Определение максимального допустимого напряжения шага на подстанции | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

162

Определение максимального
допустимого напряжения шага
на подстанции

УДК 331.453:621.31

статье

рассмотрена

проблема

отсутствия

российской

нормативно

–

технической

до

–

кументации

нормирования

напряжения

шага

которое

необходимо

для

всесторонней

оценки

безопасности

персонала

энергетических

объектов

Предложен

способ

расчета

максимального

допустимого

напряжения

шага

использованием

стандартов

IEC 60479-1

IEEE std 80.

Предложено

дополнение

действующей

нормативно

–

технической

докумен

–

тации

области

электробезопасности

Ключевые

слова

электробезопасность,

напряжение шага, за-

земляющее устройство

нализ несчастных случаев

на предприятиях электро-

энергетики

показывает,

что количество травм, вы-

званных воздействием электри-

ческого тока, сравнительно не-

велико и составляет 3–3,5% от

общего количества несчастных слу-

чаев на производстве. Однако если

рассмат ривается только смертель-

ный травматизм, то вклад причины

поражения электрическим током

составляет 60%. По статистике за

2020 год, представленной на сайте

Ростехнадзора, за 12 месяцев 2020

года произошло 27 несчастных слу-

чаев со смертельным исходом, в том

числе 3 групповых несчастных слу-

чая [1]. Наибольшую опасность для

персонала энергообъектов пред-

ставляют сети напряжения 3–35 кВ

с изолированной нейтралью, в ко-

торых однофазное замыкание на

землю является наиболее частым

и опасным видом повреждения и со-

ставляет до 75% всех случаев по-

вреждений. Однофазное замыкание

на землю возникает при падении

провода на землю или замыкании на

опору. Отключение в этом случае не

происходит длительное время и при

этом возникает опасность пораже-

ния человека [2].

Падение провода на землю соз-

дает опасную зону, в которой проис-

ходит растекание тока, и на поверх-

ности грунта образуется потенциал,

уменьшающийся пропорционально

удалению от точки падения. В такой

зоне причиной поражения становит-

ся шаговое напряжение, образуе-

мое разностью потенциалов между

стопами человека. Такая же ситуа-

ция возможна при ударе молнии на

территории подстанции. Шаговое

напряжение при этом может дости-

гать больших значений, что в худ-

шем случае может вызвать паралич

мышц, а при меньших значениях вы-

ражается в виде зуда и покалываний

в теле, мышечных спазмов, внезап-

ной резкой и острой боли. Также под

опасное напряжение человек может

попасть при прикосновении к упав-

шему проводу. Поэтому для всесто-

ронней оценки безопасности персо-

нала энергообъектов необходимо

производить расчет ожидаемых на-

пряжений прикосновений и шага

и сравнивать их с допустимыми зна-

чениями [3].

При этом предельно допустимые

значения напряжений прикоснове-

ния и токов установлены в ГОСТ

12.1.038-82 (87) [4], а напряжение

шага в России не нормируется, так

как практически отсутствуют иссле-

дования, обосновывающие допу-

стимые значения напряжения шага

и приемлемые риски для персонала

при его воздействии [5].

На практике в качестве допусти-

мого значения напряжения шага

принимают напряжение прикоснове-

ния [6]. Однако, следует учитывать,

что при попадании под шаговое

напряжение возникают непроиз-

вольные судорожные сокращения

мышц ног и становится возможным

падение человека на землю. В этот

момент возникает иная, более тяже-

лая ситуация: вместо нижней петли

в теле человека образуется новый,

более опасный путь тока, и создает-

Королев

к.т.н., доцент кафедры ИЭиОТ

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Бурдюков

заместитель заведующего

кафедрой ИЭиОТ

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Лысенкова

магистр кафедры ИЭиОТ

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Макеев

магистр кафедры ИЭиОТ

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

ОХРАНА ТРУДА

Page 3

163

ся реальная угроза смертельного

поражения током [3]. По этой при-

чине необходим более точный

расчет допустимого напряжения

шага.

Для оценки опасности и опре-

деления максимально допусти-

мого напряжения шага необхо-

димо рассчитать максимально

допустимые значения тока через

тело человека и его сопротивле-

ния. Определение эквивалент-

ных сопротивлений и максималь-

но допустимых значений тока для

путей электрического тока через

тело человека «рука-нога» и «но-

га-нога» может проводиться на

основании расчетных методик

двух стандартов: IEC 60479-1

«Влияние тока на человека и до-

машних животных» [7] и IEEE Std

80 «Руководство по технике без-

опасности при заземлении под-

станции переменного тока» [8].

Стандарт IEEE Std 80 отли-

чается от IEC 60479-1 наличием

рекомендаций по определению

допустимого тока через тело че-

ловека и сопротивления тела [9].

