Путь протекания тока при электрическом ударе

Как мы уже узнали, электричеству для непрерывного протекания тока требуется полный замкнутый путь (цепь). Вот почему электрический удар, полученный от статического электричества, представляет собой лишь мгновенный толчок: протекание тока при нем обязательно кратковременное, пока между двумя объектами уравниваются статические заряды. Подобные самоограниченные электрические удары редко бывают опасными.

Без двух точек контакта на теле для входа и выхода тока, соответственно, нет опасности поражения электрическим током. Вот почему птицы могут спокойно отдыхать на высоковольтных линиях электропередач, не подвергаясь электрическому удару: они контактируют с цепью только в одной точке.

Чтобы ток протекал по проводнику, должно присутствовать напряжение, которое побуждает его протекать. Напряжение, как вы должны помнить, всегда является относительной величиной между двумя точками. Не существует такого понятия, как напряжение «на» или «в» одной точке цепи, поэтому, когда птица контактирует с одной точкой в вышеуказанной цепи, к ее телу не прикладывается напряжение, необходимое, чтобы заставить ток течь через него.

Да, даже если птица опирается на две лапы, обе лапы касаются одного и того же провода, что делает их электрически общими. С точки зрения электричества, обе птичьи лапы касаются одной и той же точки, поэтому между ними нет напряжения, которое могло бы стимулировать ток протекать через тело птицы.

Это может привести к мысли, что невозможно получить удар электричеством, прикоснувшись только к одному проводу. Если мы будем, как птицы, в какой-либо момент касаться только одного провода, мы будем в безопасности, верно? К сожалению, это не так. В отличие от птиц, при контакте с «живым» проводом люди обычно стоят на земле.

Часто одна сторона энергосистемы будет намеренно подключена к заземлению, и поэтому человек, касающийся одного провода, фактически устанавливает контакт между двумя точками в цепи (провод и заземление):

Условное обозначение заземления – это набор из трех горизонтальных полос уменьшающейся ширины, расположенный в нижнем левом углу на схеме выше, а также у ступни человека, которого ударило током. В реальной жизни заземление энергосистемы представляет собой какой-то металлический проводник, закопанный глубоко в землю для максимального контакта с землей. Этот проводник электрически подключен к соответствующей точке в цепи толстым проводом. Заземление пострадавшего осуществляется через ноги, которые касаются земли.

В этот момент у студента обычно возникает несколько вопросов:

• Если наличие точки заземления в цепи обеспечивает легкодоступную точку контакта, чтобы получить электрический удар, зачем оно вообще в цепи? Разве схема без заземления не была бы безопаснее?
• Человек, которого ударило током, вероятно, не ходит босиком. Если резина и ткань являются диэлектрическими материалами, то почему обувь не защищает человека, предотвращая формирование цепи?
• Насколько хорошим проводником может быть земля? Если вы можете получить удар электрическим током, проходящим через землю, почему бы не использовать землю в качестве проводника в наших цепях электропитания?

Отвечая на первый вопрос, наличие точки намеренного «заземления» в электрической цепи предназначено для обеспечения безопасного контакта с одной ее стороной. Обратите внимание, что если бы наш пострадавший на приведенном выше рисунке коснулся нижней стороны резистора, ничего бы не произошло, даже если бы его ноги всё еще касались земли:

Поскольку нижняя сторона цепи надежно соединена с землей через точку заземления в нижнем левом углу схемы, нижний провод цепи электрически соединен с землей. Поскольку между электрически общими точками не может быть напряжения, к человеку, контактирующему с нижним проводом, не будет приложено напряжение, и он не получит удар электрическим током.

По той же причине провод, соединяющий цепь с заземляющим стержнем/пластинами, обычно остается оголенным (без изоляции), и поэтому любой металлический объект, который его задевает, будет электрически общим с землей.

Заземление цепи гарантирует, что, по крайней мере, одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения. Но как насчет того, чтобы оставить цепь полностью незаземленной? Разве это не сделало бы касание человека только одного провода таким же безопасным, как в случае с птицей, сидящей только на одном проводе? В идеале да. На практике нет. Посмотрим, что происходит без заземления:

Несмотря на то, что ноги человека всё еще соприкасаются с землей, любая точка цепи должна быть безопасной для прикосновения. Поскольку не существует полного пути (цепи), проходящего через тело человека от нижней стороны источника напряжения к его верхней стороне, нет возможности установить протекание тока через человека.

Однако всё это может измениться из-за случайного заземления, например, если ветка дерева касается линии электропередач и обеспечивает соединение с землей:

Такое случайное соединение проводника системы электропитания с землей называется замыканием на землю.

Замыкания на землю

Замыкания на землю могут быть вызваны многими причинами, включая накопление грязи на изоляторах линий электропередач (создание для тока пути через грязную воду от проводника к опоре линии электропередач и к земле, когда идет дождь), проникновение грунтовых вод в подземные линии электропередач, и птицы, приземляющиеся на линии электропередачи, устанавливая своими крыльями замыкание между линией и опорой линии электропередач.

