Оглавление
Цель этой статьи — уделить должное внимание к вопросам электробезопасности. Во многих учебниках эта тема либо вовсе опускается, либо затрагивается поверхностно. Между тем, раз читатели сайта практически взаимодействуют с электричеством, то знание правил безопасности будет критически важным. А издатели, которые не уделяют внимания этим вопросам с первых глав, лишают читателя информации, от которой может зависеть его здоровье и жизнь.
Кроме того, подробный разбор электрической безопасности помогает лучше понять ключевые технические термины: напряжение, ток, сопротивление, основы проектирования схем. Чем ближе тема к реальной жизни, тем выше интерес к ней и тем глубже понимание. А что может быть актуальнее, чем ваша собственная безопасность? К тому же, поскольку электричество — неотъемлемая часть современной жизни, большинство легко смогут понять приведённые примеры.
Физиологическое действие электричества
Большинство из нас испытывали какую-либо форму электрического удара, когда напряжение заставляет тело испытывать боль или даже получать травму. Если повезет, то степень этого опыта ограничивается покалыванием или болевым всплеском от статического электричества, разряжающегося через тело. Но когда работаем с электрическими цепями, способными передавать большую мощность на нагрузки, электроудар становится гораздо более серьезной проблемой, и боль является далеко не самым страшным результатом.
- Поскольку электроток проходит через материал, любое противодействие этому потоку электронов (сопротивление) приводит к рассеиванию энергии, обычно в форме тепла. Это самое простое и понятное воздействие электричества на живую ткань: оно заставляет ее нагреваться. Если количество вырабатываемого тепла велико, ткань может сгореть. Эффект физиологически такой же, как и повреждение, вызванное открытым пламенем или другим высокотемпературным источником тепла, за исключением того, что электричество способно сжигать ткани глубоко под кожей, даже внутренние органы.
- Другое воздействие тока на организм, самое значительное с точки зрения опасности, касается нервной системы (сеть специальных клеток в организме, называемых нервными клетками или нейронами, которые обрабатывают и проводят множество сигналов, ответственных за регуляцию многих функций). Мозг головной, спинной и сенсорно-моторные органы функционируют вместе, позволяя чувствовать, двигаться, реагировать, думать и помнить.
Нервные клетки общаются друг с другом, выступая в качестве преобразователей: создавая электрические сигналы (очень слабые) в ответ на ввод определенных химических соединений, называемых нейротрансмиттерами, и высвобождая их при стимуляции электрическими сигналами. Если электроток достаточной величины проходит через живое существо (человека или иное), его эффект будет заключаться в том, чтобы перекрыть крошечные электрические импульсы, обычно генерируемые нейронами, перегружая нервную систему и не давая как рефлекторным, так и волевым сигналам приводить в действие мышцы. Мышцы, вызванные внешним (шоковым) током, будут непроизвольно сокращаться, и жертва ничего не сможет с этим поделать.
Эта проблема особенно опасна, если человек касается проводника под напряжением руками. Мышцы предплечья, отвечающие за сгибание пальцев, развиты лучше чем мышцы, отвечающие за разгибание, и поэтому если обе группы мышц попытаются сократиться из-за электровоздействия, то сгибающие мышцы победят, сжав пальцы в кулак. Если проводник, подающий ток к жертве, обращен к ладони руки, это сжимающее действие заставит руку крепко схватить провод, тем самым ухудшая ситуацию, обеспечивая отличный контакт с проводом. Человек будет совершенно неспособен отпустить провод.
В медицине это состояние непроизвольного сокращения мышц называется судорогой. Электрики, знакомые с этим эффектом знают, что его можно прервать, только прекратив прохождение тока через тело. Но даже когда он прекращается, жертва может не вернуть контроль над мышцами в течение некоторого времени, поскольку химия нейротрансмиттеров была нарушена. Этот принцип был применен в устройствах типа «электрошокер», таких как тазеры, которые действуют поражая высоковольтным импульсом, подаваемым между двумя электродами. Правильно нанесенный удар имеет эффект временной (на несколько минут) иммобилизации жертвы.
Вот только электроток способен воздействовать не только на скелетные мышцы у пострадавшего от шока. Диафрагмальная мышца, контролирующая легкие, и сердце — которое само по себе является мышцей — также могут быть «заморожены» в состоянии ступора электротоком. Даже значения, слишком слабые, чтобы вызвать ступор, часто способны достаточно сильно нарушить сигналы нервных клеток, чтобы сердце не могло нормально биться, отправляя его в состояние, известное как фибрилляция. Такое сердце трепещет, а не бьется, и неэффективно перекачивает кровь к жизненно важным органам тела. В любом случае смерть от удушья или остановки сердца наверняка наступит в результате достаточно сильного электрического тока через тело.
Данный факт приводит нас к другой опасности поражения электричеством, которое свойственно общественным энергосистемам, использующим переменный ток, или проще говоря AC. Технические причины предпочтения переменного над постоянным в не имеют отношения к этому обсуждению, но особые опасности каждого вида электроэнергии важны для темы электробезопасности.
То, как AC влияет на организм, во многом зависит от частоты. Низкочастотный (50) может быть опаснее высокочастотного и в несколько раз опаснее постоянного того же напряжения и ампеража. Низкочастотный вызывает длительные сокращения мышц (тетанию), которые могут «приклеить» руку к источнику, продлевая воздействие. Постоянный ток (DC), скорее всего, вызовет единичное судорожное сокращение, которое часто заставляет жертву лишь отскочить от него.
Переменная природа AC имеет большую тенденцию приводить нейроны ритма сердца в состояние фибрилляции, тогда как постоянный просто останавливает сердце. После того, как разряд отключен, «застывшее» сердце имеет больше шансов восстановить нормальный ритм, чем фибрилляционное. Вот почему дефибрилляционное оборудование, используемое медиками скорой помощи, иногда работает: толчок тока, подаваемый дефибриллятором, является постоянным, который останавливает фибрилляцию и дает сердцу шанс восстановить ритм.
