7.8.2. Опасность поражения в трехфазных трехпроводных сетях

Трехфазные трехпроводные сети широко применяются в сетях переменного тока напряжением 1000 < U < 1000 В с силовыми нагрузками. Источники или приемники 3^Х фазного тока, обмотки которые соединены звездой, имеют нейтральные или нулевые точки (рис. 7. 15)

Рис. 7.15. Нейтральная и нулевая точки и проводники обмоток ЭУ.

1 - нейтральная точка - изолирования нейтраль,

2 - нейтральный проводник,

3 - нулевая точка,

4 - нулевой проводник,

5 - глухо-заземленная нейтраль сопротивлением r₀ .

По условиям техники безопасности согласно «Правилам устройства электроустановок» при эксплуатации электросетей существует два режима нейтрали: изолированный и глухозаземленный.

Нейтральная точка - 1, изолированная от земли, называется изолированной нейтралью. Нулевая точка - 3, присоединенная непосредственно к заземлителю через малое сопротивление - r₀, называется глухозаземленной нейтралью ( см. рис. 7.15).

При соединении обмоток электроустановок треугольником нейтральная точка и нейтраль отсутствуют.

Изолированная нейтраль.

- Нормальный режим работы.

На рис. 7.16 показано однофазное соединение человека с проводником 1, а так же условно нанесены активные сопротивления изоляции фазных проводников и их емкости. Применяя символический метод расчета с использованием законов Кирхгофа, можно получить формулу для определения величины тока, протекающего через человека в рассматриваемой схеме. Не производя вывода этой формулы, запишем результат в общем виде:

U_Ф

Ih = ------------------- , А, где Z - комплекс полного сопротивления изоляции фазных проводов

Rh + Z / 3 относительно земли.

В действительной форме полное сопротивление определяется зависимостью:

Z = Ц r_ИЗ² + Х_с² . Здесь Х_с = 1/ wc - емкостное сопротивление проводников в действительной форме, Ом; r_{ИЗ -} активное сопротивление изоляции; w = 2 p f - угловая частота переменного тока, Гц.

L

3

U_Л

2

U_Л

1

r₁ r₂ r₃

Rh

U_ПР Ih U_Ф с₁ с₂ с₃

Рис. 7.16. Схема однофазного соединения человека с проводником трехфазной сети.

Ih, Rh - ток и сопротивление человека, А, Ом.

r₁, r₂, r₃ - активное сопротивление изоляции проводников относительно земли, Ом.

с₁, с₂, с₃ - емкости проводников относительно земли, Ф.

U_Ф - фазное напряжение, В

U_Л = U_Ф - линейное напряжение, В ,

U_ПР - напряжение прикосновения В,

L - длина проводников, определяющая их емкость.

- путь тока через человека.

Оценим опасность однофазного соединения человека с проводником по схеме, представленной на рис. 7.16 для следующих двух случаев.

- Короткие электрические сети протяженностью L 400 м.

При этом: с₁ = с₂ = с₃ @ 0, тогда Х_с @  r₁ = r₂ = r₃ = r_ИЗ, тогда Z = r_ИЗ.

В этом случае ток через человека будет определяться формулой:

U_Ф

Ih = ------------------- , А ( 7.16)

Rh + r_ИЗ / 3

Если принять U_Ф =220 В, Rh = 1000 Ом, а величину r_ИЗ = 0,5 м Ом, то величина тока Ih и степень опасности определятся:

220  10 ³

Ih = ------------------------- = 1,5 м А- пороговый ощутимый ток.

10 ³ + (5  10 ⁵) /3

- Протяженные воздушные или кабельные электрические сети длиной L >> 400 м.

При этом: с₁ = с₂ = с₃= с, тогда Х_с = 1/ wc ; r₁ = r₂ = r₃ = , тогда Z = Х_с.

Ток через человека в этом случае будет определяться формулой:

U_Ф

Ih = ------------------- , А ( 7.17)

Rh² + (Х_с /3)²

В протяженных сетях опасность поражения человека электрическим током всегда выше, так как емкостное сопротивление X_C всегда меньше активного сопротивления изоляции r_ИЗ в коротких сетях.

Наличие цифры 3 в знаменателях формул ( 7.16) и ( 7.17) объясняется комплексным соотношением между фазными напряжениями в 3^х фазном переменном токе. Векторная диаграмма напряжения представлена на рис.7.17.

U₁ = U_Ф

120⁰ 240⁰

U₃ = U_Ф  а² U₂ = U_Ф  а

Рис. 7.17. Векторная диаграмма напряжений .

U₁, U₂, U₃ - напряжения фаз;

а - оператор сдвига фаз.

Оператор сдвига фаз при смещении вектора U₂ на 120⁰ определяется в комплексном виде арифметической зависимостью:

1

а = - ---- + j ------,

2 2

а при смещении вектора U₃ на 240⁰ определяется зависимостью:

1

а² = - ---- - j ------

2 2

При выводе формул ( 7.16) и ( 7.17), выполняя действия ( 1- а² + 1 - а), будем иметь:

1 1

1 + ---- + j ----- + 1 + ---- - j ------ = 3

2 2 2 2

- Аварийный режим работы

U_Л

r_ЗМ

Rh

Ih

Рис. 7.18. Схема соединения человека с проводником в аварийном режиме.

r_ЗМ - сопротивление замкнутого на землю фазного проводника, Ом

U_Л - линейное напряжение

На рис. 7.18 рассмотрено однофазное соединение человека с проводником в аварийном режиме при замыкании другого фазного проводника на землю. Наметив путь тока, как показано на рис. 7.18, определим ток через человека:

U_Ф

Ih = ----------------- , А ( 7.18)

Rh + r_ИЗ

Пример: U_Л =380 В, Rh = 1000 Ом, r_ИЗ  0.

