Технические средства защиты от поражения электрическим током

Евгений Иванов

Назначение

Технические средства защиты (ТСЗ) предназначены для уменьшения тока через тело человека до безопасного значения при случайном контакте с токоведущими частями или при необходимости выполнения работ под напряжением. Этот эффект достигается одним из двух способов: либо напряжение прикосновения (то есть напряжение, приложенное непосредственно к телу человека) уменьшается до безопасного значения, либо оно становится равным нулю.

В зависимости от параметров сети (рабочее напряжение, уровни сопротивления изоляции и емкости относительно земли, режим нейтрали и пр.), технических требований у обеспечению непрерывности питания электроприемников, экономических соображений, особенностей эксплуатации (например, уровень квалификации персонала) и других условий применяют различные виды ТСЗ.

Классификация

Необходимость применения конкретного вида ТСЗ при эксплуатации электроустановок указана в ПУЭ и ПЭЭП. Тем не менее, вопросы обеспечения условий безопасности прорабатываются не в период эксплуатации, а на стадии проектирования (изделия, объекта, технологического процесса). Согласно ГОСТ 2.119-73, еще на стадии эскизного проекта должна быть разработана программа обеспечения безопасности (ПОБ) проектируемого объекта. Искусство разработчика и эксплуатационника состоит в грамотном анализе возможных причин возникновения опасных ситуаций на объекте и в выборе наиболее эффективных и экономичных средств защиты.

В настоящее время наиболее широко применяют следующие ТСЗ:

• защитное заземление;
• зануление;
• уравнивание потенциалов;
• защитное отключение;
• защитное разделение сетей;
• выравнивание потенциалов;
• защита от опасности перехода высокого напряжения на сторону низшего;
• защитное шунтирование;
• компенсация емкостных токов;
• обеспечение недоступности токоведущих частей;
• контроль изоляции;
• двойная изоляция;
• защитные средства.

Рассмотрим особенности применения некоторых из них.

Защитное заземление

Назначение. Защитное заземление - это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей, могущих оказаться под напряжением, с землей или ее эквивалентом; оно предназначено для защиты людей от поражения током при прикосновении к этим нетоковедущим частям. Опасное напряжение на последних может оказаться по различным причинам - заряды статического электричества, вынос потенциала, разряд молнии, наведенный заряд и пр. Основная из них - случайное замыкание фазы на корпус электротехнического изделия из-за повреждения электрической изоляции или механического повреждения токоведущих частей.

Прикосновение к корпусу такого неисправного электроприемника, по существу, является режимом однофазного прикосновения, хотя при этом человек не нарушает правил техники безопасности. Защитное заземление, как основной вид защиты именно в этом режиме в электроустановках, изолированных от земли.

Принцип действия. Пусть в электроприемнике полюс 1 замыкается на корпус (рис. 1, а). В этом случае человек, касающийся корпуса, оказывается в режиме прикосновения к полюсу 1 (рис. 1, б). Если бы корпус не был заземлен, то человек мог бы оказаться под опасным напряжением (см. "НЭТ" № 2 (8)) в соответствии с распределением падений напряжения на плечах делителя напряжения (Z1, Rh) - Z2. В данном случае корпус заземлен через сопротивление Rз << Rh, поэтому сопротивление плеча (Z1, Rh, Rз) делителя напряжения становится несоизмеримо меньше сопротивления плеча Z2 (то есть сопротивления изоляции здорового полюса). В результате рабочее напряжение U практически полностью прикладывается к сопротивлению изоляции этого полюса, а напряжение прикосновения Uпр снижается до безопасного значения; соответственно и ток через тело человека Ih = Uпр / Rh оказывается незначительным.

Неверная трактовка принципа работы. Зачастую, и даже к некоторых учебниках, бытует другая трактовка принципа защиты с применением заземления, которую можно сформулировать следующим образом: "Без заземления весь ток течет через тело человека, коснувшегося корпуса неисправного приемника. Если корпус заземлить, то наибольшая часть тока будет протекать по пути с наименьшим сопротивлением, то есть через заземление Rз << Rh. В результате ток через тело человека уменьшается до безопасного значения". Эта трактовка принципа работы неверна. Более того, она опасна, так как, исходя из нее, применяют заземление и в тех случаях, когда оно не улучшает, а наоборот, ухудшает условия безопасности.

