18 Nevarnosti za uporabnike

Comments

Transcription

18 Nevarnosti za uporabnike
Nevarnosti za uporabnika
Razdelilna in industrijska omrežja
Seminarska naloga
Avtor: Andraž Žugelj
Mentor: prof. dr. Grega Bizjak
April 2015
Kazalo
Uvod ........................................................................................................................................................ 2
Nevarnost električnega toka in napetosti ............................................................................................... 3
Upornost človeka..................................................................................................................................... 6
Napetost koraka ...................................................................................................................................... 8
Napetost dotika ..................................................................................................................................... 10
Izpostavljenost uporabnika ................................................................................................................... 11
Napetost koraka ................................................................................................................................ 11
Napetost dotika ................................................................................................................................. 11
Zaščitni ukrepi ....................................................................................................................................... 12
Vprašanja in odgovori............................................................................................................................ 13
Domača naloga ...................................................................................................................................... 14
Viri in literatura ..................................................................................................................................... 14
1
Uvod
Elektrika oziroma električna energija je na svetu prisotna že od nekdaj. Vendar takšna, ki jo
imamo mi pod nadzorom ter jo s pridom uporabljamo pa šele dobrih 100 let. Omogoča nam
udobnejše življenje, lažje opravljanje dela, hitrejši napredek ipd. Po drugi strani pa lahko
predstavlja tudi nevarnosti za življenje in materialne dobrine. Namen te seminarske naloge je
predstaviti nevarnosti, ki prežijo na porabnike, kje so le-te najbolj izpostavljeni ter kakšne
zaščitne ukrepe poznamo in uporabljamo za zmanjševanje nevarnosti. V ospredju bodo sicer
razdelilna in industrijska omrežja vendar določene omenjene vsebine veljajo tudi za
distribucijska omrežja.
2
Nevarnost električnega toka in napetosti
V kolikor med dve točki ( bodisi dve sponki, dva vodnika, dve ohišji idr. ), ki sta na različnem
električnem potencialu, torej je med njima prisotna električna napetost, priključimo neko
breme z impedanco Z, bo čezenj stekel električni tok. Kako velik bo ta tok je odvisno od
velikosti napetosti in impedance bremena. Takšno breme lahko predstavlja tudi človek.
Človeško telo je v določeni meri električno prevodno. V kolikor bi se nahajalo med prej
omenjenima točkama, bi skozenj stekel električni tok. Od velikosti tega toka je odvisno
kakšno škodo bi naredil telesu.
Slika 1 Primeri posledice prevajanja električnega toka skozi človeško telo
Povprečen zdrav človek naj bi tok velikosti 1 mA (miliamper) čutil kot lahko ščemenje. Do
velikosti toka 9 mA je človek še vedno zmožen upravljati svoje mišice; jih krčiti in sproščati
ter s tem premikati svoje okončine. Do tega toka ima torej še vedno zmožnost spustiti
objekt, ki je pod napetostjo ter s tem prekiniti tokokrog. V območju tokov od 9 do 25 mA so
lahko tokovi že boleči in lahko povzročijo delno do popolno neodzivnost oziroma izgubo
nadzora nad mišicami. Pri večjih tokovih lahko mišični krči povzročijo težave z dihanjem. Pri
večini ljudi tokovi med 60 in 100 mA povzročijo ventrikularno fibrilacijo ( nepravilen srčni
ritem ). Višji tokovi lahko povzročijo zastoj srca ali pa opekline. Študije so pokazale, da 99,5%
3
vseh zdravih ljudi lahko za čas od
prenese tok skozi srce, ki ga izračunamo
po spodnji formuli:
kjer je:
Ib = največji tok skozi telo
t = čas trajanja
Sb = empirična konstanta povezana z energijo električnega udara, ki jo je prenesel določen
odstotek ljudi, in znaša 0,0135 osebe z telesno maso 50 kg, in 0,0246 za osebe z telesno
maso 70 kg.
Z vstavitvijo te konstante v zgornjo formulo dobimo za tok Ib vrednosti
za
telo mase 50 kg, ter
za telo mase 70 kg. Zgornja formula in ta dva rezultata
veljata za samo za čase od 0.03 s do 3.0 s. Za preostale čase in tokove je IEC izdal standard
različnih časovno-tokovnih območij električnega udara, ki jih je lahko človeško telo deležno.
Ta območja so vrisana v spodnji diagram
Slika 2 Različna časovno tokovna območja učinka, ki ga povzroči izmenični tok frekvence 15-100 Hz na človeškem telesu.