В любом случае, электротоки, достаточно сильные, чтобы вызвать непроизвольное мышечное движение, опасны и их следует избегать любой ценой.
Путь протекания энергии
Электричество требует полного пути (цепи) для непрерывного течения. Вот почему удар, полученный от статики, является лишь кратковременным импульсом: поток электронов обязательно кратковременный, пока статические заряды выравниваются между двумя объектами. Удары самоограничивающейся длительности, подобные этому, редко бывают опасными.
Без двух точек контакта на теле для входа и выхода тока, соответственно, нет опасности поражения. Вот почему птицы могут спокойно отдыхать на высоковольтных линиях электропередач, не подвергаясь электроудару: они контактируют с цепью только в одной точке, не хватаясь лапами за разные провода.
Для того чтобы электроны могли течь через проводник, должно присутствовать напряжение, чтобы толкать их. Оно всегда относительно между двумя точками. Не существует такого понятия, как напряжение в одной точке цепи, и поэтому птица, контактирующая с одним проводом не имеет потенциала, приложенного к ее телу, чтобы установить ток через нее. Когда они стоят на двух ногах, обе ноги касаются одного и того же провода, что делает их электрически общими. С точки зрения электрики, обе ноги птицы касаются одной и той же точки, следовательно, между ними нет разницы потенциала, чтобы создавать ток через тело.
Это может заставить кого-то поверить, что невозможно получить удар, прикоснувшись только к одному проводу. Как и птицы мы будем в безопасности, верно? К сожалению, это не так. В отличие от птиц, люди обычно стоят на земле, когда касаются проводов. Во многих случаях одна сторона схемы электропитания будет намеренно подключена к заземлению, и поэтому человек, касающийся одного провода, на самом деле устанавливает контакт между двумя точками в цепи (проводом и заземлением):
Символ заземления — это набор из трех горизонтальных полос уменьшающейся ширины, расположенных в нижнем левом углу схемы, а также у ноги человека. В реальной жизни заземление системы электропитания состоит из какого-то металлического проводника, зарытого глубоко в землю для обеспечения максимального контакта с ней. Этот провод электрически соединен с соответствующей точкой соединения на схеме толстым проводом. Заземление человека осуществляется через ноги, которые касаются земли.
Но если наличие точки заземления в цепи обеспечивает легкую точку контакта для удара, зачем она вообще? Разве цепь без заземления не была бы безопаснее? А ещё человек, которого бьет током, не стоит босиком. Если резина и ткань являются изолирующими материалами, то почему их обувь не защищает их, размыкая цепь?
Отвечаем: наличие преднамеренной точки «заземления» в электроцепи призвано гарантировать, что одна ее сторона безопасна для контакта. Обратите внимание, что если бы человек на схеме коснулся нижней стороны резистора, ничего бы не произошло, даже если бы ноги все еще контактировали с землей:
Поскольку нижняя сторона цепи прочно соединена с землей через точку заземления, нижний проводник цепи становится электрически общим с землей. Поскольку между электрически общими точками не может быть напряжения, то и на человека, контактирующего с нижним проводом, не будет подаваться вольтаж, и он не получит электроудар. По той же причине провод, соединяющий цепь с заземляющим металлом, обычно остается голым (без изоляции), так что любой металлический предмет, которого он касается, также будет электрически общим с землей.
Заземление цепи гарантирует, что хотя бы одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения. Но что если оставить цепь полностью незаземленной? Разве это не сделает касание только одного провода, таким же безопасным, как у птицы, сидящей на линии? В идеале да. Практически нет.
Несмотря на то, что ноги все еще соприкасаются с землей, любая точка в цепи должна быть безопасной для прикосновения. Поскольку не существует полного пути (цепи), образованного через тело человека от нижней стороны источника напряжения до верхней, нет возможности для тока пройти через него. Но все это может измениться при случайном заземлении, например, когда ветка дерева касается линии электропередачи и обеспечивает соединение с землей:
Такое случайное соединение называется замыканием на землю. Замыкания могут быть вызваны многими причинами, включая накопление грязи на изоляторах линий электропередач (создание пути грязной воды для течения от проводника к столбу и к земле, когда идет дождь), просачивание грунтовых вод в закопанных проводниках линий и так далее. Учитывая множество причин замыканий на землю, они, как правило, непредсказуемы. В случае деревьев никто не может гарантировать, какого провода могут коснуться их ветви. Если бы дерево задела верхний провод в цепи, это сделало бы его безопасным для прикосновения, а нижний — опасным — как раз наоборот предыдущему сценарию, когда дерево контактирует с нижним проводом.
При контакте ветки дерева с верхним проводом он становится заземленным проводником в цепи, электрически общим с ней. Поэтому между этим проводом и землей нет напряжения, но есть полное (высокое) напряжение между нижним проводом и землей. А ветви деревьев являются лишь одним потенциальным источником замыканий на землю в энергосистеме. Рассмотрим незаземленную энергосистему без соприкасающихся деревьев, но на этот раз с двумя людьми, касающимися отдельных проводов.
Когда каждый человек стоит на земле, соприкасаясь с разными точками цепи, путь для ударного тока прокладывается через одного человека, через землю и через другого. Хотя каждый думает, что он в безопасности, касаясь только одной точки цепи, их совместные действия создают опасный сценарий. По сути, один человек действует как замыкание на землю, что делает его небезопасным для другого. Именно поэтому незаземленные схемы опасны: потенциал между любой точкой цепи и землей непредсказуем, потому что замыкание на землю может возникнуть в любой точке цепи в любое время. Единственный кто гарантированно будет в безопасности в этих сценариях, — это птица, у которой вообще нет соединения с заземлением! Прочно подключив обозначенную точку цепи к заземлению, можно гарантировать безопасность, по крайней мере, в этой одной точке. Короче это безопаснее, чем полное отсутствие заземления.
