Методика розв’язання задач на дію електричного струму на організм людини
Задача 3.1.Людина випадково доторкнувся до електричної колодки (колодка не закрита кришкою), через яку подається напруга на електричний двигун. Двигун живиться від трифазної мережі з глухозаземленою нейтраллю, робочий опір заземлення нейтрали 
= 4 Ом, лінійна напруга 
= 380 В, опір справної ізоляції дорівнює 
= 0,5 МОм, опір ізоляції погіршеної якості 
= 15 кОм. Прийняти опір шкіри поверхні тіла людини 
= 1100 Ом, опір шкіри у місці контакту 
= 300 Ом, опір внутрішніх тканин організму 
= 600 Ом, опір взуття 
= 200 Ом, опір підлоги на площі, рівній поверхні ступень ніг 
= 125 Ом.Визначити:
а) електричний опір шляху струму через тіло людини;
б) силу струму, що проходить через людину, при випадковому торканні оголеного фазного затискача:
· при замиканні людиною двох затискачів;
· при дотику до дроту зі справною ізоляцією;
· при дотику до дроту з погіршеною ізоляцією.
Розв’язання.
Маємо мережу з злухозаземленою середньою точкою вторинної обмотки силового трансформатора.Згідно із сучасними вимогами ПУЕ [40], опір заземлювального пристрою, до якого приєднана нейтраль джерела живлення, в будь-який час року має бути не більше 2, 4 і 8 Ом відповідно при лінійних напругах 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму. У нас лінійна напруга = 380 В, тому дійсно нормативне значення робочого заземлення нейтралі складає 
= 4 Ом (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Ілюстрація доторкання людини додроту ЛЕП і до електрообладнання трифазної мережі з глухозаземленою нейтраллю вторинної обмотки трансформатора
|
|
|
1.Знайдемо загальний опір шляху струму при протіканні струму по контуру рука-нога. Загальний опір 
по замкненому шляху струму при протіканні струму по контуру «елемент електрообладнання – рука – тіло – взуття – опорна поверхня ніг – робоче заземлення нейтралі траннсформатора – обмотка силового трансформатора – елемент електрообладнання» зображений на рис. 3.6.
Rh 
Рис. 3.6.Принципіальна схема складових опору змінного струму розтікання 
через
людину в землю
ДВèВеличини складових опорів ( 
, , , 
) змінюються в широких межах. Наприклад, опір внутрішніх тканин організму лежить в діапазоні 500 ¸ 1000 Ом. Опір підлоги, або опір опорної поверхні ніг залежить від матеріалу підлоги, вологості, наявності забруднень (опір бетонної підлоги 
на площі, рівній поверхні ступень ніг, становить сухого – 2 МОм, вологого – 200 Ом, покритого водою з лугом – 10 Ом). Опір шкіри 
змінюється від 300 Ом (волога шкіра) до десятків тисяч Ом (сухий стан шкіри). Опір взуття залежить від його виду (гумове, шкіряне, шкірозамінник), вологості та прикладеної напруги. Орієнтовно можна вважати, що опір сухого взуття 
лежить в межах від 100 до 500 Ом, вологого – від 0,5 до 1,5 Ом.ƒ
|
|
|
Опір тіла людини ми неможемо знайти за формулою (3.2):Zт »Rh= 2 Rш+ 
, тому що вона має область застосування прикладеної напруги до 50 В, а у нас 380 В. Будемо розглядати шкіру і внутрішні тканини тіла людини як модель, що складається з двох резисторів і , включених паралельно один одному. Тоді опір паралельної ланки 
визначається за відомою формулою:
Тоді загальний опір шляху струму через людину, враховуючи опір шкіри у місці контакту визначається як арифметична сума, в якій опором обмотки трансформатора можна нехтувати, зважаючи на її відносну малість, а також на умову задачі–«випадкове торкання оголеного фазного затискача»:
|
|
|
= 
+ 
+ + + 
= 300 + 388 + 200 + 125 + 4 = 1017 (Ом).
2.При випадковому доторканні оголеного фазного затиску людина потрапляє під фазнунапругу 
, тобто напругу між початком і кінцем однієї обмотки трансформатора (або між фазним проводом і нейтраллю). В умові задачі дана лінійна напруга 
, тобто напруга між фазними проводами мережі.Між цими напругами є співвідношення:
= 
(3.5)
При цьому за законом Ома для ділянки кола сила струму, що проходить через людину, дорівнює:
Струм такої величини безпечний, якщо проміжок часу його протікання через людину не більше 0,2 с (таку швидкість відключення може забезпечити автоматичний захист, тобто застосування пристроїв захисного відключення, ПЗВ). При тривалому впливі (більше 0,2 с) такий струм смертельний. Самостійне звільнення від впливу такого струму виключено.
