Jak se posuzuje riziko zranění osoby podle proudu elektrické instalace v elektrických sítích s různými konfiguracemi?

Znalost procesů probíhajících v elektroinstalacích umožňuje energetikům bezpečně obsluhovat zařízení s jakýmkoli napětím a typem proudu, provádět opravy a údržbu elektrických systémů.

Aby se předešlo případům úrazu elektrickým proudem v elektrické instalaci, informace obsažené v PUE, PTB a PTE — hlavní dokumenty vytvořené nejlepšími specialisty na základě analýzy nehod s lidmi zraněnými nebezpečnými faktory doprovázejícími provoz elektrické energie.

Okolnosti a důvody vystavení člověka elektrickému proudu

Bezpečnostní pokyny rozlišují tři skupiny příčin vysvětlujících usmrcení pracovníků elektrickým proudem:

1. úmyslné, neúmyslné přiblížení se k živým částem s napětím na vzdálenost menší, než je bezpečná, nebo k jejich dotyku;

2. vznik a vývoj mimořádných situací;

3.porušení požadavků uvedených v návodech předepisujících pravidla chování pracovníků ve stávajících elektroinstalacích.

Posouzení nebezpečí poranění osoby spočívá ve stanovení výpočtů velikostí proudů, které procházejí tělem oběti. Zároveň je třeba vzít v úvahu mnoho situací, kdy může dojít ke kontaktu na náhodných místech elektrické instalace. Kromě toho se napětí aplikované na ně mění v závislosti na mnoha důvodech, včetně podmínek a režimů provozu elektrického obvodu, jeho energetických charakteristik.

Podmínky pro zranění osob elektrickým proudem

Aby proud procházel tělem oběti, je nutné vytvořit elektrický obvod propojením alespoň dvou bodů obvodu, které mají rozdíl potenciálů – napětí. U elektrického zařízení mohou nastat následující stavy:

1. Současné dvoufázové nebo dvoupólové dotyky různých pólů (fází);

2. jednofázový nebo jednopólový kontakt s potenciálem obvodu, kdy má osoba přímé galvanické spojení se zemním potenciálem;

3. náhodné vytvoření kontaktu s vodivými prvky elektrické instalace, které byly pod napětím v důsledku vývoje havárie;

4. spadnutí působením krokového napětí, kdy vzniká potenciálový rozdíl mezi body, na kterých se současně nacházejí nohy nebo jiné části těla.

V tomto případě může dojít k elektrickému kontaktu oběti s částí elektrické instalace, která vede proud, což PUE považuje za dotyk:

1. přímo;

2. nebo nepřímo.

V prvním případě vzniká přímým dotykem živé části připojené pod napětím a ve druhém dotykem neizolovaných prvků obvodu, když jimi projde nebezpečný potenciál v případě havárie.

Pro stanovení podmínek pro bezpečný provoz elektrické instalace a pro přípravu pracoviště pro pracovníky v ní je nutné:

1. analyzovat případy možného vytvoření cest pro průchod elektrického proudu tělem obslužného personálu;

2. porovná svou maximální možnou hodnotu se současnými minimálními přípustnými normami;

3. přijímá rozhodnutí o provedení opatření k zajištění elektrické bezpečnosti.

Charakteristika rozboru podmínek úrazu osob v elektrických instalacích

Pro odhad velikosti proudu procházejícího tělem oběti v síti se stejnosměrným nebo střídavým napětím se používají následující typy označení:

1. odpory:

• Rh — v lidském těle;

• R0 — pro uzemňovací zařízení;

Ris — izolační vrstva vzhledem k obrysu země;

2. proudy:

Ih — prostřednictvím lidského těla;

Iz — zkrat k zemní smyčce;

3. zdůrazňuje;

Uc — obvody s konstantními nebo jednofázovými střídavými proudy;

Ul — lineární;

Uf — fáze;

Upr — doteky;

Ucho - kroky.

V tomto případě jsou možná následující typická schémata pro připojení oběti k napěťovým obvodům v sítích:

1. stejnosměrný proud při:

• jednopólový kontakt drátového kontaktu s potenciálem izolovaným od zemního obvodu;

• unipolární kontakt potenciálu obvodu s uzemněným pólem;

• bipolární kontakt;

2. třífázové sítě při;

• jednofázový kontakt s jedním z potenciálních vodičů (obecný případ);

• dvoufázový kontakt.

Poruchové obvody ve stejnosměrných obvodech

Jednopólový lidský kontakt s potenciálem izolovaným od země

Vlivem napětí Uc prochází zdvojnásobeným izolačním odporem média postupně vytvořeným obvodem potenciálu spodního vodiče, těla oběti (paže-noha) a zemní smyčky proud Ih.

Jednopólový kontakt člověka s potenciálem zemního pólu

V tomto obvodu je situace zhoršena připojením k zemnímu obvodu potenciálního vodiče s odporem R0, blízkým nule a mnohem nižším, než má tělo oběti a izolační vrstva vnějšího prostředí.

