Вопросы электрической безопасности персонала и защиты оборудования

О том, что электрический разряд действует на человека, стало очевидным в последней четверти XVIII века. Одно из первых обстоятельных описаний этого действия принадлежит Марату, деятелю Великой французской революции 1789-1794 гг. Англичанин Уориш, итальянцы Гальвани и Полетто и ряд других учёных установили, что на человека действует разряд, полученный не только от источника статического электричества, но и от электрохимического элемента. Опасность этого действия впервые установил изобретатель первого в мире электрохимического высоковольтного источника напряжения В.В. Петров - создатель физической лаборатории в С-Петербургской Медико-хирургической Академии (ныне военно-медицинская Академия им. СМ. Кирова).

В 1911-1912 гг. в С-Петербурге произошло несколько электротравм, от которых пострадал персонал, обслуживавший электрооборудование театров и кинематографов. Обстоятельства возникновения этих травм привлекли к себе внимание электротехнической общественности и были подробно рассмотрены в электротехнической секции Русского технического общества. В результате этого были разработаны специальные правила безопасности при обслуживании электрооборудования зрелищных предприятий.

Электротравма - это травма, вызванная воздействием электрического тока или электрической дуги. Современная теория, объясняя процессы, происходящие в теле человека при действии электрического тока, рассматривает их как рефлекторные (реакция организма на раздражение окончаний нервных волокон - рецепторов), вызванные реакцией нервной системы в ответ на электрические раздражения. Одновременно электрический ток может оказать непосредственное тепловое и динамическое воздействия, вызвать электролизные процессы в организме.

Специалисты отмечают, что действие электрического тока на организм человека ещё не изучено полностью. Объясняется это сложностью процессов, происходящих в организме человека при протекании тока, и отсутствие хорошего аналога среди животных. Исследования на людях в диапазоне опасных токов по понятным причинам не проводятся. Несмотря на это, в настоящее время имеются необходимые данные для практического решения вопросов электробезопасности.

Минимальное значение тока, раздражающее действие которого ощущается человеком, называется пороговым ощутимым током. Он зависит от рода тока, состояния человека, схемы попадания его в электрическую цепь и других факторов. У отдельных людей значение порогового ощутимого тока различно и характеризуется нормальным законом распределения вероятностей. Для тока промышленной частоты (50 Гц), представляющего наибольший интерес для электроэнергетиков, среднее значение порогового ощутимого тока составляет около 1 мА.

Если ток, протекающий через человека, превышает пороговый ощутимый ток, то он вызывает более сильную реакцию организма. При токе 3-5 мА раздражающее действие ощущается кистью руки, при токе 6-10 мА мышцы руки уже непроизвольно сокращаются и возникает чувство сильной боли. При дальнейшем увеличении тока в мышцах возникают судороги и человек теряет способность контролировать действие руки, в частности, он не может самостоятельно освободиться от зажатого в руке проводника. Соответствующее минимальное значение тока называется пороговым неотпускающим током. Для различных людей значение этого тока также подчиняется нормальному закону распределения вероятностей. Если электрический ток протекает через туловище человека, то он воздействует на органы дыхания и кровообращения. При токе 25-50 мА частотой 50 Гц возникает сильное сокращение дыхательных мышц грудной клетки, в результате чего может наступить смерть от удушья. Токи промышленной частоты выше 50 мА представляют опасность и для сердца.

По степени опасности поражения людей электрическим током все помещения делятся на три класса: с повышенной опасностью, особо опасные и без повышенной опасности.

К помещениям с повышенной опасностью относятся помещения пыльные, сырые, жаркие, с токопроводящими полами и помещения, в которых возможно одновременное прикосновение к электроустановкам и имеющим связь с землёй металлоконструкциям.

К особо опасным относятся помещения с химически активной средой и особо сырые помещения.

Если помещения характеризуются несколькими признаками повышенной опасности, то они относятся к помещениям особо опасным, остальные помещения относятся к помещениям без повышенной опасности.
Во всех электроустановках, где бы они не находились, в том числе и на ГЭС, должна гарантированно обеспечиваться электробезопасность для обслуживающего персонала.

