Технические способы и средства защиты от поражения электрическим током

Защитить людей от поражения электрическим током можно при условии знания и соблюдения ими правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок. К техническим способам и средствам защиты от поражения электрическим током относятся:

• — электрическая изоляция токоведущих частей;
• — защитное заземление, зануление;
• — защитное отключение;
• — ограждение неизолированных токоведущих частей и расположение их на недоступной высоте;
• — малое напряжение;
• — блокировочные устройства;
• — электрическое разделение сетей;
• — увеличение сопротивления изоляции токоведущих частей;
• — применение устройств защитного отключения и средств коллективной защиты, а также изолирующих средств защиты.

Защитному заземлению или занулению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, обеспечивающих электробезопасность.

Надежная электрическая изоляция различных токоведущих проводов является основой обеспечения электробезопасности. Теоретически надежная и качественная электрическая изоляция может обеспечить стопроцентную электробезопасность для защищенных частей и сетей, находящихся под напряжением. Однако на практике электрическая изоляция может быть разрушена от механических повреждений, действия механически активной среды, повышенной температуры, неправильной эксплуатации электроустановок. При этом может появиться напряжение на корпусе машин и оборудования, которые обычно не находятся под напряжением. Различают рабочую, дополнительную, двойную и усиленную изоляцию. Рабочей является электрическая изоляция токоведущих частей электроустановки, обеспечивающая ее нормальную работу в заданных условиях эксплуатации. Дополнительной называют изоляцию, предусмотренную дополнительно к рабочей для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения рабочей изоляции. Двойная изоляция представляет собой электрическую изоляцию, состоящую из рабочей и дополнительной изоляций. Усиленная изоляция представляет собой улучшенную рабочую изоляцию, обеспечивающую такую степень защиты от поражения током, как и двойная изоляция.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение металлических частей электроустановок с землей или ее эквивалентом и обеспечивает защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения электрической изоляции. Принципиальная схема защитного заземления изображена на рисунке 2. При пробое изоляции токоведущих частей корпус, изолированный от земли, оказывается под фазовым напряжением. Такую же величину составляет и напряжение прикосновения. Потенциал рук соответствует потенциалу корпуса, а потенциал ног или земли будет равен нулю. Ток, проходящий через тело человека, будет равен:

I = U/ (R + r), А;

где R — внешнее сопротивление тока, протекающего тело человека;

r — внутреннее сопротивление тела человека.

Рисунок 2 — Принципиальная схема защитного заземления.

а — в сети с изолированной нейтралью; б — в сети с заземленной нейтралью;1 — заземляемое оборудование; 2 — заземлитель защитного заземления; 3 — заземлитель рабочего заземления; R_з — сопротивление защитного заземления; R_о — сопротивление рабочего заземления.

При наличии заземления, вследствие отекания тока на землю, потенциал ног при касании работающим корпуса не равен нулю. Следовательно, напряжение прикосновения и ток, проходящий через человека, оказывается меньше, чем в незаземленной установке. Для того, чтобы падение напряжения на заземлении было минимальным, величину у его сопротивления ограничивают. Она должна быть в установке с напряжением 380/220 В не более 4 Ом, а в установках с напряжением 220/127 В — не более 8 Ом. Если мощность источника питания не превышает 100кВ•А, сопротивление заземления может быть в пределах 10 Ом. В качестве заземляющих устройств электроустановок прежде всего должны быть использованы естественные заземлители. Возможно использование железобетонных фундаментов промышленных зданий и сооружений. При отсутствии естественных заземлителей допускается применение переносных заземлителей, ввинчиваемых в землю. Возможно устройство искусственных заземлителей в виде очагов из трех стержней, расположенных по прямой линии или по треугольнику. В качестве стержней можно использовать нестационарные стальные трубы диаметром от 50 до 75 мм, угловую сталь с размерами полос 50•50 мм и 60•60 мм, стальные стержни диаметром от 10 до 20 мм и длиной 3 м. Стержни, к которым привариваются соединительные проводники, после заглубления в землю должны иметь концы длиной от 100 до 200 мм над поверхностью земли. Категорически запрещается использовать в качестве заземлителей трубопроводы с горючими жидкостями и газами. Техническое освидетельствование защитного заземления проводится после каждого ремонта оборудования, но не реже одного раза в год и сводится проверке наличия электрической цепи между заземляющим устройством и электроустановкой и наличия сопротивления заземления. Как правило, оно проводится в холодный период года, когда электропроводность грунта минимальна. При этом используют специальные измерители защитного заземления.

Неизолированные токоведущие части, провода, закрепленные на изоляторах, располагают на определенной высоте, где они недоступны для случайного прикосновения, или их закрывают крышками, кожухами. Если ограждения изготавливают из диэлектриков или металла, то их располагают на определенном расстоянии от неизолированных токоведущих частей, величина которого зависит от напряжения установки.

