Таким образом, ток, проходящий через человека, определяется только величиной сопротивления человека и напряжением сети.

Как показывает анализ случаев электротравматизма, двухфазное включение человека встречается достаточно редко.

Однофазное (однополюсное) включение в сети с изолированной нейтралью.

На рис. 4.2. показана схема включения человека в однофазную сеть с изо-

лированной нейтралью.

Рис. 4.2. Схема включения человека в однофазную сеть с изолированной

нейтралью (а) и эквивалентная схема замещения (б)

Из эквивалентной схемы замещения следует, что при равных сопротивлениях изоляции r1 = r2 = R ток, проходящий через тело человека, будет равен:

(4.4.)

Из зависимости (2.20) следует, что ток, проходящий через человека, определяется не только сопротивлением человека R _ч, но и сопротивлением изоляции R. Так как сопротивление изоляции в качественно выполненных электрических сетях приближается к значениям R = 0,5-1,0 МОм, однофазное прикосновение можно считать безопасным. Например, при U _раб = 220 В, R _ч = 1000 Ом, и R = 0,5-10 ⁶ Ом:

mА,

(4.5.)

что является меньше ощутимого значения тока 0,6 мА.

Угроза поражения электрическим током при таком включении возникает при снижении сопротивления изоляции ниже 20 кОм.

Большее распространение в эксплуатации получили однофазные схемы, в которых один из полюсов источника питания соединен с землей через малое сопротивление (рис. 4.2.).

Учитывая, что r ₂ << R _ч и r ₂ << r ₁, представим выражение, определяющее величину тока, проходящего через человека, следующим образом:

(4.6.)

Из выражения (4.6) очевидно, что факторами, определяющими величину тока, проходящего через человека, являются величина его сопротивления и рабочее напряжение сети.

Рис. 4.3. Схема включения человека в однофазную сеть

с заземленным полюсом (а) и эквивалентная схема замещения (б)

Трехфазные сети переменного тока могут быть выполнены по схеме с изолированной нейтралью (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема однофазного включения человека в трехфазную сеть

с изолированной нейтралью

На схеме R ₁, R ₂, R ₃ - сопротивление изоляции; С ₁, С ₂, С ₃ - емкости фаз сети относительно земли.

Это включение образует замкнутую электрическую цепь: обмотка трансформатора первой фазы – провод 1 – человек – земля – активное сопротивление и емкость второй и третьей фаз – провод 2,3 – обмотки трансформатора второй и третьей фаз.

При равенстве изоляции фаз R ₁ = R ₂ = R ₃ = R и емкостей С ₁ = С ₂ = С ₃ = С могут возникнуть два различных по опасности случая поражения электрическим током.

Первый – когда сеть имеет малую протяженность и разветвленность электрических проводов. В этом случае емкость фаз относительно земли можно считать равной нулю, и тогда значение тока, проходящего через человека при однофазном включении, будет определяться зависимостью:

(4.7.)

Из выражения (4.7.) следует, что при U _ф= 380 В, R _ч = 1000 Ом, R = 0,5 МОм ток I _ч, проходящий через человека, будет равен 2,2 мА. Такой ток ощущается человеком, но не является опасным.

Из зависимости (4.7.) следует так же, что в этом случае основным фактором, ограничивающим величину тока, проходящего через человека, является сопротивление изоляции. Опасность поражения электрическим током при напряжении U _ф= 380 В возникает при снижении сопротивления изоляции ниже 0,15 МОм, при этом величина тока составит 7,45 мА.

Второй случай – когда электрическая сеть обладает большой емкостью, т.е. когда емкостное сопротивление Х с значительно меньше активного сопротивления изоляции R, что имеет место в протяженных кабельных линиях. Ток, протекающий через тело человека при трехфазном включении, можно определить по выражению:

. (4.8.)

При U _ф = 220 В, R _ч = 1000 Ом, f = 50 Гц и С = 0,5 мкФ ток I _ч, = 110 мА, т.е. достигает значений, вызывающих фибрилляцию сердца. Таким образом, из зависимости (4.8.) следует, что сопротивление изоляции практически не защищает человека от поражения электрическим током.

Трехфазные сети с глухозаземленной 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.

Из рис. 4.4. следует, что при таком включении человека в электрическую сеть замкнутая цепь образуется при прохождении тока по фазе 1 – человек – земля – сопротивление R _o - обмотка трансформатора фазы 1. Ток, протекающий через человека в данной цепи, будет определяться зависимостью:

I_ч = (4.9.)

и опасность поражения электрическим током будет всецело определяться напряжением питающей сети U _ф и сопротивлением человеческого тела R _ч.

В реальных условиях при включении человека по схемам рис.4.5 и 4.6 последовательно сопротивлению R _ч включается сопротивление обуви R _об, сопротивление пола R _п, сопротивление растекания тока с ног человека на землю R _н.