Электробезопасностью называется система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Поражение (электротравма) человека воздействием электрического тока или электрической дуги в электроустановках возможно в следующих основных случаях:

- однофазное прикосновение не изолированного от земли человека к неизолированным токоведущим частям электроустановки, находящимся под напряжением;
- приближение на опасное расстояние человека, не изолированного от земли, к оголенным токоведущим частям, находящимся под напряжением;
- прикосновение человека, не изолированного от земли, к металлическим частям (поддерживающие конструкции, корпуса машин и т.п.), которые оказались под напряжением из-за пробоя изоляции
- включение человека, находящегося в зоне растекания тока при КЗ на землю в электросети, на напряжение шага;
- воздействие пламени и продуктов горения электрической дуги;
- в процессе освобождения человека, оказавшегося под напряжением, без применения спасающим индивидуальных средств защиты.

Для обеспечения нормальной эксплуатации электротехнической части ГЭС предусматривается множество разнообразных контрольно-измерительных приборов и защитных устройств, обеспечивающих предотвращение разрушения оборудования, а также защищающих обслуживающий персонал от поражения электрическим током.

В электрических установках большинство аварий сопровождается повреждением ценнейшего оборудования. Разрушительным фактором начала аварии, как правило, является КЗ. Токи КЗ в современных мощных электроустановках и энергосистемах могут достигать огромных значений в несколько сотен тысяч ампер, что приводит к разрушению элементов электрической схемы.

Основной причиной КЗ является повреждение изоляции токоведущих частей электроустановки и составляющих её элементов (генераторы, трансформаторы, токопроводы, электроаппараты и другие устройства).

Короткие замыкания различают: трёхфазные (симметричные) наиболее тяжёлая форма КЗ, двухфазные между двумя фазами, такие КЗ могут быть также достаточно разрушительными и однофазные КЗ на землю. Однофазные КЗ возникают только в электроустановках с глухо заземленными нейтралями и также могут сопровождаться повреждениями. Иногда однофазные КЗ становятся причиной последующих двух- и трёхфазных КЗ - это одно из самых тяжёлых по негативным последствиям развитие аварии.

При двух- и трёхфазных КЗ между проводниками (случай КЗ на сборных шинах РУ, между разнофазными стержнями обмотки генераторов и обмотками трансформаторов и т.п.) возникает электродинамическая сила, которая, во-первых, наносит механические разрушения. А во-вторых, горение электрической дуги в период КЗ вызывает дополнительное сильное разрушение проводников в месте возникновения короткого замыкания. При протекании тока КЗ проводники испытывают сильный нагрев. Совокупность всех этих воздействий и является причиной разрушений элементов электроустановок. Поэтому при проектировании их уделяется большое внимание приданию элементам электроустановок динамической и термической устойчивости, а также изоляционным свойствам конструкций электрических аппаратов.

Электрическая изоляция разновидна по своим свойствам и применению. С помощью изоляторов выполняется механическое крепление токоведущих частей, работающих под высоким напряжением. Кроме того, изоляторы служат в электрических аппаратах элементами передачи механического движения, например, от привода к подвижному контакту коммутационного аппарата. Различают внешнюю изоляцию, которая образует изоляционные промежутки в атмосферном воздухе, в том числе и промежутки вдоль поверхностей изоляторов, а также внутреннюю изоляцию, которая образует изоляционные промежутки, заполненные газообразными, жидкими или твёрдыми диэлектрическими материалами или их комбинацией, но не атмосферным воздухом. Примеры внешней (наружной) изоляции приведены были выше у воздушных выключателей, разъединителей. ОПН и др.. а внутренней - у трансформаторов внутри их баков, у генераторов изоляция обмоток и др. Внешняя изоляция, как правило, изготовляется из фарфора, а внутренняя из бумажно-масляных материалов, компаундированных многослойных конструкций, монолитных термореактивных материалов и др.

Изоляторы в электроустановках подвергаются электрическим, механическим и тепловым воздействиям, а также воздействиям окружающей среды.

Для разных видов изоляции применяются разные уровни испытательного напряжения, после чего разрешается ввод в работу электрической установки или её элементов. Тем не менее, в реальных условиях в результате указанных выше воздействий происходят электрические пробои изоляции и возникают КЗ, представляющие опасность для оборудования и людей.

Чтобы сократить время горения электрической дуги и тем самым уменьшить объём разрушений от КЗ применяют быстродействующие аппараты (выключатели, см. выше) по отключению токов короткого замыкания.