IEC 60479-1 не дает указаний по

установлению значения сопро-

тивления контакта ступни чело-

века с почвой и предполагает,

что эти сопротивления могут

быть вычислены разработчиком.

IEEE Std 80 основан на упро-

щенной модели поражения элек-

трическим током. Критерии без-

опасности IEC 60479-1 довольно

сложны, тогда как критерии без-

опасности IEEE Std 80 упроще-

ны. Всестороннее исследование

допустимых напряжений прикос-

новения и шаговых напряжений

в соответствии с этими двумя

стандартами для широкого диа-

пазона условий показали их при-

менимость для определения на-

пряжения шага.

Стандарт IEC 60479-1 предна-

значен для оценки последствий

воздействия

электрического

тока на людей и домашний скот

для использования при установ-

лении требований электробезо-

пасности [7]. Он регламентирует

значения допустимого тока через

тело человека в зависимости от

продолжительности удара током

с учетом предполагаемой веро-

ятности фибрилляции желудоч-

Рис

. 1.

Зоны

влияния

переменного

тока

от

до

150

Гц

зависимости

от

времени

воздействия

Значение протекающего тока

, мА

10 000

5000

2000

1000

500

200

100

10 000

5000

2000

1000

500

200

100

0,2 0,5

0,1

Время в

оз

действия

, мc

AC-4.2

AC-4.1

AC-4.3

AC-4

AC-3

AC-2

AC-1

Напряжение прикосновения

, В

6000

5000

4000

3000

2000

1000

3000

4000

5000

2000

1000

500

200

700

По

лное с

опро

тив

ление

те

ла че

лов

ек

, Ом

95%

50%

Табл. 1. Зоны «ток-время»

для переменного тока от 15 до 100 Гц (по данным рисунка 1)

Зона

Пределы

Физиологический эффект

AC-1

от 0,5 мA

Обычно реакции нет

AC-2

от 0,5 мA до

линии

Обычно нет вредного эффекта

AC-3

до линии

Обычно нет органических повреждений. Возможны

судорожные сокращения мышц при длительности

выше 2 с. Возможно влияние на сердечную мышцу

в зависимости от времени и амплитуды тока

AC-4

за линией

С возрастанием времени и амплитуды возможна

остановка сердца и дыхания

AC-4.1

до

Вероятность фибрилляции до 5%

AC-4.2

до

Вероятность фибрилляции до 50%

AC-4.3

за

Вероятность фибрилляции выше 50%

Рис

. 2.

Статистические

значения

полного

сопротивления

тела

человека

для

пути

рука

–

рука

ков (рисунок 1, таблица 1). Кроме того, в стандарте приведены данные

для учета сопротивления тела человека как функции напряжения при-

косновения (рисунок 2), а также данные сопротивления тела в виде

функции пути прохождения тока (рисунок 3).

Числа на рисунке 3 указывают в % сопротивления отдельных

частей тела в отношении сопротивления по пути «рука-нога». Что-

№

2 (65) 2021

Page 4

164

бы определить полное сопротивление тела, нуж-

но дополнить внутреннее сопротивление сопро-

тивлением кожи при заданной площади контакта

с электродом.

С помощью внутренних частичных сопротив-

лений тела человека в процентах по рисунку 3

можно рассчитать процент для пути тока «рука-

рука»:

рука-рука

= 26,4% + 10,9% + 6,9% +6,1% +

6,9% + 10,9% + 26,4 % = 94,5%

(1)

и для пути «нога-нога»:

нога-нога

= 32,3% + 14,1% +8,7% + 14,1% +

32,3% = 101,5%.

(2)

Используя эти формулы и значения полного со-

противления тела человека для пути «рука-рука»

(рисунок 2), можно определить значения сопротив-

ления для пути тока «нога-нога»:

нога-нога

рука-рука

∙ 1,074,

(3)

где

нога-нога

— сопротивление тела человека для пути

тока «нога-нога», Ом;

рука-рука

— сопротивление тела

человека для пути тока «рука-рука», Ом [9].

1,074 = 101,5% (ур.(2)) / 94,5% (ур.(1)).

(4)

Таким образом, при известном эквивалентном

полном сопротивлении для путей электрического

тока через тело человека «рука-рука» и «нога-нога»

и значении максимально допустимого тока (рису-

нок 1) может быть рассчитано допустимое напряже-

ние шага [10].

perm

(

) [

(

perm

(

)) +

(5)

где

— длительность протекания тока через тело

человека, мс;

perm

(

) — допустимый ток через тело

человека в IEC 479-1 для продолжительности пора-

жения током

, А;

— сопротивление тела для пути,

заданного напряжением шага (нога-нога) и для тока

через тело, равного

perm

(

), Ом;

— сопротивле-

ние между грунтом и ногами для напряжения шага

(то есть сопротивление при последовательном со-

единении двух ног и земли), Ом.