Síla potřebného proudu se přibližně rovná poměru síťového napětí k odporu lidského těla.

Bipolární lidský kontakt s potenciály sítě

Síťové napětí je přivedeno přímo na tělo postiženého a proud jeho tělem je omezen pouze jeho vlastním zanedbatelným odporem.

Obecné vzorce poruch v obvodech třífázového střídavého proudu

Navázání lidského kontaktu mezi fázovým potenciálem a zemí

V podstatě existuje odpor mezi každou fází obvodu a vytváří se zemní potenciál a kapacita. Nula vinutí zdroje napětí má zobecněný odpor Zn, jehož hodnota se v různých zemnících systémech obvodu liší.

Vzorce pro výpočet vodivosti každého obvodu a celkové hodnoty proudu Ih fázovým napětím Uf jsou znázorněny na obrázku u vzorců.

Utváření lidského kontaktu mezi dvěma fázemi

Největší hodnotu a nebezpečí představuje proud procházející obvodem, vzniklý mezi přímými kontakty těla oběti s fázovými vodiči. V tomto případě může část proudu procházet cestou přes zem a izolační odpor média.

Charakteristika dvoufázového doteku

U stejnosměrných a třífázových střídavých obvodů je vytváření kontaktů mezi dvěma různými potenciály nejnebezpečnější. Při tomto schématu se člověk dostane pod vliv toho největšího stresu.

V obvodu s konstantním napájecím napětím se proud procházející obětí vypočítá podle vzorce Ih = Uc / Rh.

V třífázové síti AC se tato hodnota vypočítá podle poměru Ih = Ul / Rh =√3Uph / Rh.

Vzhledem k tomu, že průměrný elektrický odpor lidského těla je 1 kilohm, vypočítáme proud, který se vyskytuje v síti s konstantním a střídavým napětím 220 voltů.

V prvním případě to bude: Ih = 220/1000 = 0,22A. Tato hodnota 220 mA postačuje k tomu, aby oběť utrpěla křečovité svalové stahy, když bez pomoci již není schopna se osvobodit od účinků náhodného dotyku — zádržného proudu.

Ve druhém případě Ih = (220·1,732)/1000= 0,38A. Při této hodnotě 380 mA hrozí smrtelné nebezpečí úrazu.

Dbáme také na to, že v třífázové síti se střídavým napětím má poloha neutrálu (může být izolován od země nebo opačně zapojený zkrat) velmi malý vliv na hodnotu proudu Ih . Jeho hlavní podíl neprochází zemním obvodem, ale mezi fázovými potenciály.

Pokud člověk použil ochranné prostředky, které zajišťují jeho spolehlivou izolaci od obrysu země, pak v takové situaci budou k ničemu a nepomohou.

Charakteristika jednofázové baterie

Třífázová síť s pevně uzemněným neutrálem

Oběť se dotkne jednoho z fázových vodičů a spadne pod potenciální rozdíl mezi ním a zemnícím obvodem. K takovým případům dochází nejčastěji.

Přestože je napětí mezi fází a zemí 1,732krát menší než napětí sítě, takový případ zůstává nebezpečný. Stav oběti se může zhoršit:

• neutrální režim a kvalita jeho připojení;

• elektrický odpor dielektrické vrstvy vodičů vzhledem k potenciálu země;

• typ obuvi a její dielektrické vlastnosti;

• odolnost půdy v místě oběti;

• další související faktory.

Hodnotu proudu Ih lze v tomto případě určit z poměru:

Ih = Uph / (Rh + Rb + Rp + R°).

Připomeňme, že odpory lidského těla Rh, bot Rb, podlahy Rp a země při neutrálním R0 se uvádějí v ohmech.

Čím menší je jmenovatel, tím silnější je proud. Pokud má zaměstnanec např. vodivou obuv, má mokré nohy nebo nohy lemované kovovými hřebíky a zároveň je na kovové podlaze nebo mokré půdě, pak můžeme předpokládat, že Rb = Rp = 0. To zaručuje nejhorší případ pro život oběti.

Ih = Uph / (Rh + R0).

Při fázovém napětí 220 voltů dostaneme Ih = 220/1000 = 0,22 A. Nebo smrtelný proud 220 mA.

Nyní spočítejme variantu, kdy pracovník používá ochranné prostředky: dielektrické boty (Rp = 45 kOhm) a izolační základnu (Rp = 100 kOhm).

Ih = 220/(1000+ 45000 + 10000) = 0,0015 A.

Získal bezpečnou hodnotu proudu 1,5 mA.

Třífázová síť s izolovaným neutrálem

Neexistuje žádné přímé galvanické spojení neutrálu zdroje proudu s potenciálem země. Fázové napětí je přivedeno na odpor izolační vrstvy Rot, který má velmi vysokou hodnotu, která je během provozu řízena a je neustále udržována v dobrém stavu.