Следящими устройствами за величиной недопустимых значений электрических параметров являются реле. Уже отмечалось, что реле - это устройство лля обеспечения автоматической коммутации электрических цепей по сигналу извне. Оно состоит из релейного элемента (с двумя состояниями устойчивого равновесия) и группы электрических контактов, которые замыкаются (или размыкаются) при изменении состояния релейного элемента. Различают основные типы реле: тепловые, механические, электрические, оптические, акустические и др.

Совокупность устройств, содержащих одно или несколько реле, способных реагировать на нарушения нормальной работы электроустановки при коротких замыканиях, перенапряжениях, асинхронных режимах и других, выявлять их и одновременно давать команду на отключение поврежденного участка электроустановки, называется релейной защитой.

Эта защита является важной и неотъемлемой частью электроустановок, без которых работа их невозможна. Главными требованиями, предъявляемыми к релейной защите являются надёжность и быстродействие. Общее время прекращения горения электрической дуги с момента выявления КЗ складывается из времени действия релейной защиты и времени действия выключателя (отключение). Как мы уже видели выше, собственное время отключения одного из лучших отечественных ВВ составляет 0,04с. Время действия релейной защиты около 0,05-0,06с, итого: общее время от начала КЗ до момента полного расхождения контактов ВВ около 0,1с. Несмотря на такое непродолжительное действие электрической дуги, разрушения могут быть значительными.

При однофазном КЗ возникает ток замыкания на землю, который растекается по определенному закону. При замыкании на корпус (машины, конструкции) на нём возникает потенциал относительно земли.

Ток замыкания на землю - это ток, стекающий в землю через место замыкания.
Зона растекания тока - это зона, за пределами которой электрический потенциал, возникший в результате замыкания снижается практически до нуля.

Напряжением относительно земли при замыкании на корпус называется напряжение между корпусом и зоной нулевого потенциала.

Напряжением прикосновения называется величина, соответствующая разности потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно может коснуться человек.

Напряжение шага - это напряжение между двумя точками земли, вызванное растеканием тока замыкания на землю, при одновременном касании их ногами человека (его шаг), отсюда - шаговое напряжение.

Электроустановки по признаку принимаемых мер безопасности разделяются на:

- электроустановки напряжением выше 1000 В в электрических сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);
- электроустановки напряжением выше 1000 В в электрических сетях с эффективно (глухо) заземленной нейтралью (большими токами замыкания на землю);
- электроустановки напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью;
- электроустановки напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью.

В электросетях с изолированной нейтралью большую опасность вызывают однофазные КЗ на землю, особенно внутри машин и аппаратов.

В этом режиме возникает, так называемая перемежающаяся электрическая дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Если установка не снабжена релейной защитой от однофазных замыканий на землю, способной отключить поврежденный участок, то замыкание на землю может быть продолжительным и длиться до тех пор, пока персонал не обнаружит поврежденный участок и не отключит его.
В России с незаземленными нейтралями работают электроустановки с номинальным напряжением до 500 В (кроме осветительных сетей 380/220 В); электроустановки 3-10 кВ при ёмкостном токе однофазного КЗ на землю не более 30 А; и электроустановки 35 кВ при токе КЗ на землю не более 5 А Такие электроустановки строятся крайне редко.

Глухое заземление нейтралей устраняет возникновение перемежающихся электрических дуг и связанных с ними перенапряжений. В такой схеме нейтральные выводы генераторов и трансформаторов присоединяются наглухо или через небольшое сопротивление к заземляющим устройствам. Если в такой электроустановке (электрической сети) происходит однофазное КЗ на землю, то эта фаза оказывается короткозамкнутой через землю и ток КЗ вызывает действие релейной защиты и отключение соответствующих выключателей, отсекающих поврежденный участок. В мощных энергосистемах токи КЗ на землю достигают значительной величины, поэтому нейтрали заземляют через реакторы и дугогасящие катушки.

Защитное заземление и зануление, а также другие технические устройства и способы применяют для защиты людей как от поражения электрическим током при случайных обстоятельствах, так и для отключения электроустановок с поврежденной изоляцией.

Защитным заземлением какой-либо части электроустановки называется преднамеренное и надёжное присоединение её металлических не токоведущих частей (корпуса машин, поддерживающие конструкции, опоры ЛЭП и т.п.) к заземлителю.

Заземление снижает до безопасного значения напряжение прикосновения человека. Человек может оказаться при повреждении изоляции какого-либо заземленного участка электроустановки (рис. 6.30а) включенным в электрическую цепь параллельно заземлителю. Поскольку сопротивление человека существенно больше, чем заземлителя, то величина тока, протекающего через человека будет безопасной. Сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5 Ом.