В ответ на второй вопрос, обувь на резиновой подошве действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, помогающую защитить кого-либо от проведения тока через ноги. Вот только большинство распространенных моделей обуви не предназначены для того, чтобы быть изоляторами, их подошвы слишком тонкие и не из нужного материала. Кроме того, любая влага, грязь или токопроводящие соли от пота на поверхности или через подошвы обуви поставят под угрозу то небольшое изолирующее значение, которое изначально имела обувь. Есть обувь, специально предназначенная для опасных электроработ, а также толстые резиновые коврики, предназначенные для того, чтобы стоять на них во время работы с цепями под напряжением, но эти специальные элементы экипировки должны быть в абсолютно чистом, сухом состоянии, чтобы быть эффективными. Так что обычной обуви недостаточно, чтобы гарантировать защиту от поражения электротоком от сети.
Исследования, проведенные по контактному сопротивлению между частями человеческого тела и точками соприкосновения (например, с землей), показывают широкий диапазон цифр:
- Контакт с рукой или ногой, изолированной резиной: типичное сопротивление 20 МОм.
- Контакт стопы через кожаную подошву ботинка (сухую): от 100 кОм до 500 кОм
- Контакт ноги через кожаную подошву ботинка (мокрая): от 5 кОм до 20 кОм
Как видите, резина является гораздо лучшим изоляционным материалом, чем кожа, да и присутствие воды в пористом веществе, таком как кожа, значительно снижает электрическое сопротивление.
Некоторые поверхности грунта являются лучшими изоляторами, чем другие. Например, асфальт, будучи на основе нефти, имеет гораздо большее сопротивление, чем большинство форм грязи или камня. Бетон, с другой стороны, имеет тенденцию иметь довольно низкое сопротивление из-за своего внутреннего содержания воды и электролита (проводящего химиката).
Закон Ома и расчёт воздействия
Распространенная фраза, которую можно услышать в отношении электробезопасности, звучит так: Убивает не напряжение, а ток! Хотя в этом есть доля правды, об опасности поражения электричеством нужно понимать больше, чем эта простая поговорка. Если бы напряжение не представляло опасности, никто бы не вывешивал знаки с надписью: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ — ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!
Принцип, что «ток убивает», конечно верен. Именно электроток сжигает ткани, парализует мышцы и вызывает фибрилляцию сердца. Но он не возникает сам по себе: должно быть напряжение, чтобы заставить электроны потечь через жертву. Тело человека также оказывает сопротивление току, что также необходимо учитывать. Принимая закон Ома и выражая его через ток для заданного напряжения и сопротивления, получаем следующее уравнение:
I = U / R
Количество тока через тело равно количеству напряжения, приложенного между двумя точками на этом теле, деленного на электрическое сопротивление, оказываемое телом между этими двумя точками. Очевидно, что чем больше напряжение, заставляющее электроны течь, тем легче они будут проходить через заданное сопротивление. Отсюда опасность высокого напряжения: оно означает потенциал для большого количества ампер через ваше тело, который может покалечить или убить. И наоборот, чем больше сопротивление тело оказывает току, тем медленнее будут течь электроны для заданного количества напряжения. То, насколько оно опасно, зависит от того, какое общее сопротивление в цепи противодействует потоку электронов.
Сопротивление кожи не является фиксированной величиной. Оно меняется от человека к человеку и время от времени. Существует даже метод измерения жира в организме, основанный на измерении электро-сопротивления между пальцами ног и рук. Разные проценты жира в организме обеспечивают разное сопротивление: всего лишь одна переменная, и это влияющая на сопротивление в организме. Для того чтобы метод работал точно, человек должен регулировать потребление жидкости в течение нескольких часов до теста, что указывает на то, что гидратация организма является еще одним фактором, влияющим на электро-сопротивление тела.
Оно также меняется в зависимости от того, как происходит контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от ноги к ноге, от руки к локтю и так далее. Пот, богатый солями и минералами, выступает отличным проводником. То же самое относится и к крови, в которой содержится такое же высокое количество проводящих химических веществ. Поэтому контакт с проводом, сделанным потной рукой или открытой раной, окажет гораздо меньшее сопротивление, чем контакт с чистой сухой кожей (а значит будет опаснее). Сопротивление меньше, когда сжимаем провода плотно, и больше, когда держать их свободно.
Какой по величине ток вреден? Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Индивидуальная химия тела оказывает значительное влияние на то, как электроток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к нему, испытывая непроизвольное сокращение мышц при ударах статического электричества. Другие могут почти не чувствовать этого, не говоря уже о том, чтобы испытывать мышечный спазм. Несмотря на данные различия, были разработаны приблизительные рекомендации с помощью тестов, которые показывают, что для проявления вредных эффектов требуется очень мало ампер.
| Воздействие на тело | Постоянный | 50 Гц переменный | 10 кГц переменный |
|---|---|---|---|
| Легкое ощущение (рукой) | |||
| Мужчины | 1,0 мА | 0,4 мА | 7 мА |
| Женщины | 0,6 мА | 0,3 мА | 5 мА |
| Порог восприятия | |||
| Мужчины | 5,2 мА | 1,1 мА | 12 мА |
| Женщины | 3,5 мА | 0,7 мА | 8 мА |
| Боль, но контроль мышц сохраняется | |||
| Мужчины | 62 мА | 9 мА | 55 мА |
| Женщины | 41 мА | 6 мА | 37 мА |
| Болезненно, невозможно отпустить провода | |||
| Мужчины | 76 мА | 16 мА | 75 мА |
| Женщины | 51 мА | 10,5 мА | 50 мА |
| Сильная боль, затруднено дыхание | |||
| Мужчины | 90 мА | 23 мА | 94 мА |
| Женщины | 60 мА | 15 мА | 63 мА |
| Возможная фибрилляция сердца (через 3 сек) | |||
| Мужчины и женщины | 500 мА | 100 мА | — |
В Калифорнийском университете проводилось исследование телесных эффектов сублетального электрического тока. Метод тестирования был следующим: здоровых добровольцев просили держать медный провод в одной руке и положить другую руку на круглую латунную пластину. Затем между проводом и пластиной подавалось напряжение, заставляя электроны течь через руки и грудь испытуемого. Ток останавливался, затем возобновлялся на более высоком уровне. Целью здесь было увидеть, какой уровень может выдержать испытуемый и все еще держать свою руку прижатой к латунной пластине. Когда этот порог был достигнут, лаборанты с силой удерживали руку испытуемого в контакте с пластиной, и ампераж снова увеличивался. Испытуемого просили отпустить провод, который он держал, чтобы увидеть, при каком уровне непроизвольное сокращение мышц не позволит ему сделать это. Для каждого испытуемого эксперимент проводился с использованием постоянного и переменного тока на различных частотах. В испытаниях приняли участие более 20 мужчин и женщин, а позднее исследования фибрилляции сердца проводились с участием животных.