Стандарт IEC 60479-1 [7] не предоставляет ника-

ких данных по

. Поэтому для расчета могут быть

использованы данные стандарта IEEE Std 80 [8], то

есть уравнение:

= 6,0

(

) ·



(6)

где

(

) — коэффициент уменьшения номиналь-

ного значения удельного сопротивления поверхност-

ного слоя грунта;



— удельное сопротивление верх-

него слоя грунта, Ом·м.

Расчет напряжения шага проводится по форму-

ле (5). Выбор допустимого тока через тело человека

проводится следующим образом: из зоны АС-2 (рису-

нок 1), где восприятие и непроизвольные мышечные

сокращения вероятны, но обычно отсутствуют вред-

ные электрофизиологические эффекты, выбирает-

ся среднее значение тока — 2,5 мА. Зона выбрана

с учетом того, что даже не наносящее вреда организ-

му непроизвольное судорожное сокращение может

привести к потере человеком равновесия и падению

на землю, вследствие чего образуется особо опас-

ный контур протекания тока через тело.

Сопротивление между грунтом и ногами опреде-

ляется по формуле (6):

= 6,0

(

) ·

= 6 ∙ 1,04 ∙ 100 = 624 Ом,

где

= 1,04 для однородного грунта;

= 100 Ом∙м

(выбрано удельное сопротивление суглинка).

В соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 (87) предель-

но допустимое значение напряжения прикосновения

при аварийном режиме производственных электро-

установок напряжением до 1000 В с глухозаземлен-

ной или изолированной нейтралью и выше 1000 В

с изолированной нейтралью не должно превышать

значения 20 В для времени воздействия тока свыше

1 секунды.

При расчете используются статистические зна-

чения полного сопротивления тела для пути «ру-

ка-рука» (рисунок 2) в зависимости от напряжений

прикосновения, указанных в ГОСТ 12.1.038-82 [4],

и формула (3). В результате расчета значение на-

пряжения шага составляет

= 17 В при продолжи-

тельности воздействия свыше 1 секунды, что менее

соответствующих установленных ГОСТ допустимых

значений напряжения прикосновения. Результаты

расчета приведены в таблице 2.

Рис

. 3.

Внутренние

частичные

сопротивления

чело

–

веческого

тела

ОХРАНА ТРУДА

Page 5

165

Рассчитанные максимальные

допустимые напряжения шага

для нормальных и аварийных

режимов электроустановок с раз-

личными способами заземления

нейтрали с учетом времени воз-

действия электрического тока на

человека необходимы для про-

ектирования эффективных сис-

тем заземления. Эти данные

также могут быть предложены

в качестве критериев электро-

безопасности для дополнения

ГОСТ 12.1.038-82 (87) и разработки комплекса мер

по предотвращению несчастных случаев на объек-

тах электроэнергетики для любого режима работы

электрооборудования.

ВЫВОДЫ

В нашей стране отсутствуют нормативные доку-

менты по оценке допустимых значений напряже-

ния шага. В настоящее время регламентируются

только предельно допустимые значения напряже-

ний прикосновения. Однако попадание персонала

энергетических объектов под

напряжение шага может стать

причиной падения на землю

и возникновения смертельного

несчастного случая, что опреде-

ляет необходимость отдельного

нормирования величины этого

напряжения.

При проектировании систем

заземления

использование

в расчетах значения допусти-

мого напряжения шага, равного

значению допустимого напряже-

ния прикосновения, небезопасно. В рамках статьи

проведена оценка возможности использования

для расчета напряжения шага существующих зару-

бежных стандартов и даны рекомендации по про-

ведению такого расчета. Результаты расчета мо-

гут стать основой для внесения изменений в ГОСТ

12.1.038-82 (87). Для более полной актуализации

данного документа необходимы физиологические

исследования восприятия электрического тока но-

гами человека и выявление значений тока, вызыва-

ющих потерю человеком опоры.

Табл. 2. Итоговые значения расче-

тов напряжения шага

Нормируемая

величина

Предельно

допустимое

значение

пр

, В

рука-рука

, Ом

5750

нога-нога

, Ом

6176

, В

ЛИТЕРАТУРА

1. Анализ причин аварий на элек-

троустановках, подконтрольных

органам Ростехнадзора, за 2020

год. URL: http://szap.gosnadzor.ru/

activity/nesc_sluch.

2. Макуха И.С., Ильина Е.В., Бори-

сов Р.К., Жуликов С.С., Хренов С.И.,

Трофимов О.Ю. Учебно-трениро-

вочный полигон для демонстрации

опасности поражения электриче-

ским током // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ.