Заземлителями называются металлические элементы (штыри, трубы и т.п.), забиваемые в грунт (электроды), а также полосы, укладываемые в траншеи и прокладываемые в галереях плотин и связанные с металлической арматурой в железобетонных массивах гидротехнических сооружений.

Заземляющий контур электроустановки - это совокупность всех заземлителей, имеющих надёжную гальваническую связь между собой (на примере ГЭС заземляющий контур включает в себя: металлическую арматуру и другие металлоконструкции ГТС, заземлители ОРУ и связывающие их между собой специальные металлические коммуникации - сетки, полосы и т. д.).

Занулением называется преднамеренное соединение частей электроустановок, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью. Зануление применяется в электроустановках до 1000В: в сетях трёхфазного тока с глухозаземленной нейтралью; в сети однофазного тока с глухозаземленным выводом источника; в сети постоянного тока с глухозаземленной средней точкой источника.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью выше 1000 В сопротивление заземляющего контура также должно быть не более 0,5 Ом.

Для защиты персонала от случайного прикосновения в электроустановках к токоведущим частям предусматривается ряд технических мер, из которых основными являются: ограждения, блокировки электрических аппаратов, установка в РУ заземляющих разъединителей, заземление, защита от электромагнитных полей, предупредительная сигнализация и ряд других.

Для обеспечения безопасной работы в действующих электроустановках по новым правилам введены понятия двух категорий: работы со снятием напряжения: работы без снятия напряжения на токоведущих частях или вблизи их.

До начала работ проводятся главные технические мероприятия:

- отключение электрических аппаратов, чтобы на готовящемся к работам участке снять напряжение (после чего вывешиваются соответствующие плакаты на приводных устройствах и они закрываются на замок);

- проверяется отсутствие напряжения на участках, где будут проводиться работы, и сразу же за этим накладывается переносное заземление.

До начала работ выполняются и специальные организационные мероприятия, которые сводятся к тому, что выдаются установленного образца документы (наряды) и соответствующие распорядительные записи (распоряжения), регламентирующие ответственность должностных лиц и рабочих, что должно обеспечить безопасность работающих.

Опасность для человека и оборудования представляют и воздействия: атмосферного электричества, электрических и магнитных полей. Поэтому существуют определённые технические решения, предотвращающие опасное и разрушительное действие грозовых разрядов (грозозащита) и напряженности электромагнитных полей (биологическая защита).

Грозозащита и защита от волн атмосферных перенапряжений на ГЭС и открытых распределительных устройствах (ОРУ) выполняется в виде молниеотводов от прямых ударов молнии и специальных разрядников. Разрядники устанавливаются на каждой системе шин ОРУ, а также вблизи трансформаторов. В некоторых случаях разрядники устанавливаются на главных и нейтральных выводах генераторов. Разрядники кратчайшим путём присоединяются к заземляющему контуру (заземляющему устройству).

В последние годы защита электрооборудования от волн атмосферных перенапряжений выполнялась более эффективными аппаратами, нежели разрядниками. Так, впервые в России для Саяно-Шушенской ГЭС были изготовлены промышленные нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) с резисторами (сопротивлениями) на основе окиси цинка и аппараты ОПНИ с искровой приставкой. Эти аппараты на порядок превосходят нелинейность характеристик материалов, которые применяются в обычных разрядниках.

При напряженности поля от 20 до 25 кВ/ м время пребывания не должно превышать 10 мин. При напряженности поля свыше 25 кВ/м пребывание людей без средств биологической защиты запрещено. Биологическая защита человека представляет собой систему стационарных устройств в виде заземленных тросов, которые подвешиваются в рабочей зоне под токоведущими частями и имеют господствующую высоту над работающими, а также защитные сетчатые козырьки над рабочими местами.

Кроме того, применяются экранирующие люльки (клетки), лестницы с экранами и т.п.

В последнее время для рабочих, занятых на ремонте, широко применяется экранирующая одежда (металлизированный проводящий костюм, шлем, ботинки с проводящей подошвой, гальванически связанные между собой).

Зашита людей должна производиться и от наведенных напряжений, возникающих на отключенных участках электроустановок или ЛЭП от влияния, соседствующих токоведущих частей или ЛЭП, находящихся под напряжением.

Более подробно вопросы электробезопасности будут изучаться в специальном курсе.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.