Рис. 4.5.. Схема однофазного включения человека в трехфазную сеть

с глухозаземленной нейтралью

Следовательно, обувь и пол могут существенно повлиять на исход поражения электрическом током. Например, при R _об = R _п= R _н = 25 кОм ток, проходящий через тело человека, составит:

мА, (4.10.)

что может вызвать только явление ощущения тока.

Однако на защитные свойства обуви и пола рассчитывать при ведении аварийно-спасательных работ просто не приходится, так как там имеется большое количество машин, механизмов, железобетонных конструкций, непосредственно связанных с землей. В этих случаях путь тока не проходит через обувь или пол помещения, и тогда, как было рассмотрено выше, единственным элементом, ограничивающим ток, проходящий через человека, будет его сопротивление. То есть при R _об = R _п = R _н = 0:

. (4.11.)

При однофазном включении человека в однофазные и трехфазные сети с заземленной нейтралью величина тока, проходящего через человека, также представляет смертельную опасность. Однако в ряде случаев – при наличии обуви с хорошей изоляцией и сухого деревянного пола – опасность поражения электрическим током может быть существенно снижена.

Однофазное включение в сеть с изолированной нейтралью представляет наименьшую опасность по фактору поражения электрическим током при соответствующем контроле за сопротивлением изоляции. Однако это преимущество снижается при росте емкости сети.

Что касается взрыво- и пожароопасности, то сети с изолированной нейтралью менее опасны по этому фактору, поскольку при пробое изоляции или замыкании фазы на землю в них проходят значительно меньшие токи.

Опасность поражения человека при растекании тока в земле. 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.

Изменение потенциала φ вдоль линий тока на поверхности земли подчиняется закону:

, (4.12.)

где r – линейное сопротивление грунта, Ом·м, х – расстояние вдоль линии тока, м.

График формулы (4.12.) представляет собой гиперболу, в соответствии с которой определяется распределение потенциалов по поверхности земли (рис. 4.6.). Такое распределение объясняется тем, что сечение земли, через которое проходит ток, возрастает во второй степени от длины радиуса полусферы.

Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли вблизи заземлителя, поскольку ток здесь проходит по сечению малого размера. С увеличением расстояния по линии тока сечение возрастает, и сопротивление растеканию тока резко падает. Этим и объясняется, что наибольшее изменение потенциала j _max происходит в близи заземлителя. Точки почвы, удаленные от заземлителя более чем на 20 м, практически имеют нулевой потенциал (рис. 4.6.).

Рис. 4.6. Распределение потенциалов при замыкании тока на землю

Напряжение между полусферой и землей U _зпри x = r составляет:

, (4.13.)

откуда:

. (4.14.)

Величина R ₃ называется сопротивлением растеканию тока в землю. Напряжение прикосновения U _np в свою очередь будет определяться разностью потенциалов между точкой входа тока в землю и какой-либо точкой в поле растекания тока:

. (4.15.)

Из зависимости (4.15.) и рис. 4.6. следует, что наибольшая величина напряжения прикосновения U _пр будет при х = ¥.

Таким образом, прикасаясь к электрооборудованию, находящемуся в аварийном состоянии и имеющему выносную связь с землей, человек может быть поражен напряжением прикосновения.

При нормальном режиме работы электроустановки допустимо значение U _пр = 2 В, а ток, проходящий через человека, I _ч ≤ 0,3 мА. В аварийном режиме, т.е. при пробое изоляции, допустимо значение напряжения прикосновения U _пр = 36 В, и тока, проходящего через человека, I _ч = 6 мА (при действии более 1 с). Для электробытовых установок эти параметры не должны превышать соответственно 12 В и I _ч = 2 мА.

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. 4.6.). Если одна нога человека касается земли на расстоянии х от точки контакта провода с землей, а другая находится на расстоянии х + а, то шаговое напряжение будет равно:

. (4.16.)

Наибольшая опасность возникает, если одной ногой человек касается провода, а другая в это время стоит на земле. В этом случае напряжение шага будет иметь максимальное значение:

. (4.17.))

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

Опасность шагового напряжения может быть представлена следующим примером. Пусть радиус заземлителя r = 1м, удельное сопротивление грунта ρ = 100 Ом×м, ток короткого замыкания I ₃ = 100 А, расстояние шага человека а = 0,8 м.

В соответствии с (4.14.) сопротивление растеканию тока на землю будет:

Ом. . (4.18.)

Напряжение относительно земли по зависимости (4.14) составит:

U ₃ = I ₃· R ₃ = 100×15,9 = 1590 В.. (4.19.)

Тогда наибольшее значение напряжения шага в соответствии с (4.19) составит:

В.. (4.20.)