Електричний струм

Дія електричного струму на організм людини. Прохо­дячи через організм, електричний струм чинить термічну, електро­літичну, біологічну і механічну дії.

Термічна дія струму проявляється в опіках окремих діля­нок тіла, нагріванні кровоносних судин, нервів, крові тощо.

Електролітична дія струму проявляється в розпаді крові та інших органічних рідин організму і спричинює значне пору­шення їх фізико-хімічного складу.

Біологічна дія електричного струму проявляється в подраз­ненні та збудженні живих тканин організму. Ця дія супроводжу­ється невимушеними судомними скороченнями м'язів, у тому числі легенів і серця. Внаслідок цього виникають різні порушен­ня і навіть повне припинення дії органів кровообігу та дихання.

Механічна дія супроводжується розриванням м'язових та інших тканин, кровоносних судин внаслідок електродинаміч­ного ефекту.

Ці дії струму можуть спричиняти електричні травми: елект­ричні опіки, електричні знаки, металізацію шкіри, електроофтальмію і механічні пошкодження та електричні удари.

Електричні опіки виникають у місцях контакту поверхні тіла із струмопровідною частиною (контактний або струмовий опік) або при дії електричної дуги (дуговий опік), коли при більш високих напругах між струмопровідною частиною і тілом люди­ни утворюється електрична дуга (температура дуги вище ніж 3500 °С). При виділенні великої кількості теплоти опіки можуть

уражати не тільки шкіру, а й підшкірний жировий шар, м'язи, нерви і кістки. Такі опіки називаються глибинними, і зажива­ють дуже повільно. Опіки становлять близько 65 % місцевих електричних травм.

Розрізняють чотири ступеня опіків: 1 — почервоніння шкіри; 2 — утворення пухирів; 3 — омертвіння всієї товщини шкіри; 4 — звуглення тканини. Тяжкість ураження організму зумовлюється не ступенем опіків, а площею обпаленої поверхні тіла. Струмові опіки виникають при напругах не вище ніж 2 кВ і здебільшого є опіками першого і другого ступенів, часом бува­ють і тяжкі опіки. Дугові опіки, як правило, тяжкі — третього і четвертого ступенів.

Електричні знаки — це специфічні ураження шкіри люди­ни струмом, що проявляються у вигляді чітких плям сірого або блідо-жовтого кольору. На відміну від опіків знаки не виклика­ють больових відчуттів і лікування їх закінчується позитивно.

Металізація шкіри зумовлена проникненням в її верхній шар дрібних частинок металу, розплавленого електричною дугою. Уражена ділянка має жорстку поверхню, яка поступово набуває нормального вигляду і при цьому зникають больові від­чуття. Металізація шкіри може відбуватися при коротких зами­каннях, відключеннях рубильників під навантаженням та в інших випадках.

Електроофтальмія — ураження очей, зумовлене інтен­сивним ультрафіолетовим випромінюванням електричної дуги. Триває декілька днів, а в разі ураження рогової оболонки ліку­вання триваліше.

Механічні пошкодження виникають при судомному ско­роченні м'язів під дією струму (розриви шкіри, кровоносних судин і нервових тканин, вивихи суглобів, переломи кісток).

Електричний удар спричинює ураження внутрішніх тка­нин і органів (серця, легенів) внаслідок судомного скорочення м'язів під дією електричного струму. Найпоширенішими наслід­ками електричних ударів є параліч серця (80/ % смертельних випадків серед електротравм), фібриляція серця, тобто безладні швидкі скорочення його м'язів, при яких воно перестає працю­вати як насос (близько 20 % електротравм із смертельним кін­цем) і параліч легенів.

Електричний шок — своєрідна тяжка нервово-рефлекторна реакція організму на сильне подразнення електричним струмом, що супроводжується глибоким розладом кровообігу, дихання, обміну речовин тощо. Шоковий стан триває від кількох десятків хвилин до доби. Після цього може настати повне одужання, якщо своєчасно лікувати, або загибель організму через повну втрату життєво важливих функцій.