Учитывая множество причин замыканий на землю, они, как правило, непредсказуемы. В случае с деревьями никто не может гарантировать, какого провода могут коснуться их ветви. Если бы дерево задело верхний провод в цепи, это сделало бы верхний провод безопасным для прикосновения, а нижний опасным; а, если дерево касается нижнего провода, это приведет в точности к противоположному сценарию:

Когда ветка дерева соприкасается с верхним проводом, этот провод становится заземленным проводником в цепи, электрически общим с заземлением. Следовательно, между этим проводом и землей нет напряжения, а появляется полное (высокое) напряжение между нижним проводом и землей.

Как упоминалось ранее, ветви деревьев являются лишь одним потенциальным источником замыканий на землю в энергосистеме. Рассмотрим незаземленную энергосистему без соприкосновения деревьев, но на этот раз с двумя людьми, касающимися отдельных проводов:

Когда два человека стоят на земле, контактируя с разными точками цепи, путь для тока электрического удара проходит через одного человека, через землю и через другого человека. Хотя каждый человек думает, что он находится в безопасности, касаясь только одной точки в цепи, их совместные действия создают смертельный сценарий. Фактически, один человек действует как замыкание на землю, что делает его небезопасным для другого человека.

Именно поэтому незаземленные энергосистемы опасны: напряжение между любой точкой цепи и землей непредсказуемо, потому что замыкание на землю может возникнуть в любой точке цепи в любое время. Единственный персонаж, который гарантированно будет в безопасности в этих сценариях, – это птица, которая вообще не связана с землей!

После надежного подключения указанной точки цепи к заземлению («заземления» цепи) безопасность может быть обеспечена, по крайней мере, в этой точке. Это бо́льшая гарантия безопасности, чем полное отсутствие заземления.

Отвечая на второй вопрос, обувь на резиновой подошве действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, чтобы защитить человека от проведения электрического тока через ступни. Однако наиболее распространенные конструкции обуви не являются электрически «безопасными», поскольку их подошва слишком тонкая и состоит из неподходящего материала.

Кроме того, любая влага, грязь или токопроводящие соли из пота тела на поверхности подошвы или проникающие сквозь нее могут поставить под угрозу ту небольшую изолирующую ценность, которую обувь должна была иметь изначально. Существует обувь, специально предназначенная для опасных работ с электричеством, а также толстые резиновые коврики, на которых можно стоять во время работы с цепями под напряжением, но эти специальные средства, чтобы быть эффективными, должны применяться в абсолютно чистом и сухом состоянии.

Достаточно сказать, что обычной обуви недостаточно, чтобы гарантировать защиту от поражения электрическим током от электросети.

Исследования контактного сопротивления между частями человеческого тела и точками контакта (например, с землей) показывают широкий диапазон значений (информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы):

• контакт для рук или ног, изолированных резиной (резиновые сапоги или перчатки): обычно 20 МОм;
• контакт ступни через кожаную (сухую) подошву обуви: от 100 кОм до 500 кОм;
• контакт ступни через кожаную (влажную) подошву обуви: от 5 кОм до 20 кОм.

Как видите, резина не только является гораздо лучшим изолирующим материалом, чем кожа, но и присутствие воды в пористом веществе, таком как кожа, значительно снижает электрическое сопротивление.

Отвечая на третий вопрос, земля – не очень хороший проводник (по крайней мере, когда она сухая!). Из нее слишком плохой проводник, чтобы поддерживать постоянный ток для питания нагрузки. Однако, как мы увидим в следующем разделе, чтобы ранить или убить человека, требуется очень небольшой ток, поэтому даже плохой проводимости земли достаточно, чтобы обеспечить путь для смертельного тока при наличии достаточного напряжения, которое обычно используется в системах электропитания.

Некоторые поверхности земли лучше изолируют, чем другие. Например, асфальт на нефтяной основе имеет гораздо большее сопротивление, чем большинство видов земли или камней. Бетон, напротив, имеет довольно низкое сопротивление из-за внутреннего содержания воды и электролита (проводящего химического вещества).

Резюме

• Поражение электрическим током может произойти только при контакте между двумя точками цепи; то есть когда к телу пострадавшего прикладывается напряжение.
• Цепи электропитания обычно имеют определенную точку, которая «заземлена»: надежно соединена с металлическими стержнями или пластинами, закопанными в землю, чтобы гарантировать, что одна сторона цепи всегда имеет потенциал земли (нулевое напряжение между этой точкой и землей).
• Замыкание на землю – это случайное электрическое соединение проводника цепи с землей.
• Для защиты людей от электрических ударов через заземление изготавливаются специальные изолирующие ботинки, галоши и коврики, но даже эти специальные средства, чтобы быть эффективными, должны быть в чистом и сухом состоянии. Обычная обувь, при изоляции ее владельца от земли, недостаточна для защиты от электрических ударов.
• Хотя земля является плохим проводником, она может проводить достаточный ток, чтобы ранить или убить человека.

Теги