Имейте в виду, что эти цифры приблизительны, так как люди с разной химией тела будут реагировать по-разному. Было высказано предположение, что ток через грудь всего в 17 миллиампер AC достаточен, чтобы вызвать фибрилляцию при определенных условиях. Большая часть данных относительно индуцированной фибрилляции получена в результате испытаний на животных. Очевидно, что проводить испытания на людях нецелесообразно, поэтому имеющиеся данные отрывочны.
Предположим, две руки (сопротивление тела 1 МОм) взялись за клеммы источника переменного напряжения с частотой 50 Гц. Какое значение необходимо в этом чистом, сухом состоянии кожи, чтобы создать ток силой 20 миллиампер (достаточно, чтобы не смогли отпустить источник напряжения)? Можем использовать закон Ома (U = I х R), чтобы определить это:
U = IR
U = 20 mA х 1 MΩ
U = 20 000 вольт, или 20 кВ
Конечно это идеальный случай (чистая, сухая кожа) с точки зрения электробезопасности, и что эта цифра для напряжения представляет собой величину, необходимую для того, чтобы вызвать ступор. Для того, чтобы вызвать болезненные ощущения потребуется гораздо меньше! Также имейте в виду, что физиологические эффекты любого конкретного количества тока могут значительно различаться у разных людей, и что эти расчеты являются лишь примерными.
Смочив пальцы водой, сопротивление руки снизится до 15 кОм. Пересчитав вольтаж, необходимый для возникновения тока в 20 миллиампер, получаем совсем другую цифру:
U = IR
U = 20 мА х 15 кОм
U = 300 вольт
В этом, уже более реалистичном сценарии, потребовалось всего 300 вольт потенциала от одной из рук к другой, чтобы вызвать опасный уровень в 20 миллиампер. Но при условии гораздо более низкого значения сопротивления тела, усиленного контактом с кольцом на пальце или полного контакта с большим металлическим предметом, таким как труба или металлическая ручка инструмента, значение сопротивления тела может упасть до 1 кОм, что позволяет даже более низкому напряжению представлять потенциальную опасность:
U = IR
U = 20 мА х 1 кОм
U = 20 вольт
Видите, в этом состоянии всего 20 вольт достаточно, чтобы вызвать ток силой 20 миллиампер через тело. Помните, было высказано предположение, что всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении руки к руке в 1000 Ом для создания этого опасного состояния потребуется всего 17 вольт:
U = IR
U = 17 мА х 1 кОм
U = 17 вольт
Семнадцать вольт — это совсем ничего, если говорить об электросхемах. Конечно, это худший сценарий с напряжением 50 Гц и отличной проводимостью тела, но он показывает, что даже малое значение может представлять угрозу при определенных условиях.
Условия, необходимые для создания сопротивления тела в 1 кОм, не обязательно должны быть такими экстремальными, как те, что были представлены (вспотевшая кожа при контакте с золотым кольцом). Сопротивление тела может уменьшаться при приложении потенциала (когда заставляет жертву сильнее сжимать проводник), так что при постоянном напряжении удар может усилиться после первоначального контакта. То, что начинается как слабый удар — просто достаточное чтобы «приклеить» жертву к металлу и она не могла отпустить — может перерасти в нечто серьезное, чтобы даже убить ее, поскольку сопротивление тела уменьшается, а амперы соответственно увеличиваются.
Вот таблица, показывающая приблизительное сопротивление тела человека при различных условиях контакта:
| Условие контакта | Сухое состояние (Ом) | Влажное (Ом) |
|---|---|---|
| Прикосновение пальцем к проводу | 40 000 – 1 000 000 | 4 000 – 15 000 |
| Удержание провода рукой | 15 000 – 50 000 | 3 000 – 5 000 |
| Металлические плоскогубцы в руке | 5 000 – 10 000 | 1 000 – 3 000 |
| Контакт с ладонью руки | 3 000 – 8 000 | 1 000 – 2 000 |
| Металлическая труба, удерживаемая одной рукой | 1 000 – 3 000 | 500 – 1 500 |
| Та же труба, удерживаемая двумя руками | 500 – 1 500 | 250 – 750 |
| Рука, погруженная в проводящую жидкость | — | 200 – 500 |
| Стопа, погруженная в проводящую жидкость | — | 100 – 300 |
Итого, электро-сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади соприкосновения, при прочих равных условиях. Когда две руки держат трубку, у электронов есть два параллельных пути, по которым они могут течь от трубы к телу и наоборот.
В промышленности 30 вольт обычно считается пороговым значением для опасного напряжения. Осторожный пользователь должен считать любое значение выше 30 вольт угрозой, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара. В любом случае лучше держать руки чистыми и сухими, а также снимать все металлические украшения при работе с электрикой. Даже при более низком металлические украшения могут представлять опасность, проводя достаточно тока, чтобы обжечь кожу, если они соприкоснутся между двумя точками цепи. Кроме того, напряжение ниже 30 В может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятное ощущение, которое может заставить дернуться и случайно соприкоснуться с более высоким напряжением или какой-либо другой опасностью.