Небезпека ураження електричним струмом. Вона залежить від таких факторів: електричного опору тіла людини; значень напруги і сили струму, що проходить через тіло людини; тривалості дії електричного струму; шляхів струму через тіло людини; виду і частоти струму; умов зовнішнього середовища; індивідуальних особливостей людини.

Електричний опір тіла людини визначається опором шкіри, оскільки вона (шкіра) має найбільший опір електрич­ному струму.

Якщо шкіра чиста і непошкоджена, то опір тіла людини (виміряний при напрузі 15...20 В) коливається в межах від 3 до 100 кОм і більше, а опір внутрішніх шарів тіла становить тільки 300...500 Ом. Внутрішній опір тіла вважають активним і в ціло му опір тіла людини розглядають як активний. За розрахункову величину при змінному струмі промислової частоти використовують опір тіла людини, який дорівнює 1 кОм.

Пошкодження рогового шару шкіри (порізи, подряпини тощо) знижують опір тіла до 50 Ом і більше. В цьому разі збільшується небезпека ураження людини струмом.

Збільшується вона і в разі зволоження шкіри водою або потом. Забруднення шкіри шкідливими речовинами, що добре проводять електричний струм (пил, окалина), зменшує опір шкіри і збільшує силу струму, яким уражається людина.

На опір тіла впливає площа контактів, а також місце дотику. Найменший опір має шкіра обличчя, шиї, рук на ділянці вище долоні (особливо на стороні, що звернута до тулуба), під пахвами, тильні сторони кисті та інші ділянки. Шкіра долоні й підошов має опір, що в кілька разів перевищує опір шкіри та інших ділянок тіла.

Збільшення напруги і тривалості її дії зменшує опір тіла людини, тому що відбувається місцеве нагрівання шкіри, від цього розширюються

її судини, підсилюється постачання цієї ділянки кров'ю, збільшується потовиділення. Все це призводить до збільшення сили струму через тіло людини. Подальше збільшення напруги, прикладеної до тіла людини, зменшує опір шкіри в десятки разів і він стає рівним опору внутрішніх тканин (300...500 Ом). Це пояснюється електричним пробоєм рогового шару шкіри і збільшенням сили струму, що проходить через шкіру.

Зі збільшенням частоти струму опір тіла буде зменшуватись і при 10...20 кГц зовнішній шар шкіри практично не чинить опору електричному струму.

Сила електричного струму і напруга — основні чинники, що зумовлюють наслідок ураження електричним струмом. Напруга, що прикладається до тіла людини, впливає на ступінь ура­ження лише як параметр, який визначає силу струму, що прохо­дить через людину.

Порогові значення сили струму встановлюють залежно від його виду: відчутний струм; струм, що не відпускає і фібриляційний струм.

Електричний струм найменшої сили (змінний 0,6...1,5 мА при частоті 50 Гц, постійний 6...7 мА), що зумовлює відчутні людиною подразнення, називають пороговим відчутним струмом. Він може стати побічною причиною нещасного випадку, бо породжує мимовільні помилкові дії, що ускладнюють існуючу ситуацію (праця на висоті біля струмопровідних, рухомих частин тощо).

Пороговий струм, що не відпускає, проходячи через люди­ну, спричинює непереборні судомні скорочення м'язів і больові відчуття. Так, при силі змінного струму 10...15 мА, а постійного 50...70 мА, людина не в змозі перебороти корчі м'язів, розтиснути руку, якою торкається струмопровідної частини. Подальше збільшення сили струму посилює судомні скорочення м'язів і больові відчуття, поширює їх на велику ділянку тіла. Це утруднює дихальні рухи грудної клітки, звужує кровоносні судини, що призводить до підвищення артеріального тиску і навантаження на серце.