Действительно, когда нет заземления, через тело человека протекает ток Ih1, и при наличии сопротивления Rз << Rh новый ток Ih2 << Ih1 (рис. 2, а и б). Рассмотрим схемы замещения этих режимов, соответствующие приведенному выше неправильному толкованию принципа работы (рис. 2, в и г). Согласно рис. в, ток Ih1 = Uпр / Rh. Неверная трактовка права в том, что при наличии заземления (рис. г) ток Iзам через сопротивление Rз безусловно будет много больше тока Ih2. Но если последний оценить количественно, то, согласно второму правилу Кирхгофа, из схемы рис. г имеем Ih2 = Uпр / Rh = Ih1, то есть небольшой (по сравнению с током замыкания) ток Ih2 имеет прежнее, опасное для жизни значение. Ошибка заключается в том, что в схеме на рис. г не учтено влияние сопротивления изоляции сети. Правильные схемы приведены на рис. 1, б и в, из которых видно, что Uпр2 << Uпр1 и поэтому Ih2 << Ih1. При наличии заземления значение тока уменьшается до безопасного за счет перераспределения напряжения с тела человека на изоляцию здорового полюса сети.

Неэффективность работы защитного заземления в сетях с глухим заземлением нейтрали. Пусть происходит замыкание фазы на заземленный корпус (рис. 3). В контуре "фаза - корпус электроприемника - сопротивление защитного заземления Rз -сопротивление заземления нейтрали R0 - нейтраль обмотки трансформатора" будет протекать ток замыкания Iзам. В этом контуре фазное напряжение Uф распределяется на примерно равных сопротивлениях Rз и R0, то есть напряжение между корпусом неисправного электроприемника и землей максимально может уменьшиться только в 2 раза. При этом Uпрmin = 110 В, то есть ток через тело человека Ih = 110 мА - выше фибрилляционного и порогового неотпускающего тока.

Тем не менее несанкционированные инициативные случаи применения заземления в этих сетях достаточно часты. Поскольку во многих производственных помещениях и в бытовых помещениях шины заземления отсутствуют, корпуса электроприемников в нарушение требований ПУЭ подключают к любым металлоконструкциям, имеющим связь с землей (водопроводные трубы, батареи отопления и пр.). Учитывая социальную опасность подобных операций, рассмотрим подробнее вопрос использования водопроводных труб в целях заземления.

На эквивалентной схеме (рис. 4) корпус прибора, получающего питание от двухпроводной сети с заземленным нулевым проводом, электрически соединен с трубой Т1 системы водопровода. В случае замыкания фазы на корпус прибора ток замыкания Iзам. протекает по контуру "фаза - корпус -труба Т1 - сопротивление зоны растекания тока с трубы на землю Rтр-з - сопротивление заземления нейтрали R0 - нейтраль обмотки трансформатора". В этом контуре фазное напряжение источника распределяется на сопротивлениях R0 и Rтр-з.. Первое сопротивление подлежит периодическому контролю. Сопротивление Rтр-з - случайная величина, несоизмеримо большая первой. Поэтому основная часть фазного напряжения будет падать на этом сопротивлении, то есть соответствующий потенциал будет на "заземленном" корпусе и на всех трубах.

Пусть человек касается батареи отопления Т2 (потенциал равен нулю) и корпуса прибора. Тогда Uпр = Uф., то есть сделавший заземление себя же и убил. Пусть другой человек, находящийся в другом помещении и не знакомый с первым, принимает душ (ванну) после работы и касается водопроводной трубы. Потенциал водосточной фановой системы равен нулю. Тогда напряжение прикосновения равно фазному и здесть также вероятна электротравма с летальным исходом.

Вынос опасного потенциала по водопроводной трубе угрожает жизни неограниченного числа людей. Поэтому использование металлоконструкций, связанных с землей, с целью заземления корпусов электроприемников ПУЭ запрещает (п. 1.7.73-8). В целях гарантированного обеспечения условий безопасности в зданиях и сооружениях применяется система уравнивания потенциалов, предусматривающая электрическое соединение всех металлоконструкций и нулевого защитного проводника.

В следующем номере журнала мы продолжим разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током.