Знакомый однажды работал с автомобилем в жаркий летний день. Был в шортах, голая нога касалась хромированного бампера авто, когда затягивал соединения аккумулятора. И при касании металлическим ключом плюсовой стороны 12-вольтовой батареи, почувствовалось заметное покалывание в точке, где нога касалась корпуса. Сочетание прочного контакта с металлом и потной кожи позволило почувствовать удар всего лишь при 12 вольтах потенциала!
Да, ничего плохого не произошло, но если бы двигатель работал и рефлекторно дернулась рука в сторону вращающегося вентилятора или уронили металлический ключ на клеммы аккумулятора (что привело бы к возникновению кучи искр)? Это еще один важный урок относительно электробезопасности: ток может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас подпрыгнуть или дернуться в опасную зону.
Путь, по которому ток проходит через тело, определяет, насколько он вреден. Он повлияет на любые мышцы, находящиеся на его пути, и поскольку сердечные и легочные (диафрагмальные) мышцы, являются наиболее важными для выживания, пути тока, проходящие через грудную клетку станут наиболее опасными. Это делает прохождение через руки, весьма вероятным способом получения травм и летального исхода.
Чтобы избежать такого случая, рекомендуется использовать только одну руку для работы с цепями под опасным напряжением, держа другую руку в кармане, чтобы случайно ничего не коснуться. Конечно, всегда безопаснее работать с сетью, когда она обесточена, но это не всегда возможно. Для работы одной рукой правая предпочтительнее левой по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), а сердце обычно расположено слева от центра груди.
Лучшая защита от электроудара цепи под напряжением — это сопротивление, которое можно добавить к телу с помощью изолированных инструментов, перчаток, ботинок и другого защитного снаряжения. Ток в цепи — это функция доступного напряжения, деленная на общее сопротивление на пути потока:
Теперь рассмотрим эквивалентную схему для человека в толстых перчатках и ботинках:
Поскольку ток должен пройти через ботинок, тело и перчатку, чтобы замкнуть цепь обратно к батарее, общая сумма этих сопротивлений препятствует потоку электронов в большей степени, чем любое из сопротивлений, рассматриваемых по отдельности.
Безопасность — одна из причин, по которой электрические провода обычно покрываются пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить величину сопротивления между проводником и тем, кто может к ним прикоснуться. К сожалению, было бы непомерно дорого заключать проводники линий электропередач в изоляцию, чтобы обеспечить безопасность в случае случайного контакта, поэтому безопасность поддерживается путем размещения их достаточно высоко, чтобы никто не мог случайно к ним прикоснуться.
Безопасные методы работы
Если возможно, отключите питание перед выполнением любых работ. Вы должны обезопасить все источники энергии, прежде чем система будет считаться безопасной для работы. В промышленности обеспечение безопасности цепи, устройства или схемы в таком состоянии обычно известно как перевод ее в состояние нулевой энергии. Это означает избавление её от любого вида потенциальной или накопленной энергии, включая, помимо прочего:
- Опасное напряжение
- Давление пружины
- Гидравлическое (жидкостное) давление
- Пневматическое (воздушное) давление
- Подвешенный вес
- Химическая энергия (легковоспламеняющиеся вещества)
- Ядерная энергия (радиоактивные вещества)
Напряжение по своей природе является проявлением потенциальной энергии. Пара высоковольтных проводов не выглядят опасно, хотя они несут между собой достаточно потенциальной энергии, чтобы пропустить через тело смертельные количества тока. Даже если это напряжение в настоящее время ничего не делает, у него есть потенциал, и этот потенциал должен быть нейтрализован, прежде чем можно будет безопасно контактировать с этими проводами.
Все правильно спроектированные цепи имеют механизмы разъединительных выключателей для защиты напряжения от цепи. Иногда эти разъединители выполняют двойную функцию автоматического размыкания при условиях чрезмерного тока, в этом случае мы называем их автоматическими выключателями. В других случаях они являются строго ручными устройствами без автоматической функции. В любом случае они существуют для вашей защиты и должны использоваться надлежащим образом. Обратите внимание, что разъединительное устройство должно быть отделено от обычного выключателя, используемого для включения и выключения. Это предохранительный выключатель, который следует использовать только для защиты схемы в состоянии нулевой энергии:
При разомкнутом положении выключателя цепь разорвана, и ток отсутствует. Напряжение на нагрузке будет нулевым, а полное напряжение источника будет падать на разомкнутых контактах выключателя. Обратите внимание, что нет необходимости в разомкнутом выключателе в нижнем проводнике цепи. Поскольку эта сторона цепи прочно соединена с землей (заземлением), она электрически общая с ней и лучше всего оставить ее такой. Для максимальной безопасности персонала, работающего с нагрузкой этой цепи, можно установить временное заземляющее соединение на верхней стороне нагрузки, чтобы гарантировать, что оно никогда не упадет на нагрузке. При наличии временного заземляющего соединения обе стороны нагрузочной проводки подключаются к земле, обеспечивая состояние нулевой энергии на нагрузке.
Поскольку заземление, выполненное с обеих сторон нагрузки, электрически эквивалентно короткому замыканию нагрузки с помощью провода, это еще один способ достижения той же цели максимальной безопасности:
В любом случае обе стороны нагрузки будут электрически общими с землей, что не допускает наличия напряжения (потенциальной энергии) между любой из сторон нагрузки и землей, на которой стоят люди. Этот метод временного заземления проводников в обесточенной системе электропитания очень распространен при работах по техобслуживанию, выполняемых на высоковольтных системах.