Змінний струм частотою 50 Гц і силою 100 мА, а постійний 300 мА, впливає безпосередньо на серцеві м'язи, і через 1...3 с від початку його дії виникає фібриляція серця. Внаслідок цього при­пиняється кровообіг і настає смерть. Цей струм називають фібриляцыйним,

ляційним, а найменше його значення — пороговим фібриляційним струмом. Змінний струм силою 100 мА і більше миттєво спричинює смерть від паралічу серця. Чим більше значення сили струму, що проходить через людину, тим більша небезпека ураження.

Тривалість дії електричного струму суттєво впливає на ступінь ураження. Тривала дія струму спричинює тяжкі, а іноді й смертельні ураження. Вплив цього фактора на ступінь ураження можна оцінити за емпіричною формулою, що дійсна в межах 0,1...1,0с. Тобто, чим менша тривалість, тим більшої сили струм буде небезпечний для людини:

I_h= 50/t, (4.19)

де I_h— струм, що проходить через тіло людини, мА; t— тривалість проходження струму, с.

Шлях струму через тіло людини має суттєве значення для наслідків ураження. Електричний струм може пройти через життєво важливі органи: серце, легені, головний мозок тощо.

Вплив шляху струму на наслідки ураження визначається також опором шкіри на різних ділянках тіла. Шляхи струму в тілі людини (табл. 4.16)називають петлями струму: рука—рука, рука—ноги, нога—нога тощо. Найнебезпечніші петлі голова—руки і голова—ноги, але ці петлі виникають відносно рідко.

Вид і частота електричного струму. Постійний струм у 4-5 разів безпечніший за змінний. Ця відмінність зникає при напрузі 250...300 В. При значніших напругах постійний струм небезпечніший, ніж змінний (з частотою 50 Гц).

Таблиця 4.16. Характеристика шляхів струму в тілі людини

Для змінного струму має значення також і його частота. З підвищенням частоти змінного струму повний опір тіла зменшується і це призводить до збільшення сили струму, який проходить через людину, що підвищує небезпеку ураження.

Найбільшу небезпеку становить струм частотою 50...100 Гц; з подальшим підвищенням частоти небезпека ураження зменшується і повністю зникає при частоті 450...500 кГц. Зниження небезпеки ураження струмом з підвищенням частоти спостерігається уже при 1...2 кГц.

Умови зовнішнього середовища та навколишні обставини можуть суттєво вплинути на можливість ураження електричним струмом.

Волога, струмопровідний пил, їдкі пари та гази руйнують електроізоляцію установок, висока температура повітря зменшує електричний опір людини, а це збільшує небезпеку ураження струмом.

Індивідуальні особливості людини значно впливають на наслідок ураження електричним струмом. Характер впливу струму залежить від маси людини і його фізичного розвитку. Фізично здорові люди легше переносять електричні удари.

Встановлено, що для жінок порогові значення сили струму приблизно в 1,5 раза нижчі, ніж для чоловіків.

Ступінь впливу струму залежить від стану нервової системи і всього організму. В стані збудження нервової системи, депресії, хвороби (особливо при захворюванні шкіри, серцево-судинної системи, нервової системи тощо) і алкогольного сп'яніння люди значно чутливіші до електричного струму.

Значну роль відіграє і "фактор уваги". Якщо людина підготовлена до електричного удару, то небезпека різко знижується, а несподівані удари призводять до більш важких наслідків.

Критерії безпеки електричного струму визначаються його силою залежно від шляху в тілі й тривалості дії. При тривалій дії допустимий безпечний струм силою 1 мА, при тривалості дії до ЗО с — 6 мА. При тривалості дії струму 1 с і менше значення його сили такі:

Тривалість дії, с 1,0 0,7 0,5 0,2

Сила струму, м А 50 70 100 250

Однак струми такої сили не можуть бути повністю безпечними, а вважаються практично допустимими з малою ймовірністю ураження на шляху рука—рука, рука—ноги і нога—нога.

