Шаговое напряжение (напряжение шага)

Человек, попавший в зону растекания тока, оказывается под разностью потенциалов или под «шаговым напряжением», и ток проходит через тело человека по пути «нога – нога». Это происходит вследствие того, что разные точки «земли», которых касаются ноги человека (рис. 14, б), имеют разные потенциалы. Например, левая нога человека, отстоящая от заземлителя на расстоянии х₁, приобретает потенциал

φ_л = I_зм · ρ / 2πх₁,

а правая нога соответственно приобретает потенциал, равный

φ_п = I_зм · ρ / 2π (х₁ + а),

где а – ширина шага человека, м.

Разность потенциалов или напряжение, под которым могут оказаться ноги человека, называется «шаговым напряжением» или «напряжением шага» U_ш. Из рис. 14, б видим, что

U_ш = φ_л – φ_п = U_x1 – U(х₁ – a) = I_зм · ρ · а / 2πх₁ (х₁ + а)

или

U_ш = I_зм · ρ · а / 2πх₁ (х₁ + а),

где I_зм – ток замыкания, А; ρ – удельное сопротивление грунта, Ом · м; х₁ – расстояние до точки соприкосновения ноги человека с «землей»; а – ширина шага человека (при расчетах ширина шага человека принимается равной 1 м).

Примечание. Шаговое напряжение или напряжение шага – напряжение между двумя точками на поверхности «локальной земли» или проводящего пола, находящимися на расстоянии 1 м одна от другой, которое рассматривается как длина шага человека (ПУЭ, п. 1.7.25).

Из рис. 14 видно, что «шаговое напряжение» зависит от ширины шага «а» и расстояния до места замыкания на «землю». По мере удаления от заземлителя или упавшего на землю провода «напряжение шага» уменьшается и на расстоянии более 20 м оно практически равно нулю.

Следовательно, человек, попавший в зону растекания тока, может оказаться под разностью потенциалов (под напряжением), даже не касаясь руками каких-либо частей электроустановки или оборвавшегося и замкнутого на «землю» электропровода, и ток будет проходить по пути «нога – нога».

Действие шагового напряжения на человека. Из кривой уменьшения потенциалов в случае растекания токов в «земле» (рис. 14, б) видно, что «напряжение шага» уменьшается по мере удаления от заземлителя и увеличивается по мере приближения к нему.

При больших токах замыкания на «землю» шаговые напряжения могут достигать опасных для жизни человека величин. При попадании человека под «напряжение шага» порядка 100 В и выше у человека могут наступить судороги ног, он может упасть на «землю», и тогда ток потечет по пути «руки – ноги», т. е. имеет место замыкание тока через тело человека. В этом случае ток будет проходить через легкие и сердце человека. В результате тело человека замыкает точки с большой разностью потенциалов, так как расстояние между точками прикосновения увеличивается до размеров роста человека – увеличение ширины шага «а». Поэтому в случаях обнаружения упавшего на «землю» электропровода не следует приближаться к месту замыкания ближе 6…7 м, а в закрытых помещениях не разрешается приближаться к упавшим проводам на расстояние ближе 4…5 м.

Примечание. Выходить из зоны растекания токов или выносить пострадавших можно передвигаясь только очень короткими шагами, чтобы не увеличивать шаговое напряжение и устранить вероятность поражения человека шаговым напряжением.

Оценка эффективности токовой защиты электроустановок

с напряжением до 1000 В

Для обеспечения токовой защиты в случаях замыкания токонесущих проводов на корпус электроустановки необходимо использовать плавкие вставки (предохранители) или автоматические выключатели.

В целях обеспечения автоматического отключения электроустановок напряжением до 1000 В все открытые проводящие части установок должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания в 3-фазных сетях переменного тока, если применена система с занулением проводящих частей электроустановки (система ТN). Если используется 4-проводная сеть с нулевым проводом (система IT или ТТ), проводящие части электроустановок должны быть заземлены.

Характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников обеспечивают время срабатывания системы защиты (время отключения) поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением источника питания.