3. При замиканні двох затискачів людина потрапляє під лінійну напругу і сила струму, що проходить через людину, складе:
Очевидно, що струм такої величини представляє собою смертельну небезпеку.
4. Випадок доторкання до проводу зі справною ізоляцією, а саме = 0,5 МОм спричиняє збільшення загального опору кола, тому сила струму:
|
|
|
За даними табл. 3.1, змінний струм не більше 0,4 мА (діюче значення І £ 0,4 мА) не відчувається.
5.Випадок доторкання до проводузі погіршеною ізоляцією, а саме = 15 кОм:
За даними табл. 3.1, змінний струм не більше 13,7 мА (діюче значення І £13,7мА) більше 6мА – граничне значення для проміжку часу Dt> 1 c. Змінний струм такої величини являє безумовну небезпеку, тим більше, що з плином часу опір людини зменшується і небезпека смертельного ураження зростає.
ДВèПримітка. Діюче значення змінного синусоїдального струму 
називається величина, яка дорівнює значенню такої сили постійного струму І, за якого виділялося б стільки енергії на певній ділянці, як і при змінному струмі.ƒ
Якщо 
–амплітудне значення змінного струму, то діючі, або ефективні значення сили струму і напруги визначаються за формулами:
(3.6)
Задача 3.2.Людина, опір тіла якої становить Rh =1400Ом, стоїть на діелектричному килимку, опір якого становить rкл = 180 кОм, і торкається одного лінійного (фазного) проводу мережі з глухозаземленою нейтраллю джерела живлення, напругою Uф= 380 В.Значення опору опору ізоляції електричних дротів rіз = 450 кОм. Знайти силу струму, який проходить через людину та оцінити його небезпечну дію.
Розв’язання.За законом Ома для замкнутого кола (при нехтуванні ємнісним і індуктивним опорами) маємо вираз струму через людину (human):
(8.7)
де 
–загальний опір робочого опору силового трансформатора 
і повторного заземлювача 
, що включені в коло паралельно, тому їх загальний опір дорівнює значенню:
Відносно мале значення опору 
порівняно з теоретичним опором людини Rh =1000 Ом дозволяє ним нехтувати (див. рис. 3.7).
Рис. 3.7.Доторкання людини до дроту (провіднику)електричної мережі
Таким чином, маємо:
.
Як бачимо з таблиці 3.2, отриманий струм є “пороговий відчутний струм”.
Таблиця 3.2
Якісні рівні дії змінного струму промислової частоти на людину, яка торкається рукою до електроду, що перебуває під напругою
| Якісні рівні | Сила струму, мА | Характерна дія струму |
| I | 0,3 | Невідчутний долонями рук струм і напруга (Uд = 2,0 В). |
| II | 0,6 ¸1,5 | Відчуття струму як свербіння шкіри (“пороговий відчутний струм”). |
| III | 1,5 ¸ 4 | Суттєве свербіння шкіри, злегка зводить м’язи. |
| IV | 4 ¸ 6 | Ледве відчутне скорочення м’язів, слабкі болі кисті та всієї руки до передпліччя. |
| V | 6 ¸ 10 | Відчутне скорочення м’язів, що супроводжується сильним болем всієї руки, включаючи передпліччя, руку важко, але ще можна відірвати від електроду (“відпускаючий струм”). |
| VI | 10 ¸ 15 | Ледве витривала біль всієї руки, руку неможливо відірвати від електроду (“пороговий невідпускаючий струм”). |
| VII | 15 ¸ 30 | Судомне скорочення м’язів при їх надто сильних болях, руки паралізуються майже миттєво, утруднення дихання, але без порушення ритму серцебиття. |
| VIII | 30 ¸ 50 | Дуже сильна біль в руках і в грудях. Дихання крайнє утруднено. Виникає порушення ритму серцебиття або дихання, або дихання і серцебиття. При тривалій дії струму може наступити параліч дихання, послаблення діяльності серця з втратою свідомості. |
| IX | 50 ¸ 90 | Дихання паралізується через декілька секунд. Порушується робота серця. При тривалому протіканню струму може наступити фібриляція роботи серця (невпорядкованість скорочень м’язів серця). |
| X | 100 | Шоковий стан (суперпозиція глибокого порушення роботи серця, дихальних функцій та обміну речовин) викликає через 2 – 3 с фібриляцію роботи серця, а ще через декілька секунд – параліч серця та клінічну смерть. При відсутності реанімаційних заходів через 5 – 7 хв наступає біологічна смерть (“пороговий фібриляційний струм”). |
| XI | 300 | Швидка клінічна смерть з ознаками серйозного пошкодження струмом організму, що зокрема проявляється в тромбозі кровоносних судин та осередковим крововиливам селезінки. |
| XII | Більше 5000 | Дихання паралізується через долі секунди. Фібриляція роботи серця, як правило, не наступає. Можлива тимчасова зупинка серця в період протікання струму (декілька секунд). Спостерігаються тяжкі опіки, руйнування тканин і органів. |
Завдання 3. Користуючись даними табл. 8.2 і 8.3 та рис. 8.7 визначити дію електричного струму на організм людини. Оцінити ступінь небезпеки отриманого значення сили струму.