Умови та основні причини ураження електричним струмом. Всі випадки ураження людини струмом внаслідок електричного удару можливі тільки під час замикання електричного кола через тіло людини, тобто під час дотикання людини не менше ніж до двох точок кола, між якими є деяка напруга. Типовими є два випадки замикання кола струму через тіло людини: коли людина торкається одночасно двох дротів і коли торкається одного дроту. Стосовно мережі змінного струму перша схема (рис. 4.10)має назву двофазного дотику, а друга (рис. 4.11)— однофазного. Двофазний дотик небезпечніший, бо тіло людини буде перебувати під лінійною напругою і тому через людину пройде струм більшої сили:

(4.20)

де U_л — лінійна напруга (напруга між фазними дротами мережі), В; U_ф — фаз­на напруга (напруга між початком і кінцем однієї обмотки або між фазними і нульовими дротами), В; R_h — опір тіла людини, Ом.

У мережі з лінійною напругою U_л = 380 В (U_ф= 220 В) при опорі тіла людини R_h= 1000 Ом сила струму через людину

І_h = 1,73*220/1000 = 380/1000 = 0,38 А = 380 мА.

Цей струм смертельний для людини.

Однофазний дотик відбувається значно частіше, ніж двофазний, але він менш небезпечний, оскільки напруга, під якою буде людина, не перевищує фазну, тобто в 1,73 раза менше від лінійної. Відповідно меншим буде і сила струму, що проходить через людину (220 мА), але і цей струм смертельно небезпечний для неї.

У процесі експлуатації електричних мереж та електроустановок можливе випадкове доторкання струмопровідних частин безпосередньо до землі, до струмопровідних конструкцій або до предметів, що не ізольовані від землі, яке називають замиканням на землю (рис. 4.12). Замикання супроводжується проходженням струму через землю, на поверхні з'являються потенціали. Зону землі, за межами якої електричний потенціал, зумовлений струмами замикання на землю, можна умовно вважати нульовим, називають зоною розтікання струму замикання на землю.

У разі замикання на землю небезпечними для людини є крокова напруга і напруга дотику. Крокова напруга U_к — це напруга між двома точками кола струму (А і В), на яких одночасно стоїть людина на відстані кроку S = 0,8 м. Ця напруга прямо пропорційна ширині кроку та обернено пропорційна відстані

Рис. 4.12. Схема розподілу потенціалів на поверхні землі при замиканні

струмопровідних частин безпосередньо на землю:

U_k. = ф_а - ф₆ — крокова напруга; ф_а - ф₆ — різниця потенціалів точок розміщен­ня ніг

до місця замикання на землю. З віддаленням від місця замикання небезпека напруги кроку зменшується.

У разі випадкового потрапляння в зону розтікання струму треба стулити ноги і не поспішаючи виходити з неї або "гусячим кроком" — п'ятку крокуючої ноги, не відриваючи від землі, приставляти до носка другої ноги (рис. 4.13) або в діелектричних ботах чи калошах.

Ураження при кроковій напрузіРис. 4.13. Переміщення в зоні

ускладнюється тим, що через крокової напруги

судомні скорочення м'язів ніг

людина може впасти, після чого коло струму замикається на її тіло. Крім того, зріст людини зумовлює більшу різницю потенціалів, прикладених до її тіла.

Основні причини ураження струмом можна об'єднати в такі групи:

1. Випадкове доторкання до струмопровідних частин, що перебувають під напругою.

2. Помилкові дії під час проведення робіт з установками, приладами, що перебувають під напругою.

3. Несправність захисних засобів, якими потерпілий доторкався до струмопровідних частин.

4. Поява електричної напруги на металевих частинах електрообладнання внаслідок пошкодження ізоляції струмопровідних частин його, замикання фази на землю і т. ін.