В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В для обеспечения автоматического отключения аварийного участка нулевые защитные проводники должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы при замыкании фазы на корпус в нулевом проводнике возникал ток короткого замыкания I_кз, превышающий не меньше чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя, устройства автоматического отключения, т. е. I_кз 3 I_{ном FU}.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими электромагнитный расцепитель (отсечку), нулевой защитный проводник должен выбираться с таким расчетом, чтобы в цепи «фаза – нуль» был обеспечен ток короткого замыкания, равный уставке тока мгновенного срабатывания, умноженный на коэффициент, учитывающий разброс (по заводским данным), и на коэффициент запаса, равный 1,1. При отсутствии заводских данных для автоматов с номинальным током до 100 А кратность тока короткого замыкания относительно уставки следует принимать равным 1,4. Для автоматов с номинальным током более 100 А коэффициент принимается равным 1,25.

Примечание. Полная проводимость нулевых защитных проводников должна быть не менее 50% проводимости фазного провода.

В системе с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом N (система TN) время автоматического срабатывания не должно превышать значений, указанных в табл. 2

В 4-проводных сетях 3-фазного переменного тока с изолированной нейтралью и заземленной электроустановкой (система IT) время автоматического отключения питания при двойном замыкании на открытые проводящие части электроустановки должно соответствовать данным, приведенным в табл. 3.

Таблица 2 Время автоматического отключения электропитания в системе ТN
Номинальное фазное напряжение, В	Время отключения, с
127	Не более 0,8
220	Не более 0,4
380	Не более 0,2
Более 380	Не более 0,1

Таблица 3 Время автоматического отключения электропитания в системе IT
Номинальное линейное напряжение, В	Время отключения, с
220	Не более 0,8
380	Не более 0,4
660	Не более 0,2
Более 660	Не более 0,1

Для расчета токовой защиты по номинальной мощности Р_ном электроустановки в установившемся режиме определяется величина номинального тока I_ном, а величина тока срабатывания предохранителя I_FU выбирается в соответствии с Правилами устройства электроустановок и аппараты защиты имеют кратность:

не более 3 I_ном – для плавкой вставки предохранителя;

не более 4,5 I_ном – для уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку).

Для оценки эффективности токовой защиты необходимо сравнить величину тока срабатывания предохранителя I_FU c током короткого замыкания I_зм заземленной электроустановки, подключенной к 3-фазной сети переменного тока:

система эффективна, если I_зм > 3 I_FU;

система неэффективна, если I_зм < 3 I_FU.

Однофазный ток короткого замыкания I_кз рассчитывается по формуле

I_кз = U_ф / (Z_п + Z_т / 3),

где U_ф – фазное напряжение, В; Z_п – полное сопротивление петли «фаза – нуль» до наиболее удаленной точки сети, Ом; Z_т – полное сопротивление обмотки силового трансформатора, Ом.

Полное сопротивление петли «фаза – нуль» можно рассчитать по формуле

Z_п = Z₀ + L_п,

где Z₀ – полное сопротивление петли, Ом · км; L_п – длина проводов, км.

Примечание. Выбор предохранителей производится с учетом номиналов, выпускаемых промышленностью.

Контрольные вопросы

1. Напряжение прикосновения и причины его возникновения.

2. Напряжение прикосновения в 3-фазной сети переменного тока с заземленной нейтралью и изолированным от «земли» корпусом электроустановки.

3. Напряжение прикосновения в 3-фазной сети переменного тока с изолированной нейтралью и заземленным корпусом электроустановки.

4. Зависимость напряжения прикосновения от расстояния между заземлителем и человеком, к которому оно приложено.

5. Зависимость напряжения прикосновения от величины защитного заземления.

6. Шаговое напряжение и причины его возникновения.

7. Зависимость шагового напряжения от токов растекания в «земле».

8. Действие шагового напряжения на человека. Защита человека от напряжения шага.

9. Виды токовой защиты электроустановок с напряжением до 1000 В.

10. Методы расчета токовой защиты электроустановок с напряжением до 1000 В.