Меню

Поражение электрическим током при шаговом напряжении



Шаговое напряжение: опасная неизвестность и надежная защита

Не смотря на то, что шаговое напряжение, возникающее между участками почвы в результате удара молнии, несет большую опасность, этот физический эффект изучено мало.

Физика и физиология

Шаговое напряжение — это разность потенциалов между двумя участками почвы. При ударе молнии ток «растекается» в почве, создавая зону с высоким потенциалом. При наличии поблизости проводников, может формироваться цепь. Таким проводником может стать человек: ток входит через одну ногу, а выходит через другую, превращая тело в «нагрузку». Ситуация эта крайне опасная, поскольку высокое напряжение вызывает паралич мышц, как от электрошокера. В результате человек может упасть на руки, и, при многокомпонентных молниях, ток последующих разрядов пойдет через сердце, повышая риск его остановки. Если же земли коснется голова, резко увеличивается риск необратимых повреждений центральной нервной системы.

На рисунке ниже слева можно увидеть модель распространения шагового напряжения. Удар молнии направляет ток в почву, и он «растекается» через условные радиусы сопротивления грунта (dI), увеличивая напряжение (dV). Разность потенциалов между радиусами — это и есть шаговое напряжение. Чем выше ток молнии, тем выше напряжение и потенциальная летальность

модель распространения шагового напряжения

В правой части рисунка схематично изображено воздействие шагового напряжения, которое создает нагрузку через ноги (красная стрелка) — поэтому оно и получило название шагового. Обычная молния может нести десятки тысяч ампер тока (I1-2), в результате чего разность потенциалов (V1-V2) может превысить десятки тысяч вольт. Поскольку существует разность напряжений между двумя точками (ногами), то человеческое тело представляет собой комплексное электрическое сопротивление и выступает в роли нагрузки. Величина тока (Ib), проходящего через тело, в этом случае зависит от сопротивления стопы (Rf) и тела (Rb).

Удары молний, в том числе шаговым напряжением, имеют уникальные «физиологические особенности». Прежде всего, это связано с тем, что молнии хоть и несут огромное количество энергии, но выделяется она в очень короткий промежуток времени: 1/10000—1/1000 секунды. Такие удары редко вызывают сильные ожоги и повреждения внутренних органов, как в случае ударов током от обычного электрооборудования. Но молния способна воздействовать на сердце и нервную систему, в том числе периферические нервы. Поэтому последствия удара шаговым напряжением могут быть неожиданно значительными и очень разнообразными: от катаракты, паралича конечностей и хронических болей до нарушений сна и умственной деятельности, потери слуха, памяти и т. д. Наиболее частая причина смерти — остановка сердца.

В своих вебинарах для проектировщиков систем молниезащиты доктор технических наук, профессор Эдуард Меерович Базелян неоднократно отмечал отсутствие четкого определения опасной величины шагового напряжения. Так, известно, что импульсное воздействие молнии 6 кВ может вызвать фибрилляцию сердца и возможную остановку сердцебиения. Но физиология организма людей сложна, и даже меньшее воздействие способно вызвать тяжелые травмы и привести к смерти. В случае с кардиостимуляторами и другими каналами прямого доступа тока к сердечной мышце, иногда достаточно кратковременного воздействия 1 мА для фибрилляции. При этом и высокое сопротивление сухой кожи не является надежной защитой. С шаговым напряжением все еще сложнее, так как ток обычно течет через конечности, а суставы имеют более высокое сопротивление, чем сосуды и мышцы. Из-за этого ткани вблизи суставов могут получить очень сильные повреждения, что приведет к инвалидности. Яркой иллюстрацией грозной силы шагового напряжения стал случай массовой гибели оленей в Норвегии во время грозы. Удар молнии убил 323 диких оленей на участке примерно в 50 метров.

