các khái niệm về an toàn điện

Dòng điện qua hai chân người thường ít nguy hiểm nhưng với trị số lớn ( trên 100V) thì các bắp cơ của người có thể bị co rút làm người ngã xuống và lúc đó sơ đồ nối điện sẽ thay đổi ng[r]

CHƯƠNG

CÁC KHÁI NIỆM VỀ AN TỒN ĐIỆN

2.1 TÁC DỤNG CỦA DỊNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƯỜI

Người bị điện giật tiếp xúc với mạch điện có điện áp hay nói cách khác có dịng điện chạy qua thể người Dòng điện chạy qua thể người gây tác dụng sau đây:

- Tác dụng nhiệt: làm cháy bỏng thân thể, thần kinh, tim não quan nội tạng khác gây rối loạn nghiêm trọng chức

- Tác dụng điện phân: biểu việc phân ly máu chất lỏng hữu dẫn đến phá huỷ thành phần hoá lý máu tế bào

- Tác dụng sinh lý: gây hưng phấn kích thích tổ chức sống dẫn đến co rút bắp thịt có tim phổi Kết đưa đến phá hoại, chí làm ngừng hẳn hoạt động hơ hấp tuần hồn

Các ngun nhân chủ yếu gây chết người dòng điện thường tim phổi ngừng làm việc sốc điện:

Tim ngừng đập trường hợp nguy hiểm thường cứu sống nạn nhân ngừng thở sốc điện Tác dụng dịng điện đến tim gây ngừng tim rung tim Rung tim tượng co rút nhanh lộn xộn sợi tim làm cho mạch máu thể bị ngừng hoạt động dẫn đến tim ngừng đập hoàn toàn

Ngừng thở thường xảy nhiều so với ngừng tim, người ta thấy bắt đầu khó thở co rút có dịng điện 20-25mA tần số 50Hz chạy qua thể Nếu dòng điện tác dụng lâu co rút lồng ngực mạnh thêm dẫn đến ngạt thở, nạn nhân ý thức, cảm giác ngạt thở cuối tim ngừng đập chết lâm sàng

Sốc điện phản ứng phản xạ thần kinh đặc biệt thể hưng phấn mạnh tác dụng dòng điện dẫn đến rối loạn nghiêm trọng tuần hồn, hơ hấp q trình trao đổi chất Tình trạng sốc điện kéo dài độ vài chục phút ngày đêm, nạn nhân cứu chữa kịp thời bình phục

Do có nhiều quan điểm khác nên việc cứu chữa nạn nhân bị điện giật người ta khuyên nên áp dụng tất biện pháp để vừa phục hồi hệ thống hô hấp (thực hô hấp nhân tạo) vừa phục hồi hệ thống tuần hồn (xoa bóp tim )

2.2 ĐIỆN TRỞ CƠ THỂ NGƯỜI:

Thân thể người ta gồm có da thịt xương máu tạo thành có tổng trở dịng điện chạy qua người Lớp da có điện trở lớn mà điện trở da điện trở lớp sừng da định Điện trở người đại lượng không ổn định không phụ thuộc vào trạng thái sức khoẻ thể người lúc mà phụ thuộc vào môi trường xung quanh, điều kiện tổn thương

Qua nghiên cứu rút số kết luận giá trị điện trở thể người sau:

 Điện trở thể người đại lượng khơng Thí nghiệm cho thấy dịng điện qua người điện áp đặt vào có lệch pha Sơ đồ thay điện trở người biểu diển hình vẽ sau:

Trong đó:

R1: điện trở tác dụng da

R2: điện trở tổng phận bên thể người

C: điện dung da lớp thịt da

Vì thành phần điện dung bé nên tính tốn thường bỏ qua.

 Điện trở người luôn thay đổi phạm vi lớn từ vài chục ngàn Ω đến 600Ω Trong tính tốn thường lấy

giá trị trung bình 1000Ω Khi da bị ẩm tiếp xúc với nước mồ hôi làm cho điện trở người giảm xuống

 Điện trở người phụ thuộc vào áp lực diện tích tiếp xúc Áp lực diện tích tiếp xúc tăng điện trở người giảm Sự thay đổi dễ nhìn thấy vùng áp lực nhỏ 1kG/cm2 (hình 2.1).

 Điện trở người giảm có dịng điện qua người, giảm tỉ lệ với thời gian tác dụng dịng điện Điều giải thích da bị đốt nóng có thay đổi điện phân

Ing

C1 C2

R2 R1

6 10 12 14

1

Rng(1011Ω)

kG/cm

 Điện trở người phụ thuộc điện áp đặt vào ngồi tượng điện phân cịn có tượng chọc thủng Khi điện áp đặt vào 250V lúc lớp da hết tác dụng nên điện trở người giảm xuống thấp

Hình 2.2: Sự phụ thuộc điện trở người vào điện áp ứng với thời gian tiếp xúc khác nhau (0,015s 3s).