1. rahlo zaznavanje, 2. precejšnje nelagodje, 3. mišični krči, 4. povečano tveganje za nastanek ventrikularne fibrilacije 
C1 = tveganost 5%, C2= tveganost > 50%
4
Po resnem oziroma hudem električnemu udaru, srce potrebuje približno 5 minut, da se
povrne v normalni ritem. V primeru da pride začasa, ko tok teče skozi telo, do avtomatske
prekinitve tokokroga s strani zaščite, ter za tem do ponovnega vklopa pri katerem ponovno
steče tok skozi telo, se učinka obeh intervalov prevajanja tokov seštejeta. Učinek dveh
intervalov prevajanja tokov z nekim določenim časom, npr. t 1 in t2 je enak, kot če bi tok tekel
brez pavze za čas t = t1 + t2.
Fibrilacijski tok je odvisen od telesne mase, saj je empirična konstanta Sb funckija mase. V
spodnjem diagramu je prikazana odvisnost kritičnega (fibrilacijskega) toka od mase telesa za
različne vrste živali ( tele, ovca, pes in prašič ) ter določen del območja, ki velja tudi za
sesalce.
Slika 3 Fibrilacijski tok v odvisnosti od telesne mase različnih živali osnovan na 3 sekunde trajajočem električnemu udaru.
5
Upornost človeka
Pot toka skozi telo je odvisna od tega, s katerima deloma telesa se telo dotika dveh točk z
različnima potencialoma. Najbolj pogosta primera sta napetost koraka, kjer se tokokrog
sklene skozi noge in pa napetost dotika, kjer tok vstopi v telo skozi roko nadaljuje svojo pot
skozi trup do noge, ter skozi nogo naprej v zemljo. Zakaj in kako pride do tega si bomo
pogledali v naslednjem poglavju. Kot je bilo že prej omenjeno, človeško telo predstavlja neko
upornost. Ta upornost je odvisna od več dejavnikov ( sama pot toka, vlažnost kože, kako
mastna je koža, premer in dolžina roke, … ). IEEE Standard 80-2000 priporoča za povprečno
vrednost upornosti človeškega telesa 1000 Ω. S tem podatkom lahko nadalje računamo:
Upornost koraka ( noga-noga ),
Upornost dotika ( roka-noga ),
Kjer je ρs upornost zemlje (prsti) v enotah Ωm. Dejanski izmerjeni upornosti za človeško telo
sta 2300 Ω za upornost koraka, ter 1100 Ω za upornost dotika. Potrebno je še opozoriti, da
multiplikator pred upornostjo zemlje v zgornjih dveh enačbah velja za krožne elektrode, ki so
v neposrednem stiku s roko in/ali nogo.
Z združitvijo formul za fibrilacijski tok ter upornosti človeškega telesa, dobimo formuli za
napetost koraka in napetost dotika:
Te dve formuli sta splošno veljavni po celem svetu. Imenujemo ju merilo za dovoljeno
napetost koraka in napetost dotika. Z upoštevanjem materialov za povečanje zemljine
upornosti, kot so npr. plasti zdrobljenega kamenja posute na površju zemlje, se zgornji dve
enačbi prelevita v
kjer je cs = 1, v kolikor na površini ni zaščitne plasti materiala, ki bi povečala upornost zemlje.
Sicer je pa cs funkcija hs , ki je globina ( debelina ) zaščitne plasti, ter faktorja k, ki predstavlja
večplastnost zemlje zaradi dodatne zaščitne plasti. Faktor k izračunamo po spodnji formuli
kjer je ρ upornost zemlje ( brez zaščitne plasti ) v enotah Ωm, ter ρs upornost zaščitne plasti
prav tako v enotah Ωm. S znanima hs in k, lahko s pomočjo spodnjega diagrama določimo cs.