Происшествие в норвежском национальном парке Хардангервидда

Происшествие в норвежском национальном парке Хардангервидда — самый массовый известный случай гибели животных от одного удара молнии. Поражение произошло в результате воздействия шагового напряжения

Животные более уязвимы для шагового напряжения, так как их ноги расположены далеко, и разность потенциалов из-за этого больше, чем у шагающего человека. Местность в норвежском парке каменистая, то есть удельное сопротивление почвы должно быть высокое. В результате напряжение мгновенно выросло и распространилось по большой площади — животные мгновенно погибли на расстоянии десятков метров от места удара молнии.

Расстояние и конструкция защиты

Теория очень важна, но для практики ключевым параметром является расстояние от молниеотвода, на котором шаговое напряжение гарантировано безопасно. Это необходимо, например, при расчетах частоты установке молниеотводов и сеток, рассеивающих напряжение. К сожалению, детальных исследований по этой теме немного, но большой вклад в эту область знаний о молниях внесли военные. Это объясняется тем, что в армиях разных стран не редки случаи ударов молний в молниеотводы складов боеприпасов, вблизи палаток и техники с военнослужащими, причем в разных климатических зонах и погодных условиях. Детально документированные случаи позволили собрать полезную статистику.

Читайте также:  Как узнать напряжение сети формула

Так, в рекомендациях американской армии TRADOC о мерах по защите от молний за 2002 г. отмечаются смертельные случаи от шагового напряжения при ударе молнии на расстоянии примерно 10-20 м от места попадания молнии. При этом большинство случаев поражения молниями — это не прямое попадание разряда, а именно воздействие шагового напряжения и дугового разряда от предметов.

Вопрос расчета ожидаемой величины шагового напряжения решается с помощью специального программного обеспечения и соответствующих услуг специалистов.

Очевидно, наилучшей защитой от шагового напряжение является предотвращение разности потенциалов. Так, птицы находятся в безопасности, сидя на одном фазовом проводе, и не касаясь другого. Лучшей защитой является металлический пол здания или полностью металлическое сооружение, представляющее собой своеобразную клетку Фарадея. Но это не всегда возможно, поэтому для создания зоны равных потенциалов и рассеивания тока молнии применяются металлические сетки уложенные в землю. Улучшить защитный эффект может диэлектрический материал, расположенный поверх нее. Это позволит максимально уменьшить силу тока на поверхности, с которой соприкасаются люди.

Схемы конструкции и расположения молниезащиты с элементами (сеткой), рассеивающими ток

В военных наставлениях по защите от молний даются простые наглядные схемы конструкции и расположения молниезащиты с элементами (сеткой), рассеивающими ток. Подобные системы молниезащиты можно быстро собрать из готовых комплектующих.

В местах, где используется бетонный пол, допускается использование сетки из арматуры, но она должна быть надежно соединена между собой и подключена к заземлению. Примером использования сеток в грунте являются стадионы, которые готовили к Чемпионату мира по футболу в 2018 г. в России. На этих объектах использовалась сетка с квадратными ячейками длиной 0,15 м. Профессор Эдуард Меерович Базелян отмечает, что проверка данной защиты показала ее высокую надежность. Но при этом защита больших территорий с помощью сетки стоит недешево, что нередко приводит к опрометчивому стремлению сэкономить на молниезащите. Это недопустимо, если речь идет о местах скопления людей, складах ГСМ или токсичных веществ и т. д.

Как уйти, а не остаться

Снизить вероятность поражения шаговым напряжением можно, соблюдая правила поведения в опасной зоне. Вспоминаем птиц на линии электропередач — необходимо схожим образом избавиться от разности потенциалов. Для этого нужно минимизировать расстояние между стопами ног и ни в коем случае не касаться земли и предметов (стальных опор, железобетонных стен и т. д.) руками. В безвыходной ситуации, когда гроза застала рядом с молниеотводами или высокими объектами, лучше передвигаться в сторону очень коротким «гусиным» шагом. Иногда рекомендуют встать на одну ногу, однако это неустойчивое положение тела может привести к падению на руки или инстинктивному желанию ухватиться за что-либо. Как мы помним из сказанного выше в разделе о физиологии, допустить протекания тока через цепь голова-нога или рука-нога нельзя ни в коем случае, поскольку ток может поразить мозг и сердце. Поэтому в случае крайней необходимости лучше стоять на плотно сдвинутых ногах, чем балансировать на одной.

