ftd

Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

658.382(07) О753

А.И. Сидоров, И.С. Окраинская, И.В. Скуртова, А.Б. Тряпицын

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

Учебное пособие к лабораторным работам

Челябинск Издательский центр ЮУрГУ

2011

УДК 658.382.3(075.8) + [621.3:658.382.3](075.8) О753

Одобрено учебно-методической комиссией механико-технологического факультета

Рецензенты:

Ю.Г. Горшков, П.Б. Шишмаков

Основы электробезопасности: учебное пособие к лаборатор-

О753 ным работам / А.И. Сидоров, И.С. Окраинская, И.С. Скуртова, А.Б. Тряпицын. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 85 с.

Учебное пособие включает в себя восемь лабораторных работ, которые предусматривают ознакомление студентов с разделом «Основы электробезопасности» курса «Безопасность жизнедеятельности».

В учебном пособии рассмотрены следующие вопросы: явления при стекании тока в землю, сопротивление тела человека, анализ опасности поражения электрическим током в сетях с различным режимом нейтрали, средства обеспечения электробезопасности (устройства защитного отключения, контроль изоляции, защитное заземление, самозаземление).

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения электротехнических специальностей различных факультетов университета.

УДК 658.382.3(075.8) + [621.3:658.382.3](075.8)

© Издательский центр ЮУрГУ, 2011

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Цель работы

Ознакомиться с методикой исследования электрических параметров тела человека. Изучить зависимость сопротивления тела человека от частоты и площади контакта с ведущей частью.

1. Основные положения

Первые измерения электрических параметров организма человека относится к началу XIX века. Так, А.С. Пресс указывает в своей монографии «Электрические установки» на первые опыты Вольта по измерению сопротивления тела человека. Первые измерения, носящие исследовательский характер, связывают с именем проф. Вебера и относят к 1836 г.

Первой большой отечественной работой этого профиля следует считать докторскую диссертацию И.П. Тишкова (1886 г.), в которой приведены результаты опытов по измерению сопротивления организма.

Опыт Д´Арсонваля по изучению действия токов высокой частоты на организм человека послужили основой для развития одного из методов современной электротерапии – диатермии (лечение токами высокой частоты). Аналогично опыты проф. Ледюка (1903 г.) по изучению влияния продолжительности воздействия токов различной частоты на нервномышечное возбуждение явились одним из основополагающих исследований в области электронаркоза.

К электротехническим характеристикам тела человека следует отнести его сопротивление, зависимость этого сопротивления от факторов окружающей среды, рода и частоты воздействующего тока, продолжительности приложения напряжения, схему замещения тела человека.

Перечисленные параметры исследуются методом амперметравольтметра, причем человек (его тело) является элементом экспериментальной установки. На характеристики тела человека оказывают влияние форма электрода, усилие нажатия на него и ряд других факторов.

Сопротивление тела человека, измеренное при напряжении 10...12 В переменного синусоидального тока частотой 50 Гц по пути рука–рука, составляет 3...6 кОм. Считается, что это сопротивление складывается из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи (эпидермиса), которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека, и одного, называемого внутренним сопротивлением тела, которое включает сопротивление внутреннего слоя (дермы) и внутренних тканей тела (рис. 1).

3

1

а)

1

2

RH RH

RB

б)

CH CH

Rh

в)

Ch

Рис. 1. Сопротивление тела человека: а) – схема измерения

2 – эпидермис; 3 – внутренние ткани человека; RH – активное сопротивление наружного слоя кожи; СН – емкость конденсатора, образовавшегося в месте контакта с электродами; RB – внутреннее сопротивление тела; Rh – активное

сопротивление тела; Ch – емкость тела

Сопротивление эпидермиса состоит из активного RH и емкостного xH сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется как бы конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком, разделяющим обкладки – этот слой (эпидермис) (см. рис. 1, а).

Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода S, м2, толщины эпидермиса dЭ, м, и его электрической проницаемости ε, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. При токе f = 50 Гц значения ε находятся в пределах 100...200.

4

Емкость конденсатора, Ф

где ε0 = 8,85·10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Активное сопротивление эпидермиса RH, Ом, зависит от его удельного сопротивления ρЭ, значения которого находятся в пределах 104...105 Ом·м, а также от S и dЭ

Сопротивление внутренних тканей тела RВ считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно тоже обладает емкостной составляющей.

Значение внутреннего сопротивления зависит от длины и поперечного сечения участка тела, по которому проходит ток, а также от удельного сопротивления внутренних тканей организма ρВ,, усредненное значение которого при токе частотой до 1000 Гц составляет 1,5...2,0 Ом·м. Значение RB практически не зависит от площади электродов, частоты тока и равно при-

мерно 500...700 Ом.

Сопротивление кожи, а следовательно, и тела в целом резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличии влаги на ее поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.

Повреждение рогового слоя – порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы – могут снизить сопротивление тела человека до значения, близкого к значению его внутренних тканей (500...700 Ом), что, безусловно, увеличивает опасность поражения человека током.

Увлажнение кожи понижает ее сопротивление даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. так, увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой снижает сопротивление тела на 30...50, а дистиллированной водой – на 15...35%. Объясняется это тем, что влага, попавшая на кожу, растворяет на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной.

При длительном увлажнении кожи роговой слой ее разрыхляется, насыщается влагой, в результате чего его сопротивление почти полностью утрачивается.

Таким образом, работа сырыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение.