6
Slika 4 Faktor cs v odvisnosti od globine zaščitne plasti hs
Aktivnost
Dotik žice s prstom
Prijem žice z roko
Prijem kovinskih klešč z roko
Dotik z dlanjo roke
Prijem kovinske cevi za eno
roko
Prijem kovinske cevi z obema
rokama
Pomakanje roke v prevodno
tekočino
Pomakanje noge v prevodno
tekočino
Upornost kože
Suha koža
40 kΩ do 1 MΩ
15 kΩ do 50 kΩ
5 kΩ do 10 kΩ
3 kΩ do 8 kΩ
1 kΩ do 3 kΩ
Vlažna koža
4 kΩ do 15 kΩ
3 kΩ do 5 kΩ
1 kΩ do 3 kΩ
1 kΩ do 2 kΩ
500 Ω do 1500 Ω
500 Ω do 1500 Ω
250 Ω do 700 Ω
200 Ω do 500 Ω
100 Ω do 300 Ω
Tabela 1 Upornost človeka še za nekaj primerov
7
Napetost koraka
Napetost koraka je definirana kot razlika dveh potencialov na neki površini na kateri stoji
prizadeta oseba z korakom dolžine 1 m, brez dotikanja ostalih ozemljenih objektov.
Slika 5 Napetost koraka, Rf = upornost med stopalom in zemljo, Rb = upornost telesa, Rg = upornost zemlje
Nam najbolj znan in iz pedagoških razlogov priljubljen primer v katerem lahko pride do
napetosti koraka je ozemljilo, ki vodi nek tok v zemljo. V kolikor preko ozemljila teče tok v
zemljo, se v zemlji ustvari tako imenovani potencialni lijak. Ta predstavlja porazdelitev
potenciala od mesta kjer je ozemljilo vkopano v zemljo do neskončno oddaljene točke.
Največjo vrednost zavzame potencial tik ob ozemljilu ter nato upada z večanjem razdalje.
Vzrok nastanka tega lijaka je v upornosti ozemljila ter upornosti zemlje. Ko skozi ozemljilo
teče tok, se zaradi upornosti na ozemljilu in zemlji pojavi padec napetosti. Napetost je razlika
dveh
potencialov
in
če
privzamemo, da je eden od
potencialov neskončno oddaljen in
je njegova vrednost 0 V, je
vrednost drugega potenciala, ki je
na ozemljilu samemu, enaka
vrednosti padca napetosti.
Vmes med tema dvema mejnima
vrednostma se potencial zvezno
Slika 6 Napetostni lijak
8
spreminja.
V kolikor bi se človek sprehajal radialno navzven ali navznoter v okolici ozemljila, ko le ta
odvaja električni tok v zemljo, bi se med njegovima nogama pojavila napetost koraka saj bi
vsaka noga stala na drugačnem potencialu. Ta napetost koraka bi skozi njegovi nogi pognala
tok. Kako velik bi bil ta tok je odvisno od tega, kakšno upornost takrat predstavlja človek, ter
kakšen tok teče skozi ozemljilo v zemljo, saj je od tega toka posledično odvisna tudi velikost
potenciala.
Za ilustracijo si poglejmo naslednji zgled:
Vzemimo, da skozi polkrogelno ozemljilo teče tok 10 A. Zanima nas na kolikšnem potencialu
se nahaja ozemljilo, in kolikšna je napetost koraka nesrečneža, ki se z eno nogo dotika
ozemljila ter stoji v razkoraku dolžine 0.75 m. Polmer ozemljila je 1 m, prevodnost zemlje pa
10-3 S/m.
Podatki
Električni potencial je definiran kot
dobili iz formule za tokovo gostoto:
. Vektor električne poljske jakosti bomo
, pri čemer je tokova gostota
. Od tukaj
naprej bomo računali z absolutnimi vrednostmi, zato bomo vektorski opis izpustili. Iz druge
enačbe, z poznavanjem tokove gostote J, izrazimo E
Kar vstavimo v formulo za električni potencial in dobimo za potencial ozemljila
Za izračun napetosti koraka v formuli za električni potencial samo zamenjamo zgornjo mejo
9
Napetost dotika
Drugi primer napetosti, ki požene tok skozi telo je t. i. napetost dotika. Definirana je kot
razlika potencialov med točko povišanega potenciala ( EPR – earth potential rise), ki se jo
prizadeta oseba dotika z roko in potencialom površine na katerem oseba stoji.
Slika 7 Napetost dotika. Rf = upornost med stopali in zemljo, Rb = upornost telesa, Rg = upornost zemlje
Kratica EPR (earth potential rise ) ali GPR ( ground potential rise ) opisuje pojav, ko se na
določeni opremi ali delu opreme, ki je sicer ozemljen in na potencialu 0 V, dvigne električni
potencial. Do tega pride, ko skozi ozemljilo teče tok. Ustvari se potencialni lijak, kot je že
opisano v prejšnjem poglavju. Zaradi tega potencialnega lijaka se ozemljilu, in vsemu kar je
neposredno vezano nanj, dvigne potencial, kar povzroča nevarnost za uporabnika. V
primeru, da bi se človek držal za ozemljilo ali kakšen drug objekt z povišanim potencialom,
stal bi pa na nižjem potencialu, bi se zaradi različnih potencialov med roko in nogami pojavila
napetost, ki bi pognala tok.