Таблиця 3.3
Вихідні дані для завдання 8
| Варіант | Опір тіла людини, Rh, Ом | Опір килимка, rкл, Ом | Опір ізоляції дротів,rіз, Ом | Фазна напруга лінії, Uф,В |
| 1 | 800 | 240 000 | 300 000 | 220 |
| 2 | 1000 | 220 000 | 350 000 | 380 |
| 3 | 1200 | 200 000 | 400 000 | 220 |
| 4 | 1400 | 180 000 | 450 000 | 380 |
| 5 | 1600 | 160 000 | 500 000 | 220 |
| 6 | 1800 | 140 000 | 300 000 | 380 |
| 7 | 2000 | 120 000 | 350 000 | 220 |
| 8 | 800 | 100 000 | 400 000 | 380 |
| 9 | 1000 | 240 000 | 450 000 | 220 |
| 10 | 1200 | 220 000 | 500 000 | 380 |
| 11 | 1400 | 200 000 | 300 000 | 220 |
| 12 | 1600 | 180 000 | 350 000 | 380 |
| 13 | 1800 | 160 000 | 400 000 | 220 |
| 14 | 2000 | 140 000 | 450 000 | 380 |
| 15 | 800 | 120 000 | 500 000 | 220 |
| 16 | 800 | 100 000 | 300 000 | 380 |
| 17 | 1000 | 240 000 | 350 000 | 220 |
| 18 | 1200 | 220 000 | 400 000 | 380 |
| 19 | 1400 | 200 000 | 450 000 | 220 |
| 20 | 1600 | 180 000 | 500 000 | 380 |
| 21 | 1800 | 160 000 | 300 000 | 220 |
| 22 | 2000 | 140 000 | 350 000 | 380 |
| 23 | 800 | 120 000 | 400 000 | 220 |
| 24 | 1000 | 100 000 | 450 000 | 380 |
| 25 | 1200 | 240 000 | 500 000 | 220 |
| 26 | 800 | 240 000 | 300 000 | 220 |
| 27 | 1000 | 220 000 | 350 000 | 380 |
| 28 | 1200 | 200 000 | 400 000 | 220 |
| 29 | 1400 | 180 000 | 450 000 | 380 |
| 30 | 1600 | 160 000 | 500 000 | 220 |
ТЕМА 4. Розрахунок напруги дотику та напругикроку(2 год.)
КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Струм від частин електроустановки, які знаходяться під напругою, проходить в землю через електрод, який здійснює контакт із ґрунтом. Цей електрод називається заземлювачем. Характерним показником заземлювача є опір струму розтікання Rз–опір ґрунту струму замикання Iз×на землю в межах зони розтікання.
У свою чергу, зона розтікання струму замикання на землю–зона землі, за межами якої електричний потенціал, обумовлений струмами замикання на землю, може бути умовно прийнятий рівним нулю.
На рис. 4.1 (а) показана зона розтікання струму від падіння обірваного проводу на землю, причому тільки кінець проводу доторкається поверхні землі. Зважаючи на симетрію розтікання струму від точки розтікання струму, штрифовою лінію показані еквіпотенціальні лінії, або лінії рівного потенціалу (в будь-якій точці на вибраному колі потенціал незмінний, тобто j = const. Величина потенціалу зменшується при віддаленні від місця замикання струму на землю.