Определим величину тока Ih и оценим степень опасности при этом.

380 10³

Ih = ------------ =380 мА. - значительно превышает величину смертельного тока 100 мА.

1000

В этом случае для повышения безопасности людей от поражения током исключительно большое значение имеют сопротивления изолирующих полов и обуви. При этом знаменатель формулы ( 7.18) существенно увеличится.

- Глухозаземленная нейтраль

- Нормальный режим работы

r₀ U_ПР  U_Ф Rh

Ih

Рис. 7.19. Схема однофазного соединения человека в сети с глухозаземленной нейтралью.

r₀ - сопротивление глухозаземленной нейтрали, Ом.

На рис.7.19 показано однофазное соединение человека в сети с глухозаземленной нейтралью, при этом r₀ согласно ПУЭ принимается не более: r₀ = 2 Ом при U = 660/380, В; r₀ = 4 Ом при U =380/220, В; r₀ = 8 Ом при U = 220/127, В.

Ток через человека определяется следующей формулой:

U_Ф

Ih = ----------------- , А ( 7.19)

Rh + r_О

Здесь напряжение фазное U_Ф и напряжение прикосновения U_ПР практически имеют одинаковые значения, т.к. сопротивление r_О незначительно. Опасность поражения человека в этой схеме высокая. Действительно, если принять U_Ф = 220 В, Rh = 1000 Ом, r_О = 4 Ом, то величина Ih определится

220  10 ³

Ih = --------------------  220 мА > 100 мА

1000 + 4

Введение дополнительных сопротивлений изоляции пола, резиновой обуви или коврика значительно понижают опасность поражения человека током.

- Аварийный режим работы

3

2

U_Л

1

r_ЗМ

r_О Rh U_Ф Rh

U_ПР Ih

а) б)

Рис. 7.20. Схемы соединения человека с электрическими проводниками в трехфазной сети.

а) - однофазное соединение в аварийном режиме в сети с глухозаземленной нейтралью,

б) - двухфазное соединение человека в электрической сети,

путь тока через человека.

На рис. 7.20 а) представлен случай однофазного соединения человека с проводником в сети с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме, т.е. при замыкании фазы 3 на землю через относительно малое активное сопротивление r_ЗМ .Для этого случая ток через человека определяется следующим образом:

Известно:

U_ПР

Ih = ----------.

Rh:

Здесь напряжение прикосновения U_ПР с учетом растекания тока через сопротивления Rh, r_ЗМ, r₀ выражается зависимостью

r_ЗМ + r₀

U_ПР = U_Ф Rh ------------------------------ , В

r_ЗМ r₀ + Rh (r_ЗМ + r₀)

Подставляя это значение в искомую величину, получим:

r_ЗМ + r₀

Ih = U_Ф ------------------------------ , А ( 7.20)

r_ЗМ r₀ + Rh (r_ЗМ + r₀)

Анализ формулы ( 7.20) позволяет выделить три характерных случая.

- Если сопротивление замыкания проводника на землю равно нулю, r_ЗМ= 0, то величина тока будет равна Ih = U_Ф/Rh. Следовательно, человек окажется под воздействием линейного напряжения сети.

- Если сопротивление глухозаземленной нейтрали равно нулю, r₀ =0, то величина тока будет равна Ih = U_Ф / Rh. Человек окажется под действием фазного напряжения сети.

- В практических условиях r_ЗМ > 0, r₀ > 0. Поэтому напряжение , под которым оказывается человек, соединенный с фазным проводником в аварийном режиме в 3^хфазной сети с глухозаземленной нейтралью, всегда меньше линейного, но больше фазного: U_Ф < U_ПР < U_Л.. Это обстоятельство является решающим при выборе режима нейтрали электросетей в производственных помещениях.

На рис. 7.20. б) показано двухфазное соединение человека к проводникам электрической сети.

Ток, проходящий через человека, имеет наибольшее значение и определяется формулой:

U_Л

Ih = --------- , А ( 7.21)

Rh

Например: Напряжение линейное U_Ф = 380 В ;Сопротивление человека Rh = 1000 Ом

Ток через человека будет равен

380  10 ³

Ih = -------------------- = 380 мА

1000

Самый опасный случай. При этом ток, проходящий через человека, не зависит от схемы сети, режима нейтрали или других факторов, т.к. путь тока это рука-сердце-рука, см. рис. 7.20. б). Применение средств индивидуальной защиты в виде резиновой обуви или ковриков бесполезно.

Оказание посторонней помощи пострадавшему сводится к выполнению следующих операций: обесточить электросеть, если известно место нахождения выключателя; действуя одной рукой при помощи нетоковедущих предметов ( одежа, доски и т.д.), отсоединить вначале одну руку пострадавшего, затем вторую руку от электропроводников; при необходимости оказать первую медицинскую помощь - искусственное дыхание и массаж сердца; вызвать медицинский персонал.