Каменистые, мерзлые и прочие виды грунта с высоким сопротивлением особенно опасны из-за низкой проводимости. В них при ударе молнии возникают очень высокие напряжения. При ширине обычного шага человек может быть поражен напряжением в десятки тысяч вольт.

Находиться рядом со зданиями также опасно, поскольку шаговое напряжение может распространяться от фундамента. На графике ниже видно, что на расстоянии 5 м от железобетонной фундаментной плиты шаговое напряжение составляет 4,5 кВ — и это при нормативном сопротивлении заземления.

Напряжение шага при тока молнии 30 Ка

Лучше всего укрыться от молнии внутри здания или в транспортном средстве с металлическим кузовом. А в случае поражения не стоит давать пострадавшему питье, так как это усугубит возможный отек мозга.

Профилактика и осведомленность

Таким образом, шаговое напряжение все еще остается грозным «побочным эффектом» удара молнии. Воздействие микросекундных многократных импульсов такого напряжения на организм изучено мало. Поэтому необходимо особое отношение к молниезащите и обучению правилам поведения в условиях риска поражения шаговым напряжением молнии

Источник

Что такое шаговое напряжение

Важнейшее понятие электрики — шаговое напряжение. Таким термином обозначается напряжение между находящимися на расстоянии шага точками передающими электричество цепи, на которые встал человек. Напряжение зависит от силы текущего по грунту/иной проводящей субстанции тока и уровня удельного сопротивления поверхности. Шаговое напряжение несет в себе большую угрозу, поэтому знать его определение и методы защиты необходимо каждому занимающемуся электротехникой.

Определение

Итак, шаговое напряжение (далее ШН) — напряжение между стопами вставшего поблизости от заземленного объекта человека. Физическое касание при этом отсутствует.

Читайте также:  Напряжение датчик фаз ваз 2114

Значение ШН равно разности напряжений между некоторой удаленной от заземленного электроприбора/системы точкой и самой системой. На величину ШН влияют:

  • сопротивление поверхности;
  • сила тока в проводнике;
  • расстояние.

Оно возникает по разным причинам. Самые распространенные — обрыв кабеля и аварии на ЛЭП.

Опасность ШН

Коварство ШН состоит в бесконтактном поражении жертвы — для получения «удара» не обязательно касаться электроприбора. А после попадания в зону ШН покинуть ее самостоятельно бывает почти невозможно. Грунт обладает собственным удельным напряжением, поэтому удар током можно получить, просто проходя мимо.

При попадании в область поражения человек начинает испытывать непроизвольные судороги ножных мышц и падает. На этом «нижняя петля» прекращает действовать, и ситуация становится гораздо тяжелее. Ток начинает течь от рук к ногам, воздействуя на все тело и его мышечные группы. Длительное пребывание в такой зоне после падения способно привести к гибели человека или другого живого существа.

Напряжение шага особенно опасно для крупного рогатого скота. У КРС велика дистанция шагов, поэтому эти животные подвергаются воздействию гораздо большего напряжения. Случаи гибели скота от ШН довольно часты.

Почему возникает ШН

Указанное явление обычно появляется при обрыве поставляющего электроэнергию некоторой системе кабеля. Провода часто прокладываются под землей, и энергия начинает «утекать» в нее. Самые опасные ситуации — когда это происходит во влажных местах, например, в водоемах или на болотах. Не менее опасен и мокрый асфальт, ведь вода в любом случае хорошо проводит электричество. Кроме того, ШН способно появляться не только на улице, но и в закрытых помещениях.

ШН возникает и в других случаях:

  • при изменениях атмосферного давления;
  • после короткого замыкания в электрических цепях;
  • после взрывов на электроподстанциях.

Известны случаи его возникновения даже после ударов молнии в землю.

