мА.

Ток более 5А вызывает паралич сердца, удушье и тяжелый ожог. Ток Iч, протекающий через тело человека, равен:

(2.2)

где Unp – напряжение прикосновения; Rч – сопротивление тела человека.

Напряжением прикосновения называется напряжение между точками тела человека, подключенными к электрической цепи, т. е. напряжение, под которым оказался человек.

Сопротивление тела зависит от многих факторов, но главным образом оно определяется сопротивлением кожи. Сухая здоровая кожа имеет сопротивление порядка 100 кОм. Сопротивление внутренних органов, тканей и сосудов значительно меньше (около 800 Ом). При пробое верхнего рогового слоя кожи сопротивление тела человека резко снижается. При расчетах принимают Rч = 1000 Ом.

Ток, проходящий через тело человека, прикоснувшегося к фазовому проводу 3-фазной электрической сети с изолированной нейтралью (рис. 2.1.1):

, (2,3)

где Uф – фазное напряжение; Rч – сопротивление тела человека; Rоб –сопротивление обуви; Rn – сопротивление пола; ZИ – расчетное сопротивление изоляции: ; Rи и Хи – соответственно расчетные активная и реактивная составляющие Zи.

Рис. 2.1.1. Прикосновение человека к фазовому проводу 3-фазной

электрической сети с изолированной нейтралью

Для случая 3-фазной электрической сети с глухозаземлённой нейтралью (рис. 2.1.2):

, (2.4)

где RЗ – сопротивление растеканию тока заземлителя нейтрали трансформатора.

Рис. 2.1.2. Прикосновение человека к корпусу электродвигателя при изоляции фазы С на корпус в 3-фазной электрической сети с глухозаземленной нейтралью

2.3.2.2. Защита от поражения электрическим током

В нормальных режимах изоляция электроустановок надежно защищает человека от поражения электрическим током и является основным видом защиты. При возникновении аварийных режимов в случае нарушения электрической прочности (при пробое) изоляции, а также при случайном прикосновении токоведущих частей к нетоковедущим корпуса электрических машин, трансформаторов, переносного электроинструмента и нормально изолированные от токоведущих частей предметы могут оказаться под опасным относительно земли напряжением. Для защиты человека от поражения электрическим током в аварийных режимах применяется дублирующая защита. В качестве дублирующей защиты обычно используется защитное заземление и зануление электроустановок. Под защитным заземлением понимается преднамеренное соединение металлических частей электрических установок с землей посредством заземляющих проводников и заземлителей (рис. 2.2.1). Принцип действия защитного заземления основан на снижении до допустимой величины на­пряжения прикосновения (или шагового напряжения). Это наиболее простой и весьма эффективный способ защиты человека от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью.

Для заземления электроустановок, которые питаются от одной сети, целесообразно проектировать общее заземляющее устройство. Если имеется несколько заземляющих устройств, то они должны быть элек-

трически соединены между собой.

6-10кВ

Рис. 2.2.1. Принципиальная схема защитного заземления

Заземлению подлежат все металлические и другие токопроводящие части электроустановок и оборудования, которые случайно в аварийном режиме могут оказаться под напряжением (ГОСТ 12.1.030 — 81, ССБТ):

-  при напряжении до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью, а в электроустановках напряжением выше 1 кВ – независимо от режима нейтрали;

-  при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока – во всех случаях;

-  при номинальном напряжении 36 В и выше в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных помещениях и в наружных электроустановках;

-  во взрывоопасных помещениях необходимо заземлять все электрооборудование независимо от напряжения.

При номинальных напряжениях менее 42 В переменного тока или 110 В постоянного тока заземления электроустановок не требуется. Не требуется также заземлять электроприемники с двойной изоляцией.

Для осуществления эффективной защиты величина сопротивления защитного заземления не должна превышать значений, при которых напряжение прикосновения или шаговое напряжение достигают опасных величин (табл. П. 2.1).

Для защитного заземления электроустановок, в первую очередь, должны быть использованы естественные заземлители. Если при этом сопротивление заземляющего устройства больше допустимого значения, то параллельно с естественными устраивают искусственные зазе-

млители.

В качестве естественных заземлителей рекомендуется использо-

вать: проложенные в земле металлические трубопроводы (за исключением трубопроводов горючих газов и взрывчатых смесей); обсадные трубы скважины; железобетонные фундаменты и другие железобетонные и металлические конструкции зданий и сооружений, контактирующие с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле (алюминиевые оболочки в качестве естественных заземлителей использовать не допускается); железнодорожные пути не электрифицированных и не оборудованных автоблокировкой железных дорог и другие рельсовые пути при наличии преднамеренных перемычек между рельсами.

2.3.2.3. Расчет защитного заземления

Расчет защитного заземления выполняют для определения основных параметров заземляющего устройства – количества, размеров и порядка размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шаговое напряжение во время замыкания фазы на заземленный корпус электроустановки не превышают допустимых значений. Обычно расчет делают по допустимому сопротивлению заземлителя растеканию тока. Для упрощения расчета допускают, что заземлитель размещен в однородном грунте (существуют методики расчета, учитыва­ющие многослойное строение земли, например, двухслойная модель).