Передача и распределение. Еже-

квартальный спецвыпуск «Россе-

ти», 2020, № 1(16). С. 30–34.

3. Колечицкий Е.С., Медведев В.Т.,

Кондратьева О.Е. Основы охра-

ны труда и техники безопасности

в электроустановках. М.: Изд. дом

МЭИ, 2015. 618 с.

4. ГОСТ 12.1.038-82 (87). Система

стандартов безопасности труда

(ССБТ).

Электробезопасность.

Предельно допустимые значе-

ния напряжений прикосновения

и токов. URL: https://docs.cntd.ru/

document/5200313.

5. Косоруков А.В., Зайцева К.И. Ко-

лодцы транспозиции экранов КЛ

6–500 кВ. Проектирование зазем-

ляющих устройств // Новости элек-

тротехники, 2016, № 2(98).

6. СТО 56947007-29.130.15.114-2012.

Руководящие указания по проекти-

рованию заземляющих устройств

подстанций напряжением 6–750 кВ.

ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. URL: https://

docs.cntd.ru/document/1200094403.

7. IEC 60479-1 Eﬀ ects of current on

human beings and livestock – Part 1:

General aspects Edition 1.0 2018-12.

URL: https://docs.cntd.ru/document/

552133052.

8. IEEE Std 80-2013 Guide for safety

in ac substation grounding. URL:

https://docs.cntd.ru/document/

440200171.

9. Lee Ch.-H., Sakis Meliopoulos A.P.

A Comparison of IEC 479-1 and IEEE

Std 80 on Grounding Safety Crite-

ria Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A),

1999, vol. 23, no. 5, pp. 612-621.

10. Dina A., Zaharescu V., Guzun B.,

Comanescu G. Maximum permis-

sible touch and step voltages as-

sessment in high voltage systems

(> 1 kV) U.P.B. Sci. Bull., Series C,

vol. 74, iss. 3, 2012.

REFERENCES

1. Analysis of causes of accidents at

electrical installations controlled by

Rostekhnadzor authorities for 2020.

URL: http://szap.gosnadzor.ru/activi-

ty/nesc_sluch.

2. Makukha I.S., Ilyina E.V., Bori-

sov R.K., Zhulikov S.S., Khrenov S.I.,

Troﬁ mov O.Yu. Training ground to

demonstrate the danger of elec-

tric shock //

ELEKTROENERGIYA.

Peredacha i raspredeleniye

[ELEC-

TRIC POWER. Transmission and

Distribution], A quarterly special

issue of “Rosseti”, march 2020,

no. 1(16), pp. 30-34.

3. Kolechitsky E.S., Medvedev V.T.,

Kondratyeva O.E. Fundamentals of

labor protection and safety in electri-

cal installations. Moscow: Ed. house

MEI, 2015, 618 p.

4. GOST 12.1.038—82. Occupational

safety standards system. Electric

safety. Maximum permissible valuies

of pickp voltages and currents.

5. Kosorukov A.V., Zaitseva K.I. Wells

for transposition of shields for cable

lines 6-500 kV. Design of grounding

devices // News of electrical engi-

neering, 2016, no. 2 (98).

6. STO 56947007-29.130.15.114-2012.

Guidelines for the design of ground-

ing devices for 6-750 kV substations.

JSC FGC UES, 2012.

7. IEC 60479-1 Eﬀ ects of current on

human beings and livestock – Part 1:

General aspects Edition 1.0 2018-12.

URL: https://docs.cntd.ru/document/

552133052.

8. IEEE Std 80-2013 Guide for safety in

ac substation grounding.

9. Lee Ch.-H., Sakis Meliopoulos A.P.

A Comparison of IEC 479-1 and IEEE

Std 80 on Grounding Safety Crite-

ria Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A),

1999, vol. 23, no. 5, pp. 612-621.

10. Dina A., Zaharescu V., Guzun B.,

Comanescu G. Maximum permis-

sible touch and step voltages as-

sessment in high voltage systems

(> 1 kV) U.P.B. Sci. Bull., Series C,

vol. 74, iss. 3, 2012.

№

2 (65) 2021

Оригинал статьи: Определение максимального допустимого напряжения шага на подстанции

Ключевые слова: электробезопасность, напряжение шага, заземляющее устройство

Читать онлайн

В статье рассмотрена проблема отсутствия в российской нормативно-технической документации нормирования напряжения шага, которое необходимо для всесторонней оценки безопасности персонала энергетических объектов. Предложен способ расчета максимального допустимого напряжения шага с использованием стандартов IEC 60479-1 и IEEE Std 80. Предложено дополнение действующей нормативно-технической документации в области электробезопасности.