На рис. 4.1 (б) показана потенціальна крива при розтіканні струму в землю від заземлювача пошкодженої електроустановки (б). Напругана заземлювачі, або потенціал на заземлювачі відносно точки, яка знаходиться визначається згідно закону Ома для ділянки кола:
Uз = Iз×Rз= jmax (4.1)
.. 
x
а б
Рис. 4.1. Зона розтікання струму від кінця проводу ЛЕП (а) і потенціальна крива при розтіканніструму в землю від заземлювача пошкодженої електроустановки (б)
Як видно з рис. 4.1 (б), коли людина стоїть ногами безпосередньо на заземлювачі та доторкається до корпусу електрообладнання (x= 0), то напруга дотику дорівнює нулю (Uд = 0, jk = jx) – це безпечний випадок, хоча вона знаходиться під потенціалом заземлювача. Зі збільшенням відстані від заземлювача напруга дотику зростає і досягає максимального значення, рівного потенціалу заземлювача (Uд = jmax= Iз×Rз) приблизно на відстані 20 м.
Висновок: напруга дотику Uд збільшується в міру того, як збільшується відстань від заземлювача (місця замикання струму на ґрунт), і за межами зони розтікання струму дорівнює напрузі на корпусі обладнання відносно ґрунту, тобто Uд = Uк.
За законом Ома для дільниці кола струм через людину, обумовлений напругою дотику
Ih.д = Uд / Rh, (4.2)
де Rh– опір кола людини. Розглянемо випадок замикання фази на заземлений корпус електродвигуна (рис. 4.1).
Замикання на корпус – випадкове з’єднання частин електроустановки, які знаходяться під напругою, з її конструктивними частинами, які нормально не знаходяться під напругою.
Електричний струм стікає через заземлювач Rз в землю, виникає зона розтікання струму, яка підвищує потенціал точок ґрунту. Це підвищення графічно зображується кривою розподілу потенціалу на поверхні ґрунту, де максимум jз –потенціал заземлювача.
Чисельне значення напруги дотику рівна різниці потенціалів точки kкорпусу і точки x ґрунту, на якій знаходиться нога людини:
Uд = jk – jx = Uк ×a1×a2 , (4.3)
де:
Uк – напруга на корпусі обладнання відносно точки поверхні ґрунту, яка знаходиться поза зони розтікання струму замикання на ґрунт;
a1– коефіцієнт напруги дотику, який враховує форму потенційної кривої і залежить від типу заземлювача і відстані від людини до заземлювача.
a1= 1 – jk / jx£ 1, (4.4)
Значення a1 табульовані (є в спеціальних таблицях з електробезпеки). Дляx = 0, a1»0, а за межами зони розтікання струму замикання на ґрунт a1=1. Потенціал точок ґрунту jxвизначається за формулою потенційної кривоїj (x), яка залежить відтипу заземлювача та умов його заглиблення в землю. Очевидно, напруга дотику не більша напруги на заземлювачі, тобто
Uд£Uз, звідси
Uд = Uз×a1 .(4.5)
Другий коефіцієнт напруги дотику a2 враховує падіння напруги на опорі опорної поверхні ніг. Якщо ноги розташовуються на відстані кроку, то
a2 = 1 / (1 + 1,55 r / Rh*), (4.6)
а якщо ноги розташовуються поряд, то
a2 = 1 / (1 + 2,2 r / Rh*), (4.7)
де:
r – питомий опір ґрунту, Ом×м;
Rh*– неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).
У відповідністю з ПУЕ, струм замикання на землю створює зону розтікання, тобто частину землі (локальна земля), яка знаходиться в електричному контакті з заземлювачем і електричний потенціал якої не обов’язково рівний нулю. Термін “земля” використовується ПУЕ в сенсі як “земля в зоні розтікання”.
Стікання струму в землю через окремий заземлювач супроводжується виникненням на заземлювачі, в землі навколо заземлювача і на поверхні землі (ґрунті) в зоні розтікання струму електричних потенціалів відносно зони нульового потенціалу.
У свою чергу,зона нульового потенціалу – провідна частина землі (відносна земля), яка знаходиться за межами зони впливу будь-якого заземлюючого пристрою, електричний потенціал якої умовно прийнятий за нульовий.Напруга кроку обумовлена розтіканням струму замикання на землю.
Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 напруга кроку Uк – напруга між двома точками кола струму (x, x + a), які знаходяться одна від другої на відстані кроку (a), на яких одночасно стоїть людина .