Řetězec toku proudu lidským tělem závisí na této hodnotě v každé z fází.Pokud vezmeme v úvahu všechny vrstvy proudového odporu, pak jeho hodnotu lze vypočítat podle vzorce: Ih = Uph / (Rh + Rb + Rp + (Riz / 3)).

V nejhorším případě, když jsou vytvořeny podmínky pro maximální vodivost skrz boty a podlahu, výraz bude mít tvar: Ih = Uph / (Rh + (Rf / 3)).

Uvažujeme-li 220voltovou síť s vrstvovou izolací 90 kΩ, dostaneme: Ih = 220 / (1000+ (90000/3)) = 0,007 A. Takový proud 7 mA bude dobrý pocit, ale nemůže způsobit smrtelné zranění.

Všimněte si, že jsme v tomto příkladu záměrně vynechali odolnost vůči půdě a botám. Pokud je vezmeme v úvahu, proud klesne na bezpečnou hodnotu, řádově 0,0012 A nebo 1,2 mA.

Závěry:

1. V systémech s izolovaným neutrálním režimem je snadnější zajistit bezpečnost pracovníků. To přímo závisí na kvalitě dielektrické vrstvy vodičů;

2. Za stejných okolností je při dotyku s potenciálem jedné fáze obvod s uzemněným neutrálem nebezpečnější než izolovaný.

Nouzový režim jednofázového kontaktu v třífázové síti s uzemněným neutrálem

Uvažujme případ dotyku kovového těla elektrického zařízení, pokud je uvnitř porušena izolace dielektrické vrstvy na fázovém potenciálu. Když se člověk dotkne tohoto těla, proud proteče jeho tělem k zemi a poté přes neutrál do zdroje napětí.

Ekvivalentní obvod je znázorněn na obrázku níže. Odpor Rn je vlastněn zátěží vytvořenou zařízením.

Izolační odpor Rot spolu s R0 a Rh omezuje kontaktní proud mezi fázemi. Vyjadřuje se poměrem: Ih = Uph / (Rh + Rot + Ro).

V tomto případě se zpravidla i ve fázi návrhu při výběru materiálů pro případ, kdy R0 = 0, snaží dodržet podmínku: Rf>(Uph /Ihg)- Rh.

Hodnota Ihg se nazývá prahem nepostřehnutelného proudu, jehož hodnotu člověk nepocítí.

Docházíme k závěru: odpor dielektrické vrstvy všech živých částí vůči obrysu země určuje stupeň bezpečnosti elektrické instalace.

Z tohoto důvodu jsou všechny takové odpory normalizovány a hlášeny ze schválených tabulek. Za stejným účelem se nenormalizují samotné izolační odpory, ale svodové proudy, které jimi při zkouškách procházejí.

Krokové napětí

V elektrických instalacích může z různých důvodů dojít k nehodě, když se fázový potenciál přímo dotkne zemní smyčky. Pokud se na nadzemním elektrickém vedení zlomí jeden z vodičů pod vlivem různých typů mechanického zatížení, pak v tomto případě nastane podobná situace.

V tomto případě vzniká v místě kontaktu vodiče se zemí proud, který kolem místa kontaktu vytváří difúzní zónu - oblast, na jejímž povrchu se objevuje elektrický potenciál. Jeho hodnota závisí na závěrném proudu Ic a konkrétním půdním stavu r.

Osoba, která spadá do limitů této zóny, spadá pod vliv napětí Ushovy nohy, jak je znázorněno na levé polovině obrázku. Oblast difuzní zóny je ohraničena obrysem, kde není žádný potenciál.

Hodnota skokového napětí se vypočítá podle vzorce: Ush = Uz ∙ β1 ∙ β2.

Bere v úvahu fázové napětí v místě rozložení proudu — Uz, které je určeno koeficienty charakteristiky rozložení napětí β1 a vlivem odporů bot a nohou β2. Hodnoty β1 a β2 jsou publikovány v referenčních knihách.

Hodnota proudu procházejícího tělem oběti se vypočítá pomocí výrazu: Ih =(U3 ∙ β1 ∙ β2)/Rh.

Na pravé straně obrázku, v pozici 2, se oběť dostane do kontaktu se zemním potenciálem vodiče. Je ovlivněna potenciálním rozdílem mezi kontaktním bodem ruky a obrysem země, který je vyjádřen dotykovým napětím Upr.

V této situaci se proud vypočítá pomocí výrazu: Ih = (Uph.z. ∙α)/Rh

Hodnoty rozptylového koeficientu α se mohou lišit v rozmezí 0 ÷ 1 a berou v úvahu vlastnosti, které ovlivňují Upr.

V posuzované situaci platí stejné závěry jako při navázání jednofázového kontaktu s postiženým při běžném provozu elektroinstalace.

Pokud je osoba mimo aktuální zónu rozptýlení, nachází se v bezpečné zóně.