Радиус и сила действия

Чтобы не попасть под напряжение шага необходимо знать его силу и расстояние, на котором оно представляет опасность. Расчет иллюстрируется следующим графиком:

  • I3 — измеряемый в амперах ток при КЗ;
  • ρ — сопротивление поверхности в омах на метр;
  • а — длина шага в метрах;
  • x — значение расстояния от начальной точки ухода электричества в землю, также измеряемое в метрах.

На основании этих данных вычисляется величина и зона шагового напряжения по формуле:

UШ = (I3×ρ×a) / 2 π x (x + a)

На практике наибольшая величина ШН наблюдается в радиусе 80–100 сантиметров от эпицентра (места соприкосновения кабеля с почвой/поверхностью). По мере отдаления она понижается, полностью угасая примерно в 20 метрах.

Разумеется, точный расчет шагового напряжения можно сделать не всегда, поскольку необходимо дополнительно знать сопротивление отдельных слоев почвы, на основе которого выводится умножаемый на определенный коэффициент средний показатель. Но формула позволяет сделать примерную калькуляцию, которой можно манипулировать далее.

Это вычисление также помогает определить «шаг» возникающей электрической сетки. Его знание минимизирует шанс гибели от удара током. Обычно считается, что для покидания зоны ШН без вреда здоровью необходимо двигаться мелкими шажками (подобное передвижение называется «гусиный шаг», его совершают не отрывая стоп друг от друга), но на деле длина безопасного шага находится в зависимости от частоты полос ШН. Рассчитать не несущий опасности размер в той или иной ситуации помогает кривая:

Для получения подобного графика на реальной местности следует выполнить замеры вольтажа на различных расстояниях от электрического провода и объединить полученную информацию в схему.

Если посчитать зоны появления опасных линий и избегать их при передвижении, то ступни будут оказываться в точках с разностью потенциалов. Приведенный выше график иллюстрирует еще одну интересную особенность: чем ближе оказавшийся в опасности человек к точке электрической аварии (обрыву кабеля), тем больше уровень напряжения шага и меньше отрезки (а значит, короче и безопасные шаги).

С учетом сказанного формула принимает следующий вид:

Uш = Uв — Uг = Uз×B

Вычисляемый таким образом коэффициент ШН (то есть между ступнями) по умолчанию равен единице. Цифра зависит от расстояния между человеком и эпицентром аварии: чем оно меньше, тем коэффициент больше, и наоборот. Обычно безопасным считается расстояние 8–10 метров.

Важно: сильнее всего влияние электрического тока на влажной поверхности или во время гроз. При таких условиях запрещается подходить к эпицентру утечки без защиты менее чем на десять метров.

Следует иметь в виду и прочие факторы изменения проводимости тела и уровня сопротивления. Например, если попавший в радиус поражения будет вспотевшим или одетым во влажное, смерть способна наступить даже от удара гораздо слабее предусмотренных техникой безопасности 220 вольт.

Читайте также:  Ввода высокого напряжения выключателя

Что делать при аварии

Для предотвращения поражения ШН при возникновении аварийной ситуации следует соблюдать технику безопасность и носить защитный непроводящий костюм. Но иногда случается, что авария в электросети происходит внезапно и застает человека врасплох, или он попадает в радиус действия ШН по неосторожности/невнимательности.

Ток начинает действовать на ноги, снизу вверх. Важно знать, какова симптоматика поражения:

  • зуд и покалывание в теле;
  • мышечные спазмы;
  • внезапная резкая и острая боль;
  • в тяжелых случаях — паралич.

Интенсивность симптомов зависит от величины напряжения.

При отсутствии рядом способных помочь следует попытаться самостоятельно выйти из зоны в определенном техникой безопасности порядке. Обычно правила перемещения в зоне шагового напряжения предписывают уменьшать шаги до минимальных, без отрыва стоп от поверхности и друг друга. Второй способ — недлинные прыжки на одной ноге.

Важно: если прыгающий споткнется и упадет, или случайно встанет на обе ноги, он окажется под полным воздействием ШН. Поэтому безопаснее всего передвигаться «по-гусиному».