Еще одним преимуществом этой меры предосторожности является защита от возможности замыкания разъединителя, пока люди все еще контактируют с нагрузкой. Временный провод, подключенный к нагрузке, создаст короткое замыкание когда разъединитель будет замкнут, немедленно отключив любые устройства защиты от токопревышения (автоматические выключатели или предохранители) в цепи, что снова отключит питание. Разъединитель может нанести ущерб, если это произойдет, но рабочие у нагрузки будут в безопасности.
Заметим, что устройства токопревышения не предназначены для защиты от поражения электричеством. Скорее они существуют исключительно для защиты проводников от перегрева из-за чрезмерного тока. Временные закорачивающие провода действительно заставят любые устройства токопревышения в цепи сработать, если выключатель-разъединитель будет замкнут, но защита от поражения электричеством не является предполагаемой функцией этих устройств. Их основная задача — использоваться для защиты работников с закорачивающим проводом на месте.
Поскольку очевидно, что важно иметь возможность закрепить любые отключающие устройства в открытом (выключенном) положении и убедиться, что они остаются в таком положении во время выполнения работ на цепи, необходимо внедрить структурированную систему безопасности.
Процедура блокировки и маркировки работает следующим образом: все лица, работающие на защищенной цепи, имеют свой личный кодовый замок, который они устанавливают на рычаг управления отключающего устройства перед началом работы с системой. Кроме того, они должны заполнить и подписать бирку, которую вешают на свой замок, описывая характер и продолжительность работы, которую они намерены выполнить в схеме. Если необходимо заблокировать несколько источников энергии, работник должен использовать столько своих замков, сколько необходимо для обеспечения питания от системы до начала работы. Таким образом, система поддерживается в состоянии нулевой энергии до тех пор, пока не будут сняты все последние замки со всех отключающих и запорных устройств, а это означает, что каждый последний работник даст свое согласие, сняв свои собственные замки. Если принято решение снова включить систему, а замки одного человека все еще остаются на месте после того, как все присутствующие снимут свои, бирка покажет, кто этот человек и что он делает.
Даже при наличии хорошей программы безопасности все равно необходимо проявлять осмотрительность и здравый смысл. Это особенно актуально в промышленных условиях, где множество людей могут работать с устройством или системой одновременно. Некоторые из них могут не знать о надлежащей процедуре блокировки или могут знать о ней, или вообще слишком самоуверенны, чтобы следовать ей. Не думайте, что все следуют правилам безопасности!
После того, как электросистема была заблокирована и помечена вашим личным замком, надо дважды проверить, действительно ли напряжение было зафиксировано в нулевом состоянии. Один из способов проверки — посмотреть, запустится ли машина (или что-то еще, над чем работают) при нажатии выключателя или кнопки Пуск.
Кроме того, вы всегда должны проверять наличие опасного вольтажа с помощью измерительного прибора, прежде чем касаться любых проводников в цепи. Для максимальной безопасности нужно следовать этой процедуре, на таком примере:
- Проверьте, правильно ли показывает ваш вольтметр при наличии известного источника напряжения.
- Используйте мультиметр для проверки заблокированной цепи на наличие опасного напряжения.
- Проверьте вольтметр еще раз, подключив его к известному источнику, чтобы убедиться, что он по-прежнему показывает правильные показания.
Хотя это может показаться чрезмерным или даже параноидальным, этот метод предотвращения поражения электричеством. Однажды был случай, когда измеритель не показывал вольты, когда он должен был это делать. Всегда есть вероятность, что ваш вольтметр окажется неисправным как раз тогда, когда он нужен для проверки опасного места. Выполнение этих шагов поможет гарантировать, что вы никогда не попадете в смертельную ситуацию из-за сломанного измерительного прибора.
Итак, имейте в виду, что после того, как все меры предосторожности выполнены, все еще возможно (хотя и очень маловероятно), что может присутствовать опасное напряжение. Последняя мера предосторожности, которую следует предпринять на этом этапе, — это кратковременно коснуться проводника тыльной стороной руки, прежде чем схватить его или металлический инструмент, соприкасающийся с ним. Если по какой-то причине между ним и заземлением все еще присутствует вольтаж, движение пальца от реакции удара (сжатие в кулак) разорвет контакт с проводником.
Обратите внимание, что это абсолютно последний шаг, который любой электрик должен когда-либо предпринять перед началом работы с системой электропитания, и его никогда не следует использовать в качестве альтернативного метода проверки опасного напряжения!
Экстренные меры
Но несмотря на процедуры блокировки-маркировки и многократное повторение правил электробезопасности, несчастные случаи все же происходят. В подавляющем большинстве случаев эти несчастные случаи являются результатом несоблюдения надлежащих мер безопасности.
Если вы видите, что кто-то лежит без сознания или схватился за провод, самое первое что нужно сделать это отключить питание, дёрнув соответствующий выключатель. Если кто-то касается другого человека, которого бьет током, на теле жертвы может возникнуть достаточное падение напряжения, чтобы ударить и потенциального спасателя, тем самым заступорив двух человек вместо одного. Поэтому убедитесь что ситуация безопасна для вас, иначе просто станете следующей жертвой, не сумев никого спасти.
Одна из проблем с этим правилом заключается в том, что источник энергии может быть неизвестен или его трудно найти вовремя, чтобы спасти жертву. Если дыхание и сердцебиение потерпевшего парализованы электротоком, время ее выживания очень ограничено. Если уровень достаточно силен, кожа и внутренние органы могут быстро повредиться током, когда он проходит через ее тело.
Если выключатель питания не может быть найден достаточно быстро, можно оторвать жертву поддев ее или ударив сухой деревянной доской или куском неметаллической трубы, обычными предметами, которые можно найти на промышленных стройплощадках. Еще один предмет, который можно использовать для безопасного оттаскивания застывшей жертвы, — это удлинитель. Если обмотать шнур вокруг туловища и использовать его в качестве веревки, чтобы оттащить ее от цепи, хватка на проводнике может быть нарушена. Имейте в виду, что жертва будет держаться за проводник со всей силой, поэтому оттащить ее будет нелегко!