Потовыделение обусловлено деятельностью потовых желез, находящихся в нижнем (внутреннем) слое кожи (рис. 2). У человека около 500 потовых желез на 1 см2 кожи.

5

Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека на разных участках тела неодинаковое. Кроме того, различным (хотя и в незначительных пределах) оказывается и внутреннее сопротивление при изменении длины пути тока по внутренним тканям организма.

Разница в значениях сопротивления кожи на разных участках тела объясняется рядом факторов, в том числе:

–различной толщиной рогового слоя кожи;

–неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела;

–неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи. Наименьшим сопротивлением обладает кожа лица, шеи, рук на участке

выше ладоней, в особенности на стороне, обращенной к туловищу, подмышечных впадин, тыльной стороны кистей рук.

Увеличение тока, проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия на ткани. Это, в свою очередь, вызывает рефлекторно, т. е. через центральную нервную систему, быструю ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи, а следовательно усиление снабжения ее кровью и повышение потоотделения, что и приводит к снижению электрического сопротивления кожи в этом месте.

Повышение напряжения, приложенного к телу человека Uпр, вызывает уменьшение в десятки раз его полного сопротивления zh, которое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления подкожных тканей тела (примерно 300 Ом). Многочисленные опыты подтверждают характер этой зависимости, хотя значения сопротивлений, полученные при замерах разными авторами, обычно сильно различаются. Объясняется это главным образом разными условиями опытов (которые проводились с животными и трупами людей и лишь в пределах безопасных токов – с живыми людьми), а также индивидуальными особенностями испытуемых.

Для напряжений 5 В и выше при переменном токе 50 Гц эта зависимость может быть выражена следующей формулой:

где Uпр – приложенное напряжение в вольтах.

Изменение zh с ростом приложенного напряжения происходит в основном за счет уменьшения сопротивления кожи и объясняется влиянием ряда факторов, в том числе пробоем рогового слоя кожи под влиянием приложенного напряжения, который наступает при напряжении примерно 40 В.

Длительность протекания тока заметно влияет на сопротивление кожи, а следовательно, на zh в целом, вследствие усиления с течением времени кровоснабжения участков кожи под электродами, потовыделения и т. п.

7

Опыты показывают, что при небольших напряжениях (20...30 В) за 1...2 мин сопротивление понижается обычно на 10...40% (в среднем на 25%), а иногда и больше.

При большем напряжении, а следовательно, при большем токе, сопротивление тела снижается быстрее, что объясняется, по-видимому, более интенсивным воздействием на кожу тока большего значения.

Например, замеры, произведенные в США во время одной казни на электрическом стуле, показали, что сопротивление тела человека, равное 800 Ом в момент включения напряжения 1600 В, через 50 с снизилось до

517 Ом, т. е. на 35%.

На значение zh кроме рассмотренных влияют и другие факторы, хотя и в значительно меньшей степени.

Пол и возраст. У женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей – меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других – толще и грубее.

Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека, – болевые (уколы и удары), звуковые, световые и пр. – могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20...50%.

Уменьшение или увеличение парциального давления кислорода в воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.

Повышенная температура окружающего воздуха (30...45 ºС), или тепловое облучение человека, вызывает некоторое понижение zh, даже если человек в этих условиях находится кратковременно (несколько минут) и у него не наблюдается усиления потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате из расширения, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.

Общепринятая схема замещения (см. рис. 1, б) не объясняет ряд явлений, в частности, характер изменения сопротивления тела человека в области низких частот (рис. 3) и явление полярности при протекании через тело человека постоянного и выпрямленных токов.

Совместный анализ кривых zh и Ih показывает, что на частоту 1 Гц возникает явление, подобное резонансу токов. Это означает, что в схеме замещения для данного диапазона f необходимо предусмотреть индуктивность. Введение индуктивной составляющей в схему замещения не означает, что в теле человека существуют сосредоточенные индуктивности. Мы можем утверждать, что в области низких частот тело человека подобно двухполюснику, содержащему индуктивность. Это подобие объясняет тот

8

факт, что в данном диапазоне частот эффект неотпускания не наблюдается, т.к. возникающая задержка в изменении тока обеспечивает опережающее развитие защитной реакции организма.

Ih, zh

Ih

zh

f

Рис. 3. Изменение характеристик тела человека в области низких частот

Явление полярности может быть объяснено при наличии в схеме источника тока определенной полярности.

Откуда же появился источник тока? Воздействующие токи являются внешними раздражителями, возбуждающие нервную систему человека. Передача нервного импульса происходит за счет изменения потенциала на мембране нервного волокна. Это и приводит в момент воздействия внешнего раздражения к образованию источника тока. На рис. 4 представлена схема замещения сопротивления человека.

i (t)

RH RH

RB

CH L CH

Рис. 4. Обобщенная схема замещения тела человека

9

2. Описание лабораторного стенда

Стенд выполнен в виде самостоятельного прибора настольного исполнения. Внешний вид лицевой панели приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид стенда для исследования сопротивления тела человека

3.Меры безопасности

3.1.Все работы выполняются с разрешения преподавателя.

3.2.Положение органов управления должно соответствовать меткам, указанным на стенде.

4.Подготовка стенда к работе

4.1.Произведите внешний осмотр стенда и убедитесь в его целостности, надежном креплении крепежных винтов.

4.2.Подсоедините сетевой кабель (из комплекта стенда) к стенду и сетевой розетке с заземляющим контактом.

5.Порядок выполнения работы

5.1.Изучите содержание работы.

5.2.Изучите расположение приборов и органов управления на стенде.

10