5. Поява напруги на вимкнутих струмопровідних частинах внаслідок помилкового ввімкнення вимкнутої установки, замикання між вимкнутими струмопровідними частинами, що перебувають під напругою, розряду блискавки.

6. Виникнення крокової напруги на поверхні ґрунту або підлоги, на якій стоїть людина, внаслідок замикання фази на землю, несправності заземлення.

Безпечність експлуатації електроустановок. Вона створюється такими технічними засобами, які використовуються

окремо або в поєднанні один з одним: вирівнюванням потенціалів; застосуванням малих напруг; електричним розділенням мереж; ізолюванням струмопровідних частин; замиканням на землю; застосуванням огороджувальних засобів, попереджувальної сигналізації, попереджувальних знаків безпеки; блокуванням; використанням засобів захисту і запобіжних пристроїв (при нормальному режимі роботи). В аварійному режимі рекомендуються захисне заземлення, занулення, захисне вимкнення, додаткова (подвійна) ізоляція, застосування запобіжників.

Мала напруга — це номінальна напруга, що не перевищує 42 В. її застосовують, щоб зменшити небезпеку ураження електричним струмом. У виробничих умовах передбачають дві малі напруги — 12 і 36 В.

Напруга до 12 В має застосовуватись для живлення ручних переносних ламп в особливо небезпечних приміщеннях при особливо небезпечних умовах роботи.

Напругу від 12 до 36 В застосовують у приміщеннях з підвищеною небезпекою і особливо небезпечних, а також поза приміщеннями для живлення ручного електрифікованого інструменту, пересувних світильників.

Електрична ізоляція — це шар діелектрика або конструкція, виконана з діелектрика. Шаром діелектрика покривають струмопровідні елементи, а конструкцією відокремлюють їх від інших конструктивних частин. Ізоляція має великий опір, що перешкоджає проходженню через неї струмів значної сили. В електроустановках застосовують такі види ізоляції: робочу, додаткову, подвійну і підсилену. Робоча — це ізоляція струмопровідних частин, що забезпечує нормальну роботу електроустановки і захист від ураження електричним струмом. Додатковою називають ізоляцію, передбачену для того, щоб захистити працівника від ураження електричним струмом у разі пошкодження робочої. Робоча і додаткова ізоляції утворюють подвійну ізоляцію, яку застосовують для електрообладнання незначної потужності — електрифікованого ручного інструменту, побутових приладів, ручних переносних пристроїв. Для прикладу на рис. 4.14 показано електроінструмент з подвійною ізоляцією. Підсилена — це поліпшена робоча ізоляція, що забезпечує такий же ступінь захисту, як і подвійна.

Стан ізоляції характеризується трьома параметрами: електричною міцністю, електричним опором і діелектричними втратами. Параметри ізоляції погіршуються з підвищенням температури, прикладеної напруги і внаслідок старіння. Стан ізоляції контролюють згідно з нормами і в терміни, встановлені правилами. Опір ізоляції силових та освітлювальних електроприладів має бути не менше ніж 0,5 МОм.

Захисне заземлення — це електричне з'єднання із землею або її еквівалентом металевих неструмопровідних частин, що можуть потрапляти під напругу (рис. 4.15). Заземлення є ефективним засобом захисту для електрообладнання, що живиться напругою до 1000 В від мереж з ізольованою нейтраллю і напругою

Рис. 4.15. Принципова

Схема захисного заземлення

понад 1000 В з будь-яким пристроєм нейтралі джерела живлення. Захисному заземленню підлягають металеві частини електроустановок, що доступні для дотику людини і не мають захисту інших видів.

Заземлювачі можуть бути природні й штучні. Природні заземлювачі — це металеві конструкції та арматура залізобетонних конструкцій, що мають з'єднання із землею, труби артезіанських колодязів, металеві оболонки кабелів тощо. Штучні заземлювачі — це спеціальні металоконструкції. Матеріалом для заземлювачів є сталь. У разі наявності агресивних ґрунтів (лужних, кислих), в яких заземлювачі піддаються корозії, використову­ють мідь, а також обміднений або оцинкований метал.