Для расчета используют следующие исходные данные:

- характеристика установки (суммарная мощность, напряжение, режим нейтрали, тип, вид оборудования и т. п.);

-  план размещения оборудования электроустановки с указанием размеров;

-  данные о естественных заземлителях, которые могут быть использованы для устройства защитного заземления, в частности, измеренное сопротивление растеканию тока или сведения для его определения расчетным путем (конфигурация, материал, размеры, глубина заложения в грунт);

-  удельное электрическое сопротивление грунта, полученное непосредственным измерением величины сопротивления растеканию тока контрольного электрода на участке размещения заземлителя. Ориентировочные значения удельного электрического сопротивления некоторых грунтов и воды приведены в табл. П.2.2;

-  признаки климатической зоны, в пределах которой сооружается

заземлитель (табл. П.2.3);

-  профиль электродов и заземляющих проводников, предназначен-

ных для сооружения искусственного заземляющего устройства (вид, форма, размеры) и их материал;

-  расчетный ток I3 замыкания фазы на землю (для электроустановок напряжением выше 1000 В).

Для экспериментального определения удельного сопротивления грунта ρ используют метод пробного электрода и метод четырех электродов.

При определении ρ грунта методом пробного электрода измеряют его сопротивление растеканию тока R. Для этой цели металлическую трубу, например, длиной 200 см, диаметром 5 см, погружают в грунт на 80 см ниже поверхности земли.

Удельное сопротивление грунта на глубине забивки трубы подсчитывают по формуле:

, (2.5)

где l – длина трубы (200 см); Rx – сопротивление пробного электрода, полученное измерением, Ом; d – наружный диаметр трубы (5 см); h – расстояние от поверхности грунта до середины заземлисм).

Измерения производят в трех-четырех местах исследуемой площадки и находят среднее значение ρ.

По методу четырех электродов в грунт на расстоянии а друг от друга погружают четыре одинаковых электрода и подключают их к прибору, предназначенному для измерения сопротивлений заземления, например, типа М-416; удельное сопротивление грунта:

, (2.6)

где ρизм — измеренное сопротивление.

Удельное сопротивление грунта с учетом повышающего коэффициента отдельно для углубленного (вертикального) и протяженного (горизонталь-ного) электродов:

, (2.7)

где изм – измеренное удельное сопротивление грунта, подсчитанное по формуле (2.5); k— коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления грунта в течение года при высыхании или промерзании грунта, значения которого зависят от климатической зоны, коэффициент сезонности (табл. П. 2.4).

Для заземлителей, лежащих ниже глубины промерзания, а также

при измерениях сопротивления заземлителей, постоянно находящихся

в промерзшем грунте, введения коэффициентов сезонности не требуется.

Расчетный ток замыкания фазы на землю (А) в сетях с изолированной нейтралью без компенсации емкостных токов, т. е. с нейтралью, не присоединенной к заземляющему устройству,

(2.8)

где Uл – линейное напряжение сети, кВ; lк и lв – длины связанных электрически кабельных и воздушных линий, км.

Последовательность расчетов защитного заземления выглядит следующим образом.

1. Требуемое сопротивление растеканию тока заземлителя, который будет общим для электроустановок, определяем, исходя из характеристик электроустановок (табл. П.2.1).

2.  В том случае, когда сопротивление естественного заземлителя больше нормируемого, определяем необходимое сопротивление искусственных заземлителей RИ по формуле:

, (2.9)

где: RЕ – сопротивление естественного заземлителя;

RЗ – требуемое (допустимое) сопротивление растеканию тока зазе-млителя.

3. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта с учетом коэффициента сезонности по формуле 2.7 (используя табл. П.2.3 и П.2.4).

4.  Сопротивление одиночного вертикального заземлителя определяем по формуле согласно табл. П.2.5.

5.  Количество заземлителей находим по формуле:

, (2.10)

где nэ – коэффициент использования электрода – принимаем по табл. П.2.7.

6. Определяем длину соединительной полосы из выражения:

(2.11)

где: а – расстояние между заземлителями;

n – количество одиночных заземлителей.

7.  Сопротивление растеканию тока с полосы без учета коэффициента использования nэ находим из формулы табл. П.2.5. Далее согласно табл. П.2.6 определяем коэффициент использования по-

лосы nп.

8.  Находим сопротивление растеканию тока группового искус-

ственного заземлителя:

. (2.12)

9.  Проводим сравнительный анализ, который заключается в сопоставлении полученного значения сопротивления группового заземлителя Rгр и требуемого сопротивления искусственного заземлителя RИ.