Za zgled izračunajmo kolikšna napetost dotika zna biti že nevarna za povprečnega zdravega
človeka. Kot smo v poglavju o nevarnosti električne napetosti in toka že videli, tokovi nad 25
mA že predstavljajo določeno nevarnost. Vzemimo torej da skozi telo teče tok 25 mA, za
upornost telesa pa vzemimo vrednost 1100 Ω. Napetost dotika, ki bi pognala takšen tok
skozi telo je tako:
10
Izpostavljenost uporabnika
Napetost koraka
Uporabnik je najbolj izpostavljen napetosti koraka pri raznih ozemljenih objektih/predmetih.
Pri tem nimamo v misli samo ozemljila hiš, temveč tudi strelovodne poti posameznih hiš in
stavb, daljnovodne stebre, tako kovinske kot tudi lesene, fazni vodnik, ki se dotika zemlje; ob
res neugodnih razmerah ( npr. udar strele v zaščitni vodnik ) lahko tudi zaščitni vodnik
daljnovoda, ki se dotika tal predstavlja nevarnost in pa nenazadnje tudi drevesa. Če
posplošimo, do napetosti koraka lahko pride v okolici vseh objektov, ki so povezani z zemljo,
in obstaja možnost, da bi skozi njih pod določenimi pogoji stekel nek tok. Kot za napetost
koraka tudi za napetost dotika velja, da obe prežita na uporabnike v RTP-jih (razdelilnih
transformatorskih postajah), TP-jih (transformatorskih postajah) in RP-jih (razdelilnih
postajah).
Napetost dotika
Tovrstna nevarnost je bolj pogosta kot nevarnost napetosti koraka, saj so pogoji za nastanek
napetosti dotika lažje in prej izpolnjeni. Do napetosti dotika lahko pride pri uporabi
okvarjenega orodja, kjer se zaradi kakšne napake ( npr. poškodovana izolacija ) na ohišju
orodja pojavi nek potencial. V primeru, da bi se uporabnik z roko dotikal tega potenciala,
sam pa bi stal na drugačnem potencialu, bi bil izpostavljen napetosti dotika. Prav tako pride
do napetosti dotika tudi pri dotiku faznega vodnika, ali pa če se zmaj ( otroška igrača )
dotakne faznega vodnika. Uporabniki v razdelilnih omrežjih so najbolj izpostavljeni na
postajah ( RTP, TP, RP ) lahko pa pride do tega tudi v distribucijskem omrežju oziroma v
nizkonapetostnih inštalacijah, npr. dvig potenciala na ohišju vrtalnikov, ali pa kopičenje
naboja na ohišju računalnikov idr.
V določenih primerih je uporabnika lahko izpostavljen tako eno kot tudi drugi nevarnosti. V
primeru, da skozi ohišje nekega objekta ali naprave ( npr. transformator ), ki je ozemljena,
teče nek tok v zemljo se v okolici pojavi potencialni lijak, in uporabnik, ki se nahaja v bližini,
je izpostavljen napetosti koraka. Po drugi strani, se pa zaradi padca napetosti zaradi
ponikalne upornosti ( upornost ozemljila + upornost zemlje ) dvigne potencial na ohišju
naprave. Za uporabnika, ki bi se nahajal ravno dovolj stran od naprave, tako da ne bi bil več
izpostavljen potencialnemu lijaku, bi se pa z roko posredno dotikal ohišja, bi to pomenilo
nevarnost napetosti dotika. Še en primer, v katerem bi lahko prišlo do ene in/ali druge
nevarnosti je pretrganje ali pa poškodba izolacije visokonapetostnega kabla.
11
Slika 8 Primer prisotnosti obeh nevarnosti
Zaščitni ukrepi
Proti električnemu udaru, ki je posledica napetosti koraka ali napetosti dotika, se zaščitimo z
naslednjimi ukrepi:
ozemljitve
glavni namen ozemljitve je zaščita uporabnikov. Ozemljitve uporabljamo bodisi za
ohranjanje potenciala 0 V na prevodnih ohišjih raznih naprav in orodij in/ali odvajanje
odvečnega naboja, ki bi lahko prišel v stik z uporabnikom, v zemljo.