Для уменьшения опасности поражения электрическим током применяют малое напряжение, 12 и 42 В. В особо неблагоприятных условиях, колодцах, траншеях, подвалах, сырых помещениях, для питания переносных электросветильников используют напряжение 12 В. В помещениях с повышенной опасностью поражения электрическим током, в аккумуляторных, котельных и других помещениях с повышенной влажностью и токопроводящими полами необходимо применять ручной электрифицированный инструмент, переносные лампы, работающие при напряжении 42 В. Для получения малого напряжения используют специальные понижающие трансформаторы. При этом один конец вторичной обмотки трансформатора и его корпус следует заземлять на случай пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками.

Неоценимую роль в защите работников от электротравматизма играют блокировочные устройства, которые не допускают ошибок персонала при работе на электроустановках. Как правило, блокировки представляют собой устройства, которые допускают только определенный порядок включения механизма, исключая тем самым попадание человека в зону, где возможно прикосновение к токоведущим частям.

Электрическое разделение сетей осуществляется с помощью специальных разделительных трансформаторов. Сеть делят на отдельные короткие участки, от 2 до 6 м, с помощью трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1. Этим достигается общий высокий уровень изоляции проводов за разделительным трансформатором независимо от активного сопротивления изоляции. При пробое изоляции в токоприемнике и прикосновении человека к корпусу через него пройдет ток, который будет мал и не вызовет никаких ощущений.

Защитное отключение представляет собой систему быстродействующей защиты, автоматически отключающую электроустановку при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током. Защитное отключение применяется в тех случаях, когда невозможно или трудно осуществить защитное заземление или зануление, либо когда высока вероятность прикосновения людей к неизолированным токоведущим частям электроустановки. Поэтому защитное отключение целесообразно в ручном электроинструменте, в передвижных электроустановках. Опасность поражения электрическим током возникает при замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела, при прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением. В этих случаях происходит изменение электрических параметров сети, в частности, напряжения корпуса электроустановки относительно земли. Изменение любого из указанных параметров до определенной величины, при которой может возникнуть опасность поражения электрическим током, служит импульсом для срабатывания системы автоматического отключения. Основными частями защитного отключения является прибор защитного отключения и автоматический выключатель. Прибор защитного отключения реагирует на изменение каких-либо параметров электрической сети и подает сигнал на отключение автоматического выключателя. Прибор состоит из датчика, воспринимающего изменения каких-либо параметров электрической сети, усилителя, предназначенного для усиления сигнала от датчика, сети контроля, служащей для периодической проверки исправности системы защитного отключения, вспомогательных элементов, сигнальных и измерительных приборов. Автоматический выключатель служит для отключения электрической сети при коротких замыканиях и других изменениях электрической цепи. Автоматический выключатель отключает сеть при поступлении сигнала от прибора защитного отключения.

Изолирующие средства защиты предназначены для изоляции человека от частей электроустановок, находящихся под напряжением. Основными изолирующими средствами для обслуживания электроустановок напряжением до 1000 В служат изолирующие штанги, изолирующие и измерительные клещи, указатели напряжения, диэлектрические перчатки, слесарно-монтажный инструмент с изолирующими ручками, изолирующие лестницы, площадки. Дополнительными изолирующими средствами являются диэлектрические калоши, коврики, изолирующие подставки.

Рассмотрим зануление более подробно, чем другие способы и средства обеспечения электробезопасности. Зануление представляет собой превращение замыкания на корпус электроустановки в однофазное короткое замыкание. В результате возникает большой ток короткого замыкания, который вызывает срабатывание токовой защиты и отключение поврежденного участка. Зануление состоит в преднамеренном соединении металлических контактов ведущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие пробоя изоляции, нулевым защитным проводником. При замыкании любой фазы корпуса образуется контур короткого замыкания, характеризуемый силой тока большой величины, достаточной для выбивания плавких предохранителей в фазных питающий проводах. Таким образом электроустановка обесточивается. На случай обрыва нулевого провода на участке, близком к нейтрали, предусматривается повторное заземление нулевого проводника. По этому заземлению ток стекает на землю, откуда попадает в заземление нейтрали, по нему во все фазные провода, включая провод, имеющий пробитую изоляцию, далее на корпус. Образуется контур короткого замыкания. Принципиальная схема зануления изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Принципиальная схема зануления.

1 — корпус однофазного приемника тока; 2 — корпус трехфазного приемника тока; 3 — предохранители; 4 — заземлители; I_k — ток однофазного короткого замыкания; Ф — фазный провод; U_ф — фазное напряжение; НР — нулевой рабочий проводник;НЗ — нулевой защитный проводник; КЗ — короткое замыкание.