После того, как пострадавший был безопасно отсоединен от источника электрики, неотложными медицинскими действиями для пострадавшего должны быть дыхание и пульс. Главное правило реанимационных действия — продолжать делать это до тех пор, пока вас не сменит квалифицированный персонал.
Если пострадавший в сознании, лучше всего оставить его лежать неподвижно, пока на место происшествия не прибудут медики. Существует вероятность того, что пострадавший впадет в состояние физиологического шока — состояние недостаточного кровообращения, отличное от электрошока, — поэтому его следует держать по возможности в тепле и комфорте. Электрошок, недостаточный для того, чтобы вызвать немедленное прерывание сердцебиения, может быть достаточно сильным, чтобы вызвать нарушения сердечного ритма или сердечный приступ в течение нескольких часов, поэтому пострадавший должен внимательно следить за своим состоянием.
Распространенные источники опасности
Опасность поражения имеется и во многих других местах, благодаря широкому использованию электроэнергии в нашей жизни. В домашнем хозяйстве ванная комната — одно из наиболее вероятных мест, где мокрые люди (с малым сопротивлением кожи) могут контактировать с электроприборами, поэтому опасность поражения электротоком там определенно существует. Хороший проект ванной комнаты будет располагать розетки вдали от ванн, душевых и раковин, чтобы препятствовать использованию приборов поблизости. Следует избегать даже устройств работающих от батареек. Некоторые из них используют повышающие напряжение схемы, способные генерировать смертельные потенциалы.
Бассейны — еще один источник неприятностей, так как люди часто используют там музыку и другие работающие поблизости приборы. Электротехнический кодекс требует, чтобы специальные розетки с обнаружением удара, называемые прерывателями тока замыкания на землю (GFI или GFCI), были установлены во влажных и открытых зонах, чтобы помочь предотвратить инциденты. Эти устройства, несомненно, спасли много жизней, но они не могут заменить здравый смысл и предосторожность.
Удлинители, которые так часто используются дома и в промышленности, также являются источниками потенциальной опасности. Все шнуры следует регулярно проверять на предмет истирания или растрескивания изоляции и немедленно ремонтировать. Один из надежных методов вывода поврежденного шнура из эксплуатации — вынуть его из розетки, а затем отрезать эту вилку («штекер») бокорезами, чтобы никто не мог им воспользоваться, пока он не будет отремонтирован. Это важно на рабочих площадках, где многие пользуются одним и тем же оборудованием, и не все могут знать об опасностях.
Любой электроинструмент, у которого есть признаки проблем с электрикой, также следует немедленно отремонтировать. Как и удлинители, плохой электроинструмент можно вывести из эксплуатации, отключив его от сети и отрезав вилку на конце шнура.
Оборванные линии электропередач — очевидный источник опасности поражения. Напряжение между ЛЭП или между ЛЭП и заземлением обычно очень высокое (2400 вольт — одно из самых низких, используемых в жилых распределительных системах). Если линия разорвана и металлический проводник падает на землю, немедленным результатом обычно становится много искр. Прямой контакт с оборванной линией электропередач почти наверняка приведет к смерти, но есть и другие опасности, которые не столь очевидны.
Когда линия касается земли, ток проходит между этим опущенным проводником и ближайшей точкой заземления в системе, таким образом создавая цепь. Земля, будучи проводником (пусть и плохим), будет проводить ток между ними и будет представлять собой некий проводник, зарытый в землю для обеспечения хорошего контакта. Поскольку земля является гораздо более плохим проводником электричества, чем металлические кабели, натянутые вдоль опор электропередач, будет существенное падение напряжения между точкой контакта кабеля с землей и заземляющим проводником, и небольшое падение по длине кабеля (цифры весьма приблизительны):
Если расстояние между двумя точками контакта заземления (упавший кабель и заземление системы) небольшое, то на коротких расстояниях между двумя точками будет наблюдаться существенное падение напряжения. Поэтому человек, стоящий на земле между этими двумя точками, будет подвергаться опасности получить удар током, получив потенциал между двумя ногами!
Опять же, эти цифры вольт весьма приблизительны, но они служат для иллюстрации потенциальной опасности: человек может стать жертвой поражения электрическим током от оборванной линии электропередачи, даже не соприкасаясь с этой линией!
Одной из практических мер предосторожности, которую можно принять, если видим как ЛЭП падает на землю, является контакт с землей только в одной точке, либо убегая (когда бежите, только одна нога касается земли в любой момент времени), либо, если бежать некуда, стоять на одной ноге. Очевидно, что если есть место, куда безопаснее бежать, бег — лучший вариант. Устранив две точки контакта с землей, не будет возможности подать смертельное напряжение по всему телу через обе ноги.
Безопасная конструкция схемы
Система электропитания без надежного соединения с заземлением непредсказуема с точки зрения безопасности: нет способа гарантировать, насколько большим или малым будет напряжение между любой точкой в цепи и заземлением. Заземляя одну сторону источника системы можно гарантировать, что по крайней мере одна точка в цепи будет электрически общей с землей и, следовательно, не будет представлять опасности поражения током. В простой двухпроводной схеме электропитания проводник, подключенный к земле, называется нейтральным, а другой называется фазовый:
Что касается источника напряжения и нагрузки, заземление вообще не имеет значения. Оно существует исключительно ради безопасности персонала, гарантируя, что по крайней мере одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения (нулевое напряжение относительно земли). Горячая сторона цепи, названная так из-за ее потенциальной опасности поражения, будет опасна для прикосновения если напряжение не будет защищено надлежащим отключением от источника.
Важно чётко понимать этот дисбаланс опасности между двумя проводниками в простой силовой цепи. Если посмотрим на простой бытовой электроприбор, такой как электрочайник с проводящим металлическим корпусом, то увидим, что при его правильной работе не должно быть опасности поражения электротоком. Провода, подающие питание на нагревательный элемент чайника, изолированы от соприкосновения с металлическим корпусом (и друг с другом) резиной или пластиком.
