Исследование эффективности защиты человека от шагового напряжения и защитного отключения электроустановок

Человек, идущий по земле в зоне растекания тока, окажется под напряжением шага U_Ш, величина которого определяется как разность потенциалов между точками А и В, где находятся его ноги (рис.1). В общем виде

,                                         (1)

где j₃ - потенциал места стекания (заземлителя), зависящий от значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов, составляющих заземлитель; удельного сопротивления грунта и т.д.; b₁ - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой

 .                                       (2)

Ток, проходящий через тело человека, когда он находится под U_Ш, определяется формулой:

                                          ,                                          (3)

где R_ЧЕЛ - сопротивление тела человека, Ом;  R_Ш - сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее от удельного сопротивления поверхности грунта r_П, площади ступни ног и длины шага, Ом ( R_Ш » 6 r_П , при этом пренебрегаем сопротивле­нием обуви).

При больших значениях U_Ш через человека проходит ток, вызыва­ющий судороги в мышцах ног. В результате человек падает на землю. Так как рост человека всегда больше длины его шага, то замыкаются точки грунта с большей разностью потенциалов, а электрический ток протекает через мышцы грудной клетки и сердце.

С целью уменьшения U_Ш прибегают к выполаживанию кривой рас­пределения потенциала в земле. Это достигается с помощью устройс­тва сложных заземлителей в виде замкнутого контура, охватывающего всю территорию защищаемого объекта (рис.2). В итоге поля растека­ния отдельных заземлителей накладываются и любая точка поверхнос­ти грунта внутри контура имеет величину потенциала, мало отличаю­щуюся от соседних точек. Следовательно, опасность поражения чело­века уменьшается. Для снижения  U_Ш за пределами контура вдоль проездов и проходов в грунт закладывают специальные металлические шины. Все это обеспечивает защиту обслуживающего персонала от пора­жения током в ЭУ, если сопротивление заземляющего устройства со­ответствует требованиям ПУЭ.

Защитное отключение (ЗО) - это быстродействующая защита, обес­печивающая автоматическое отключение ЭУ при возникновении в ней опасности поражения электротоком (ГОСТ 12.1.009-76). Полное время отключения с момента возникновения опасности должно быть не более 0,2 с (современные устройства защитного отключения - УЗО - обес­печивают время отключения 0,05...0,2 с). Классификация и общие требования к УЗО изложены в ГОСТ 12.4.155-85 «ССБТ. Устройства защитного отключения. Классификация. Общие технические требования».

Опасность поражения человека может возникнуть при замыкании фазы на корпус ЭУ или землю (полном или неполном), снижении соп­ротивления изоляции сети ниже определенного предела, неисправнос­тях защитного заземления, зануления и, наконец, в случае прикос­новения человека непосредственно к токоведущей части, находящей­ся под  U. При этом, если I_ЧЕЛ или  U_ПР превысит допустимые значения, установленные ГОСТ 12.1.038-82*, то возникает реальная угроза поражения человека током. Мерой защиты в этом случае явля­ется лишь быстрый разрыв цепи тока через человека, т.е. отключение аварийного участка сети. Эту задачу выполняет УЗО, которые состоят из прибора 30 и исполнительного органа.

Прибор ЗО - это совокупность отдельных элементов, которые вос­принимает входную  величину, реагируют на ее изменения и при за­данном ее значении дают сигнал на отключение выключателя. Входной величиной может быть: потенциал корпуса ЭУ  j_К, ток замыкания на землю I₃, напряжение или ток нулевой последовательности (ННП или ТНП), напряжение фазы относительно земли U₀ , оперативный ток и т.д. Минимальное значение входного сигнала, вызывающего сраба­тывание УЗО и последующее автоматическое отключение поврежденного участка электросети или ЭУ, называется уставкой УЗО.

Исполнительный орган - это автоматический выключатель, обеспе­чивающий отключение соответствующего участка электросети или ЭУ при поступлении сигнала от прибора ЗО.

УЗО могут применяться в сетях любого U и с любым режимом не­йтрали. Наибольшее распространение они получили в сетях до 1000 В, особенно когда по каким-либо причинам трудно выполнить эффективное защитное заземление или зануление, а также когда высока вероят­ность случайного прикосновения к

Рис.1. Шаговое напряжение при одиночном заземлителе

Рис. 2. Шаговое напряжение при сложном заземляющем контуре:

1-кривая распределения потенциала в грунте; 2-то же, но с шинами.

токоведущим частям. Такие условия возможны в передвижных ЭУ, во взрывоопасных и сырых помещениях, в районах с плохо проводящими грунтами и т.д. В данной лабораторной работе студенты знакомятся с тремя УЗО, как наиболее распростране­нными.