Uк= jx– jx+a (4.8)
У свою чергу, ПУЕ трактує напругу кроку, як напругу між двома точками на поверхні локальної землі, які розташовані на відстані a = 1 м одна від одної, що відповідає довжині великого кроку людини :
Розглянемо окремий заземлювач у вигляді електроду (стрижня циліндричної форми), який забитий у землю. За допомогою дроту визначеного поперечного перерізу до заземлювача приєднано електрообладнання, яке знаходиться в аварійному стані (режимі). При цьому з електрообладнання в заземлювач стікає струм, який розтікається в землі. У результаті виникає зона розтікання струму та нерівномірне зростання потенціалів точок в землі та на поверхні ґрунту (верхньому шару землі): максимум потенціалу буде для точок над заземлювачем, а на відстані більше 20 м від заземлювача (поза зоною розтікання струму) починається зона нульового потенціалу (рис. 4.2). Нелінійність потенціальної кривої j (x) спричиняє до того, що при наближенні людини до заземлювача напруга кроку збільшується (рис. 4.2). Для зменшення небезпеки ураження струмом необхідно зменшити до мінімуму довжину кроку – “гусячий рух”. За межами зони розтікання струму (більше 20 м від місця замикання струму на землю) напруга кроку дорівнює нулю.
Належить відзначити, що умови ураження людини електричним струмом при наявності крокової напруги відрізняються від умов ураження людини напругою дотику. У першому випадку струм йде через груднину, де розташовані серце і легені, а в другому – через ноги. Значна напруга кроку викликає судому в ногах, людина падає, після чого коло струму замикається уздовж всього тіла людини, що, як правило, призводить до негативного наслідку.
Рис. 4.2. Ілюстрація напруги кроку
Чисельно напруга кроку рівна різниці потенціалів точок, на яких знаходяться ноги людини. При розташуванні однієї ноги людини на відстані x від заземлювача і ширині кроку аможна отримати емпіричну формулу напруги кроку:
Uк = Uз ×b1 ×b2 , (4.9)
де Uз – напруга на заземлювачі.
У формулі (4.9) коефіцієнт b1 – коефіцієнт напруги кроку, який враховує форму потенціальної кривої та залежить від виду заземлювача, відстані від місця замикання на землю (x) і довжини кроку (а):
b1 = (jx– jx+a) / jз< 1. (4.10)
Значення b1 табульовані, аналогічно коефіцієнту напруги дотикуa1. Другий співмножник – коефіцієнт напруги кроку b2, який враховує падіння напруги на опорній поверхні ніг (0 £b2 £ 1):
b2 = 1 / (1 + 6,2r / Rh*) , (4.11)
де Rh* – неповний опір кола людини (без врахування опору опорної поверхні ніг).
Сила струму через людину, обумовлена напругою кроку:
Ih.к.=Uк / Rh . (4.12)
Як видно з останніх формул, при збільшенні довжини кроку а та зменшенні питомого опору ґрунту rступінь ураження людини електричним струмом збільшується.
ПèНині трифазний струм є основним стандартом підключення побутових споживачів (будинків у містах, вулиць у селах) та непотужних промислових споживачів. Тридротова лінія електропередач («трифазка») дозволяє передавати втричі більшу потужність, ніж дводротова лінія завдяки більшій рівномірності. Існують схеми трифазних кіл із нульовим проводом і без нульового провода. Нульовий провід дозволяє отримувати водночас вищу напругу, використовуючи переваги трифазної схеми електропостачання, зберігаючи можливість однофазного підключення з меншою напругою.
Зазначимо, що напруга живлення (supplyvoltage) – напруга між фазами або напруга між фазою і нейтраллю на затисках харчування. У схемі з нульовим проводом споживач може під'єднувати навантаження між нульовим проводом і однією з фаз або між двома різними фазами.
Різницю потенціалів між фазою і нульовим проводом називають фазною напругою 
, між двома фазами – лінійною 
. Між вказанами дійсними значеннями напруг існує співвідношення: 
.
Номінальна напруга трифазних чотирьохпровідних або трьохпровідних систем для частоти 50 Гц :
ü 230 В ;
ü 230 / 400 ВÛ 
;
ü 400 / 690 В;
ü 1000 В.
Примітка:
А) Значення 230/400 В є результатом еволюції систем 220/380 В і 240/415 В, які завершили використовувати в Європі і в багатьох інших країнах. Однак трифазні системи 220/380 В і 240/415 В й досі продовжують застосовувати.
Б) Значення 400/690 В є результатом еволюції системи 380/660 В, яку завершили використовувати в Європі і в багатьох інших країнах. Однак систему 380/660 В й досі продовжують застосовувати.ƒ
Наведемо приклади розв’язку декількох задач.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 163; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!