Pri
načrtovanju
ozemljitev
moramo
upoštevati
dvoje:
- zagotoviti moramo, da osebam v bližini ozemljenih objektov ne preti nevarnost
električnega
udara
- omogočiti mora odvod električnega toka ( naboja ) v zemljo, v vsakem trenutku in
brez prekoračitve mej normalnega obratovanja
dvojna
ali
ojačana
izolacija
temu zaščitnemu ukrepu morajo zadostiti predvsem naprave, ki se jih uporablja v
distribucijskem omrežju ter nizkonapetostnih inštalacijah, vendar pa najdemo tudi v
razdelilnem omrežju kje kakšno orodje, ki mora ustrezati predpisom varne izolacije.
Namen izolacije je, da prepreči uporabniku dotik ohišja naprave ( razno orodje,
transformatorji ), ki bi lahko bila na nekem potencialu. To lahko dosežemo tudi s tem,
da z varnostno ograjo ogradimo tovrsten naprave.
12
samodejni odklop napajanja
v primeru, da pride do kakšne napake v omrežju, bi se to pokazalo na nesimetriji
električnih tokov/napetosti in/ali odstopanju vrednosti tokov/napetosti od normalnih
oz. nazivnih. Za primer lahko vzamemo dotik visokonapetostnega voda z zemljo (
enopolni kratek stik ), ali pa dotik faznega vodnika s strani uporabnika. Zaščita mora
takšne napake v omrežju zaznati ter jih izklopiti.
vodenje potenciala
sem spada nanos manj prevodnega materiala ( npr. kamenje ) na površino v okolici
ozemljila, si čimer povečamo upornost površine, na kateri bi lahko stal človek, ter s
tem zmanjšamo tokove na površini ter jih »preusmerimo« skozi zemljo
ustrezno načrtovanje omrežja
sem spada koordinacija izolacije, dovolj velike varnostne razdalje ( med vodniki, med
vodniki in okolico,… )
ustrezno mehansko dimenzioniranje
tokovi v vodnikih povzročajo magnetne sile med vodniki. Tokovni sunek povzroči tudi
sunek sile, ki lahko zaniha vodnik kar ima lahko za posledico odtrganje vodnika od
stebra daljnovoda.
izobraževanje javnosti o nevarnostih
uporaba osebne zaščitne opreme
Vprašanja in odgovori
1. Kakšne posledice lahko pusti električen tok na človeškem telesu in kolikšen tok je že
nevaren za življenje?
Prevajanje električnega toka skozi telo se pokaže kot ščemenje, nezmožnost upravljanja
mišic, težave z dihanjem, drugačen ( neenakomeren ) ritem srca, zastoj srca, opekline.
2. Koliko znašata upornost dotika in upornost koraka človeškega telesa po standardu
IEC?
Upornost dotika znaša 1100 Ω, upornost koraka pa 2300 Ω.
3. Kako je definirana napetost koraka in kje lahko pride do nje?
Napetost koraka je razlika dve površinskih potencialov med katerima stoji oseba z
razkorakom dolžine 1 m ter brez stika z ostalimi ozemljenimi objekti.
Do napetosti koraka lahko pride v okolici ozemljil, ki lahko pod določenimi pogoji vodijo
električni tok v zemljo.
4. Kako je definirana napetost dotika in kje lahko pride do nje?
13
Napetost dotika je definirana kot razlika potencialov med točko z povišanim potencialom in
točko, kjer oseba stoji. Da pride do napetosti dotika se mora oseba dotika obeh potencialnih
točk.
Domača naloga
Poiščite vrednosti toka, ki steče v zemljo skozi ozemljilo, ob atmosferski razelektritvi ( strela ), ter
izračunajte potencial ozemljila ter napetost koraka. Ozemljilo je polkrogelno s polmerom 1 m, za
dolžino koraka pa uporabite vrednost 0,75 m.
Viri in literatura
Sallam, Abdelhay A., Malik Om. P.: Electric distribution systems. IEEE Press, 2011
Tabela 1
http://lpvo.fe.uni-lj.si/izobrazevanje/2-stopnja-un/konstruiranje-elektronskih-naprav-ken/#c668
Prosojnice: 05_KEN_Standardi.pdf
Slike:
misc.medscape.com
medicinembbs.blogspot.com
webvision.med.utah.edu
www.outdoorsmenforum.ca
14