4. Инженерные основы техники безопасности

4.1.Основы электробезопасности

Особая опасность электрического тока как поражающего фактора объясняется его широким распространением как энергоносителя и невозможностью «априорного» обнаружения органами человека.

От всего многообразия производственных травм, обусловленных всеми видами взаимодействия, электротравмы составляют не более 5%, однако доля смертельных электротравм– более 50%.

4.1.1.Воздейcтвие электрического тока на человека

Различают следующие виды воздействий: тепловое, электрохимическое, биологическое.

Тепловое воздействие обусловлено выделением теплоты согласно закону Джоуля-Ленца: при протекании в течение времени t тока I_h через человека, имеющего сопротивление R_h, человеку передаётся теплота Q:

Тепловое воздействие вызывает все 4 степени ожогов.

Электрохимическое воздействие.Поскольку биологические жидкости человека (кровь, лимфа, межклеточная жидкость) образуют сложную смесь электролитов, то прохождение электрического тока по ним способно нарушить нормальное взаимодействие между ионами электролитов, что, в свою очередь, может нарушить протекание значимых для жизни биохимических реакций.

Биологическое воздействие. Различают два вида биологического воздействия:

-непосредственно биологическое воздействие на мышцы. Проявляется в сокращении мышц, по которым протекает ток. Строго говоря, сокращение мышц может вызываться только переменным током, однако при включении человека в электрическую цепь постоянного тока и при размыкании этой цепи возникают переходные процессы, приводящие к сокращению мышц, по которым протекает ток. Сокращение тем сильнее, чем больше сила тока. Подобный эффект приводит к резким и неадекватным движениям человека, которые при работе в стесненных условиях или на высоте могут привести к вторичным травмам;

-опосредованное биологическое воздействие. При прохождении тока через головной мозг может измениться электрическая активность последнего. В результате изменения электрической активности центральной нервной системы возможны трудно предсказуемые последствия.

4.1.2. Факторы, влияющие на исход электротравм. Сила тока.

Чем выше сила тока, тем тяжелее последствия. Выделяют несколько биологических эффектов, значимых с точки зрения электробезопасности:

• эффект ощущения тока; для переменного тока промышленной частоты данный эффект наступает при токах больших 1,5 мА;

• эффект неотпускания - обусловлен сокращением мышц, по которым протекает ток, препятствующим разрыву контакта с токоведущей частью. Этот эффект возникает с вероятностью 0,95 при токе более15 мА. Поэтому предельно допустимым является ток 6 мА, при котором вероятность такого эффекта не более 0,0001;

• затруднение дыхания (судороги мышц, диафрагмы) – (20...30 мА). Эффект выражается в том, что человек не может сделать вдох и через 2 минуты погибает от удушья;

• фибрилляция сердца – хаотическое сокращение сердца, при котором прекращается кровообращение. Гибель через 7...8 минут. Данный эффект с вероятностью 0,001возникает при токе 50 мА.

Время воздействия тока.

Чем дольше протекает ток, тем тяжелее последствия. Согласно ГОСТ 12.1.038-84, при протекании через человека тока силой 250 мА не более 0,2 с и тока силой 500 мА не более 0,1 с, никаких опасных последствий для человека не последует, т.е. такие режимы считаются допустимыми (на них основано действие автоматики безопасности).

Род тока.

Наиболее опасен ток от тиристорных преобразователей напряжения (из-за пульсации). Следующим по опасности является переменный ток промышленной частоты, наименее опасен постоянный ток гальванических элементов.

Величина сопротивления человека R_h.

Рис.4.1. К определению сопротивления тела человека.

На рис.4.1 схематично изображена зона тела человека, участвующая в проведении тока, и эквивалентная телу электрическая схема. Под наружным кожным покровом с потовыми канальцами 1 располагается внутренний кожный покров 2 и зона внутренних органов 3. Кожа человека является отличным изолятором (некоторые эксперименты показывают, что в технике не существует изоляторов, подобных наружному кожному покрову) сопротивление которого в спокойном состоянии достигает сотен килоОм, но в ней расположены потовые канальцы, сечение которых существенно зависит от теплового состояния организма. В жаркую погоду или при выполнении тяжелой работы возрастает доля тепла, отводимого от тела человека за счет испарения пота, вследствие чего резко возрастает сечение потовых канальцев и уменьшается эквивалентное сопротивление данного участка кожи.

В упрощенном варианте сопротивление участка кожного покрова человека площадью S, находящегося в контакте с токоведущей частью, можно представить в виде двух параллельно соединенных сопротивлений: наружного кожного покрова (площадь контакта S_к) и потовых канальцев (суммарная площадь контакта S_кан). Очевидно:

S_кан=S-S_к

Предельно упрощая модель, значения соответствующих сопротивлений можно определить по формуле сопротивления для обычного проводника. Сопротивление наружного кожного покрова:

(4.1)

(4.2)

Тогда, учитывая, что R_к и R_кан соединены параллельно и их значения по (4.1) и (4.2), эквивалентное сопротивление кожи определиться следующим образом:

(4.3)

где: ρ_к и ρ_кан – соответственно удельные сопротивления наружного кожного покрова и пота в канальцах, причем ρ_к>>ρ_кан;

l_к и l_кан – соответственно толщина наружного кожного покрова и длина потовых канальцев, причем l_к крайне мала (сотые доли миллиметра);

S_к – площадь контакта с токоведущей частью наружного кожного покрова;

(S-S_к)=S_кан – суммарная площадь контакта потовых канальцев с токоведущей частью.

Анализ (4.3) позволяет сделать ряд важных выводов.

1.В обычных условиях при допустимых температурах воздуха и не очень тяжелой работе S_кан мало и S_к≈S. Если к тому же напряжение невелико, то сопротивление человека достигает значений нескольких сотен килоОм. Работать в таких условиях относительно безопасно.

2. Если температура воздуха больше верхнего значения интервала допустимых температур, то значительную часть избытков тепла организм отводит путем испарения пота, что приводит к резкому расширению потовых канальцев. При этом S_кан в десятки раз возрастает, что согласно (4.3) приводит к резкому сокращению эквивалентного сопротивления тела человека. В этих условиях работа становиться более опасной с точки зрения получения электротравмы.

Сопротивление внутренних органов R_во фактически определяет сопротивление тела человека при поврежденном наружном кожном покрове. Оно не превышает 1 кОм.

Приложенное напряжение.

Как уже было сказано, наибольший вклад в сопротивление человека вносит наружный кожный покров. Однако, толщина его настолько мала, что при напряжении выше 50 В наступит его электрический пробой, сопротивление кожи уменьшится до нуля, и полное сопротивление человека будет определяться только сопротивлением внутренних органов (как и в случае повреждений наружного кожного покрова).

Путь тока в теле человека.

От него зависит доля полного тока через человека, протекающего через головной мозг и сердце. Наиболее опасными являются пути: голова – рука, рука – рука, голова – нога, рука – нога.

Фактор внимания.

Его значение заключается в том, что последствия действия тока на человека, не ожидающего его воздействия, в несколько раз тяжелее, чем для человека, готового к этому воздействию. Поэтому, отправляя подчиненных на работу к оборудованию, необходимо предупредить их о возможности воздействия электрического тока, что может увеличить в 4-5 раз пороговые значения токов определяющих биологические эффекты, значимые для обеспечении электробезопасности.