Необходимое условие: (2.13)

Пример. Рассчитать и спроектировать заземляющее устройство трансформаторной подстанции с одним понизительным трансформатором 6/0,23 кВ мощностью Q = 500 кВА. Подстанция служит для питания цехового обору­дования и расположена в пристройке к цеху (размеры пристройки 6х8м). Трансформатор питается от сети 6 кВ с изолированной нейтралью. Со стороны низшего напряжения нейтраль также изолирована. Длина линий электропередач 6 кВ составляет l = 50 км, из них длина воздушных линий составляет 1В = 25 км, кабельных – 1k = 25 км. Удельное сопротивление грунта, измеренное при средней влажности с помощью стержневого электрода, составляет ρ/изм = 104 Омсм, а с помощью полосового – ρ//изм= 0,7104 Омсм. Местность относится к 1 климатической зоне. В качестве естественного заземлителя может быть использована металлическая эстакада, пристроенная к зданию цеха. Сопротивление растеканию тока с эстакады RE = 15 Ом. Сечение соединительной полосы 40х4 мм, глубина заложения h = 0,8 м. Для искусственных заземлителей имеются прутки диаметром d = 12 мм и длиной 1 = 5 м.

Решение. Для того, чтобы определить допустимое сопротивление защитного заземляющего устройства, рассчитаем ток замыкания фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью (формула 2.8):

I3 = 6 (3525 + 25)/350 = 15,4 А.

Учитывая то, что заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до 1000 В и свыше 1000 В, из табл. П. 2.1 находим допустимое сопротивление заземляющего устройства:

R3 = 125/15,4 = 8,2 Ом.

Однако, поскольку для электроустановок мощностью источника более 100 кВА (в нашем случае 500 кВА) допустимое сопротивление

R3 = 4 Ом, следует выбрать меньшее значение, т. е. 4 Ом.

Поскольку сопротивление естественного заземлителя (эстакады)

RE = 15 Ом – больше нормируемого, определяем необходимое сопро-

тивление искусственных заземлителей по формуле (2.9):

RИ = 154/(15 – 4) = 5,45Ом.

Определим среднее арифметическое измеренное сопротивление грунта: ρизм = (ρ'изм + ρ"изм)/2 = 0,85104 Омсм.

С учетом 1 климатической зоны и нормальной влажности грунта для вертикального электрода (прутка) длиной 5 м из табл. П.2.4 находим коэффициент сезонности k = 1,4, и соответственно:

Ρрасч = 0,851041,4 = 1,2104Омсм = 120 Омм.

Далее по формуле П.2.5.1 определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

Количество заземлителей находим по формуле (2.10), для чего необходимо определить порядок входа в табл. П.2.7. Исходя из размеров подстанции (6х8 м), отношение расстояния между заземлителями к их длине (5 м) следует взять равным 1. Тогда при пэ = 0,68 количество заземлителей n = 5.

Длина соединительной полосы определяется из формулы (2.11):

Ln= 1,0555 = 26,25 м.

Сопротивление растеканию тока с полосы находим по формуле П.2.5.2:

Из табл. П.2.6 определим коэффициент использования полосы. Для наших условий nп = 0,74. Соответственно сопротивление растеканию тока группового искусственного заземлителя определим из формулы (2.12):

Таким образом, для оборудования заземляющего устройства необходимо заложить 5 прутков имеющихся размеров, соединив их полосой длиной 26,25 м, что обеспечит безопасные условия работы на трансформаторной подстанции.

2.3.2.4. Приложения

Таблица Π.2.1

Допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств

в электроустановках

Допустимое сопротивление за-земляющего устройства R, Ом	Характеристика электроустановок
Электроустановки напряжением до 1000 В (нейтраль изолирована)
4	Для электроустановок мощностью источника более 100 кВА
10	Для электроустановок при мощности генераторов и трансформаторов до 100 кВА включительно
125/I3, но не более 10 (Iз - расчётный ток замыкания на землю, А)	Если заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до 1000 В и выше 1000 B
Электроустановки напряжением выше 1000 В
250/I3, но не более 10	Если заземляющее устройство используется в сети с изолированной нейтралью
0,5	Если заземляющее устройство используется в сети с эффективно заземлённой нейтралью

Таблица Π.2.2

Ориентировочные значения удельного электрического

сопротивления ρ некоторых грунтов и воды

Грунт	Удельное сопротивление ρ, Омм
При влажности грунта 10-20%	Возможные пределы колебаний
Чернозём	20	10-50
Глина	40	3-80
Песок	700	400-700
Суглинок	100	40-150
Торф	20	10-30
Супесь	300	150-400
Скальные породы	—
Щебень, гравий	—
Вода:
Морская	—	0,2-1
Пресная	—	10-100

Примечание: для практических расчётов необходимо использовать значения удельных сопротивлений грунтов, полученные натуральными измерениями на том участке, где будет установлен заземлитель (удельные сопротивления грунта могут отличаться от ориентировочных значений в десятки и сотни раз).

Таблица Π.2.3

Определение климатических зон

Характеристика климатической зо-ны (по многолетним наблюдениям)	Климатические зоны
I	II	III	IV
Средняя низшая температура, оС	От - 15 до -20	От -10 до -14	От 0 до-10	От 0 до +5
Средняя высшая температура, оС	От +16 до +18	От +18 до +22	От +22 до +24	От +24 до +26
Среднегодовое количество осадков, см	Около 40	Около 50	Около 50	От 30 до 50
Продолжительность замерзания вод (ледостава), дни	170-190	Около 150	Около 100	0

Таблица Π.2.4