Занулением называется защитное мероприятие, применяемое только в сетях с заземленной нейтралью напряжением ниже 1000 В, предназначенное для защиты людей от напряжения, возникающего на металлических частях оборудования, нормально не находящихся, но могущих оказаться под напряжением при тех или иных повреждениях изоляции, и заключающееся в создании в поврежденной цепи значения тока, достаточного для надежной работы защиты[1]. Защитный эффект зануления состоит в уменьшении длительности замыкания на корпус и, следовательно, в снижении времени воздействия электрического тока на человека. При подключении корпусов электроустановок к нулевому проводу любое замыкание становится однофазным коротким. Ток короткого замыкания определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи:

I_к.з.= U_ф /(r_т /3 + r_ф.пр.+ r_н), А;

где r_т — сопротивление обмоток трансформатора, Ом;

r_ф.пр. — сопротивление фазного провода, Ом;

r_н — сопротивление нулевого провода, Ом.

При r_т /3+ r_ф.пр.= r_ф ток короткого замыкания будет равен.

I_к.з. = U_ф / (r_ф + r_н), А;

где r_ф — фазное сопротивление, Ом.

Если принять r_ф = r_н, то при замыкании на корпус напряжение на нем, равное падению напряжения на нулевом проводе, составит:

U_н = I_к.з. • r_н = U_ф • r_н / (2 r_н) = U_ф / 2 = U_к.

При фазном напряжении, равном 220 В напряжение на корпусе будет равным 110 В. По условиям безопасности появление такого напряжения на корпусе допустимо в течение не более полусекунды. За это время в ряде случаев автоматическое отключение установки не произойдет. Поэтому для повышения безопасности нулевой провод повторно заземляют. В этом случае при замыкании на корпус ток замыкания на землю составит:

I_к.з. = U_н / (R_о + R_п), А;

где R_о — сопротивление заземления нейтрали, Ом;

R_п — сопротивление повторного заземления, Ом.

В случае применения повторного заземления срабатывает цепь повторного заземления, включенная параллельно вышеописанной. При условии соблюдения принятых допущений падение напряжения на сопротивлении повторного заземления составит:

U_з = I_к.з. • R_п = U_к / 2 = U_ф / 4, В.

Сравнивая формулы U_к = U_ф /2 и U_з = U_ф /4 получим, что повторное заземление при замыкании на корпус снижает его потенциал, таким образом повышает его безопасность. При фазном напряжении, равном 220 В, напряжение на корпусе будет не 110 В, а 55 В. Такое напряжение допускает увеличение времени срабатывания защиты до одной секунды. Применение повторного заземления нулевого провода дает аналогичное снижение потенциала на корпусе оборудования и при обрыве нулевого провода. В сети с глухозаземленной нейтралью нельзя соединять части корпусов электроустановок с нулевым проводом с частями, заземленными на отдельные заземлители, потому что при замыкании на одном из корпусов электроустановок, подсоединенных к отдельному заземлителю, напряжение на нем достигает опасной величины. В этом случае корпуса электроустановок, неправильно подсоединенных к нулевому проводу, окажутся под опасным напряжением относительно земли. Зануление должно быстро, в течении двух десятых секунды, отключить поврежденную электроустановку от сети, в то же время обеспечить безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период. Контроль зануления производится после монтажа электроустановки, капитального ремонта, реконструкции и один раз в пять лет в процессе эксплуатации. Контроль включает в себя внешний осмотр цепи, измерение сопротивления петли фазы, нулевого провода, и измерения сопротивления рабочего и повторного заземлений. Не должно быть обрывов и неудовлетворительных контактов [2]. Некоторые требования, предъявляемые к занулению:

• а) проводимость нулевого провода должна быть не менее 50% проводимости фазного провода. На воздушных линиях через каждые 250 м, а также на концах линии и ответвлениях длиной более 200 м должны быть заземлители нулевого провода вне зависимости от материала опор. Сопротивление заземления каждого из этих повторных заземлителей должно быть не более 10 Ом, а в сетях, в которых сопротивление заземления нейтралей генераторов и трансформаторов принято равным 10 Ом, оно может составлять 30 Ом. Сопротивление заземляющего устройства из повторных заземлителей должно быть 10 Ом, основного — 4 Ом;
• б) ток короткого замыкания, возникающий в сети, должен превышать номинальный ток предохранителя;
• в) при защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только магнитный расцепитель, проводник должен быть выбран таким образом, чтобы в петле фаза-нуль был обеспечен ток короткого замыкания, равный току вставки мгновенного срабатывания, умноженному на коэффициент, учитывающий разброс значений, и на коэффициент запаса [1].