После прекращения воздействия электричества человек также испытывает ряд зависящих от интенсивности воздействия симптомов:

  • онемение конечностей, слабость, дрожь;
  • смазанная и несвязная речь;
  • потеря сознания, тошнота, головокружение;
  • мышечные боли;
  • дыхательные нарушения — от кашля до спазмов;
  • фибрилляция сердца.

Большая часть последствий после покидания зоны шагового напряжения проходят бесследно. Но примерно в 20 процентах инцидентов человек получает хронические проблемы с работой легких и сердца, особенно при высоком напряжении воздействия.

Если необходимо оказать помощь оказавшемуся под ударом шагового тока, необходимо использовать защиту – галоши, диэлектрические ботинки и перчатки/сухую одежду на руки (если защитной обуви нет, идите «гусиным шагом»). При возможности приближения к месту аварии людей нужно предупреждать их о наличии опасности до выключения поврежденной электролинии. Пошаговый план действий:

  • прекратить влияние тока на пострадавшего, разорвав цепь, убрав оборванный кабель непроводящим предметом и тому подобное;
  • переместить жертву в безопасное место;
  • проверить реакцию зрачков на действие света;
  • вызвать врача и приступить к экстренным реанимационным мероприятиям;
  • если человек пришел в себя, его кладут на бок во избежание попадания выделений от внезапного рвотного рефлекса в дыхательные пути.

В помещении для помощи попавшему под ШН допускается намотать на руки сухую ветошь или одежду и прекратить действие напряжения, положив между источником и пострадавшим сухой деревянный объект. Когда пострадавший окажется вне опасности, его надлежит оттащить в гарантированно безопасную область, проконтролировать реакцию зрачков подвергшегося удару на свет, вызвать врачей и выполнять до их приезда сердечно-легочную реанимацию.

Напряжение можно снять самостоятельно отключением электроустановки. Когда доступа к органам управления нет, используется способ намеренного создания короткого замыкания набрасыванием на питающую линию ветки, прута, палки, металлической проволоки и прочего. Автомат должен сам выключить питание, тем самым снимется и ШН.

Историческая справка

В истории электротехники имеется случившийся в тогда еще Ленинграде в 1928 году познавательный инцидент, известный как «лошадиная авария».

На одной из выложенных деревянными шестиугольниками площадей имелся технический колодец из чугуна с коммутационным разъединителем цепи на 2 киловольта. В определенный момент изолятор дал трещины, разъединитель остался висеть рядом со стенкой на кабеле. После дождя деревянная мостовая размокла, стала мягкой и подвижной. Далее сверху прошла лошадь с груженой телегой, поверхность прогнулась, и произошло замыкание кабеля на чугун.

Находившиеся в зоне шагового напряжения граждане отделывались простыми ударами тока, но обладающая телом длиной в полтора метра с хорошо проводящими железными подковами на ногах лошадь погибла на месте. Потом на электроподстанции включился «автомат» и обесточил цепь.

Телегу убрали, устранив замыкание. После проверок на подстанции ток снова подали, между колодцем и разъединителем появилась электродуга. На мостовой возникло шаговое напряжение, убившее еще двух лошадей работников милиции.

Заключение

Шаговое напряжение крайне небезопасно для вашей жизни и здоровья. При нем по телу течет ток, способный нанести тяжелый (и даже фатальный) ущерб органам и системам. Особенно это касается сердечной мышцы.

Опасно оно и коварством. Удар электричеством вызывает непроизвольное резкое сокращение мышечных групп ног, человек падает, ток начинает идти от рук в нижние конечности. Расстояние между представляющими угрозу зонами растет. При развитии ситуации по такому сценарию поражение может стать смертельным.

Поэтому для избежания таких ситуаций следует соблюдать правила техники безопасности, выполнять качественный и надежный монтаж и подключение электрооборудования. Если же где-то все же возник обрыв с появлением ШН, необходимо при первых же его симптомах покинуть опасную зону. Передвигайтесь мелкими шагами (или прыгая на одной ноге, хотя это не рекомендуется).

Источник