Но если один из проводов внутри случайно коснется металлического корпуса, тот станет электрически общим с проводом, и прикосновение к корпусу будет столь же опасным, как и прикосновение к оголенному проводнику. Возникает ли при этом опасность поражения, зависит от того, какой провод случайно коснулся:
Если фазовый провод касается корпуса, то пользователь подвергается опасности. С другой стороны, если это нейтральный, то опасности поражения электричеством нет.
Чтобы гарантировать, что первый случай менее вероятен, чем второй, инженеры пытаются проектировать приборы таким образом, чтобы минимизировать контакт фазы с корпусом. Но эта превентивная мера эффективна только в том случае, если можно гарантировать полярность вилки питания. Если её (как обычно) можно перевернуть, то проводник, который с большей вероятностью соприкоснется с корпусом, вполне может оказаться фазой.
Иногда решают проблему безопасности, просто делая внешний корпус прибора непроводящим. Такие приборы называются приборами с двойной изоляцией , поскольку изолирующий корпус служит вторым слоем изоляции поверх и за пределами изоляции самих проводников. Если провод внутри прибора случайно соприкоснется с корпусом, пользователю не будет никакой опасности.
Другие инженеры решают проблему безопасности, сохраняя токопроводящий корпус, но используя третий проводник для надежного соединения этого корпуса с землей:
Третий контакт на шнуре питания обеспечивает прямое электрическое соединение корпуса прибора с заземлением, делая две точки электрически общими друг с другом. Ну а если они общие, то между ними не может быть падения напряжения. По крайней мере, так это должно работать. Если фазовый провод случайно коснется металлического корпуса прибора, это создаст прямое замыкание обратно к источнику через заземляющий провод, отключая любые устройства защиты от сверхтока. Пользователь прибора останется в безопасности.
Вот почему так важно никогда не убирать третий контакт сетевой вилки. Если это сделать, заземления корпуса прибора не будет. Прибор будет работать исправно, но если возникнет внутренняя проблема, из-за которой провод под напряжением соприкоснется с корпусом, результаты могут быть смертельными.
Ещё одна защита от поражения может быть организована на стороне источника питания цепи, а не на самом приборе. Эта защита называется обнаружением замыкания на землю. В исправном приборе ток, измеренный через фазовый проводник, должен быть точно равен току через нейтральный, поскольку в цепи есть только один путь для движения электронов. При отсутствии неисправности внутри прибора нет связи между проводниками цепи и человеком, прикасающимся к корпусу, и, следовательно, нет удара током.
Но если фазовый провод случайно коснется металлического корпуса, через человека, прикоснувшегося к корпусу, будет проходить ток. Наличие ударного тока будет проявляться как разница между двумя проводниками питания в розетке. Эта разница между фазой и нейтралью будет существовать только в том случае, если он проходит через заземление, что означает наличие неисправности в системе. Следовательно, такая разница в токе может использоваться как способ обнаружения неисправности. Если устройство настроено на измерение этой разницы между двумя силовыми проводниками, обнаружение дисбаланса ампер может использоваться для срабатывания размыкающего выключателя, тем самым отключая питание и предотвращая серьезные проблемы:
Такие устройства называются прерывателями тока замыкания на землю, или сокращенно GFCI. В Росси они известны как защитный выключатель, устройство защитного отключения (УЗО), или автоматическим выключателем утечки на землю (ELCB).
Например, обычный выключатель на 10 А предназначен для быстрого размыкания цепи, если нагрузка значительно превышает номинальную нагрузку в 10 А, и более медленного — если немного превышает номинальную нагрузку. Хотя это защищает от прямых коротких замыканий и нескольких секунд перегрузки, соответственно, оно не защищает от дуг — аналогично дуговой сварке. Дуга — это очень изменчивая нагрузка, многократно достигающая пика более 70 А, размыкающая цепь с нулевыми переходами AC. Хотя среднего значения недостаточно для срабатывания стандартного выключателя, его уже достаточно для возникновения пожара. Эта дуга может быть создана металлическим коротким замыканием, которое сжигает металл, оставляя резистивную распыляющую плазму ионизированных газов.
AFCI содержит электронную схему для обнаружения этого прерывистого резистивного короткого замыкания. AFCI не защищает от опасности поражения электричеством, как GFCI. Таким образом, GFCI по-прежнему необходимо устанавливать в кухонных, ванных и уличных цепях.
Литература и ГОСТ
- Касаткин А.П. Электротехника и электроника: Учебник. — М.: Высшая школа, 2020.
- Сергеев А.Я., Шишмарев И.В. Электробезопасность: Учебное пособие. — М.: Форум, 2018.
- Егоров В.А. Электробезопасность: Практикум. — СПб.: Питер, 2019.
- Грачёв А.Г., Щербаков С.И. Основы электробезопасности. — Екатеринбург: УрФУ, 2021.
- Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Учебник. — М.: Лань, 2022.
- Дьяков А.П., Ковалев И.А. Охрана труда в электроустановках: Учебное пособие. — М.: Академия, 2017.
- ГОСТ 12.1.019–79 — ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.
- ГОСТ Р 50571.3–2009 — Электроустановки зданий. Часть 4-41. Требования по обеспечению безопасности — Защита от поражения электрическим током.
- ГОСТ 12.1.030–81 — ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.
- ГОСТ Р 50571.16–2007 — Электроустановки зданий. Функциональная надежность электрических систем.
- ГОСТ 12.1.038–82 — ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжения прикосновения.
- ГОСТ Р МЭК 60479-1–2001 — Воздействие электрического тока на человека и животных. Часть 1. Общие аспекты.
- Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минтруда РФ № 903н от 15.12.2020).
- СП 6.13130.2009 — Системы противопожарной защиты. Электроустановки.