Занулення — це електричне з'єднання з нульовим захисним провідником металевих неструмопровідних частин, що можуть виявитися під напругою (рис. 4.16). Захисний ефект занулення полягає в зменшенні тривалості замикання на корпус і, як наслідок, у зниженні тривалості дії електричного струму на людину. При зануленні пошкоджена установка швидко відключається від мережі.

Принцип дії занулення — перетворення замикання на корпус в однофазне коротке замикання для того, щоб утворився струм значної сили, здатний забезпечити спрацювання захисту і тим самим відключити пошкоджену установку від мережі живлення. Таким захистом можуть бути плавкі запобіжники, магнітні

Рис. 4.16. Принципова схема занулення електроустановки:

R_n – опір повторного заземлен-ня мережі

пускачі із вбудованим тепловим захистом, автомати, що здійснюють захист одночасно від струменів короткого замикан­ня і від перенавантаження.

Захисне вимкнення — швидкодіючий захист, що забезпечує автоматичне вимкнення електроустановки в разі виникнення в ній небезпеки ураження людини електричним струмом (рис. 4.17). Такий захист швидко (0,1...2,0 с) вимикає аварійну ділянку або мережу при однофазному замиканні на землю або на елементи електрообладнання, що ізольовані від землі, а також при дотику людини до частин, що перебувають під напругою.

Рис. 4.17. Принципова схема

захисного вимкнення:

1 — заземлення; 2 — автоматичний вимикач; КВ — котушка вимикання; РН — автоматичне реле напруги; R_з — опір захисного заземлення; R_д — опір допоміжного заземлення

Захисне вимкнення може бути доповненням до систем заземлення і занулення, а також як один з основних засобів захисту.

Електрозахисні засоби і запобіжні пристрої — це пересувні та перевізні засоби, що призначені для захисту людей від ураження електричним струмом.

За призначенням електрозахисні засоби поділяють на ізолювальні, огороджувальні й додаткові.

Ізолювальні електрозахисні засоби призначені для захисту людини від частин електрообладнання під напругою, а також від землі. Вони бувають (рис. 4.18) основні й допоміжні. Основні ізолювальні електрозахисні засоби надійно витримують робочі напруги електроустановок, за їх допомогою дозволяється торкатися струмопровідних частин, що перебувають під напругою. При обслуговуванні електроустановок напругою до 1000 В основними ізолювальними засобами є оперативні штанги, ізолювальні та струмовимірювальні обценьки, покажчики напруги, інструменти з
ізольованими ручками.

Рис. 4.18. Основні й допоміжні захист засоби

для роботи з електроустановками:

1 — ізолювальні обценьки; 2 — ізолювальна штанга; 3 — покажчик напруги; 4 — струмовимірювальні обценьки; 5 — слюсарно-монтажний інструмент з ізолювальними ручками; 6 — діелектричні рукавички; 7 — діелектричні боти; 8 — діелектричні калоші; 9 — діелектричні килимки; 10 — ізолювальні підставки

Допоміжні засоби застосовують у поєднанні з основними, тому що самостійно вони не убезпечують персонал. До них належать діелектричні калоші, боти, ізолювальні підставки і гумові діелектричні килимки, діелектричні рукавиці.

Огороджувальними засобами тимчасово огороджують струмопровідні частини, які перебувають під напругою. Це ширми, щити, бар'єри, ізолювальні накладки і ковпаки, пересувні заземлення, попереджувальні пересувні плакати.

Додаткові засоби убезпечують персонал від падіння з висоти (запобіжні пояси і страхувальні канати), під час підіймання на висоту (сходи, драбини), а також захищають від теплових, світлових, хімічних та інших дій (спецодяг, рукавиці, протигази, захисні окуляри тощо).