18 Nevarnosti za uporabnike
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