Đường dòng điện tay – tay

Đường dòng điện tay - chân

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TRỊ SỐ DỊNG ĐIỆN GIẬT ĐẾN TAI NẠN ĐIỆN Dịng điện nhân tố vật lý trực tiếp gây tổn thương bị điện giật Cho tới nhiều ý kiến khác giá trị dòng điện gây nguy hiểm chết người.Trường hợp chung dòng điện 100mA xoay chiều gây nguy hiểm chết người Tuy có trường hợp dịng điện khoảng 5- 10mA làm chết người cịn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác điều kiện nơi xảy tai nạn, sức khoẻ trạng thái thần kinh nạn nhân, đường dòng điện

Trong tính tốn thường lấy trị số dịng điện an tồn 10mA dịng điện xoay chiều 50mA với dòng điện chiều Bảng 2.1 cho phép đánh giá tác dụng dòng điện thể người:

Bảng 2-1 Trị số dòng

điện (mA)

Tác dụng dòng điện xoay chiều Tác dụng dòng điện một chiều

0.6-1.5 Bắt đầu thấy ngón tay tê Khơng có cảm giác

2 - Ngón tay tê mạnh Khơng có cảm giác

3 - Bắp thịt co lại rung Đau kim châm cảm thấy nóng

8 - 10

Tay khó rời khỏi vật có điện rời

Ngón tay, khớp tay, lịng bàn tay cảm thấy đau

Nóng tăng lên

20 - 25 Tay khơng rời khỏi vật có điện, đau khó thở Nóng tăng lên thịt co quắp lại chưa mạnh 50 - 80 Cơ quan hô hấp bị tê liệt Tim bắt đầu đập

mạnh

Cảm giác nóng mạnh Bắp thịt tay co rút, khó thở 90 - 100 Cơ quan hơ hấp bị tê liệt Kéo dài giây

dài tim bị tê liệt đến ngừng đập

Cơ quan hô hấp bị tê liệt

Qua bảng 2-1 ta thấy dòng điện xoay chiều nguy hiểm dòng chiều vì:

0 100 200 300 400 500 600 V

5 10 15 20 25 30 35 1.103Ω

0,015s 0,015s

- Qua nghiên cứu người ta thấy trị số dòng điện tác dụng lên người trị số hiệu dụng mà trị số biên độ

- Đối với dòng xoay chiều thể người tồn nhiều vùng nhạy nguy hiểm

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN GIẬT ĐẾN TAI NẠN ĐIỆN GIẬT

Về đường dịng điện qua người có nhiều trường hợp khác nhau, có đường thường gặp là: dịng qua tay - chân, tay - tay, chân - chân Một vấn đề tranh cải đường nguy hiểm

Đa số nhà nghiên cứu cho đường nguy hiểm phụ thuộc vào số phần trăm dòng điện tổng qua tim phổi Theo quan điểm dịng điện từ tay phải qua chân, đầu qua chân, đầu qua tay đường nguy hiểm vì:

Dịng từ tay qua tay có 3.3% dịng điện tổng qua tim Dịng từ tay trái qua chân có 3.7% dòng điện tổng qua tim Dòng từ tay phải qua chân có 6.7% dịng điện tổng qua tim Dịng từ chân qua chân có 0.4% dịng điện tổng qua tim Dịng từ đầu qua tay có 7% dòng điện tổng qua tim Dòng từ đầu qua chân có 6.8% dịng điện tổng qua tim

2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN DÒNG ĐIỆN QUA NGƯỜI ĐẾN TAI NẠN ĐIỆN GIẬT

Yếu tố thời gian tác động dòng điện vào thể người quan trọng biểu nhiều hình thái khác Đầu tiên thấy thời gian tác dụng dòng điện ảnh hưởng đến điện trở người Thời gian tác dụng lâu, điện trở người bị giảm xuống lớp da bị nóng dần lớp sừng da bị chọc thủng nhiều Thứ hai thời gian tác dụng dòng điên lâu xác suất trùng hợp với thời điểm chạy qua tim với pha T (là pha dể thương tổn

chu trình tim) tăng lên Hay nói cách khác chu kỳ tim kéo dài độ giây có 0,4s tim nghỉ làm việc (giữa trạng thái co giãn) thời điểm tim nhạy cảm với dòng điện qua

Hình 2.3: Sự nguy hiểm thời điểm dòng điện chạy qua tim trùng với pha T chu trình tim.

a Điện tâm đồ người khoẻ

b Đặc tính phụ thuộc xác suất xảy tai nạn thời điểm dòng điện chạy qua tim

2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ DÒNG ĐIỆN GIẬT ĐẾN TAI NẠN ĐIỆN 20

60 100

t(s) 0,95-1s

0,2s T

R R

P

a.

GIẬT:

Ta xét xem tần số thay đổi tai nạn xảy nặng hay nhẹ

Theo lý luận thơng thường tần số f tăng lên tổng trở thể người giảm xuống điện kháng da người điện dung tạo ra: dẫn đến dòng điện tăng nguy hiểm Tuy nhiên qua thực tế nghiên cứu người ta thấy tần số nguy hiểm từ (50 - 60)Hz Nếu tần số lớn tần số mức độ nguy hiểm giảm cịn tần số bé mức độ nguy hiểm giảm

Có thể giải thích sau: Lúc đặt dòng điện chiều vào tế bào, phần tử tế bào bị phân thành ion khác dấu bị hút màng tế bào Như phân tử bị phân cực hoá, chức sinh vật hoá học tế bào bị phá hoại đến mức độ định Bây đặt nguồn điện xoay chiều vào ion chạy theo hai chiều khác phía ngồi màng tế bào Nhưng dịng điện đổi chiều chuyển động ion ngược lại Với tần số dịng điện, tốc độ ion đủ lớn để chu kỳ chạy hai lần bề rộng tế bào trường hợp mức độ kích thích lớn nhất, chức sinh vật - hoá học tế bào bị phá hoại nhiều Nếu dịng điện có tần số cao dịng điện đổi chiều ion chưa kịp đập vào màng tế bào

Khi nghiên cứu tác hại dòng điện chiều người thấy trường hợp chiều điện trở người lớn xoay chiều Điều giải thích chiều có điện dung phân cực tăng lên Nghiên cứu thấy dòng điện chiều lớn 80mA ảnh hưởng đến tim quan hô hấp người

2.7 HIỆN TƯỢNG DÒNG ĐIỆN ĐI TRONG ĐẤT

Khi cách điện thiết bị điện bị chọc thủng có dịng điện chạm đất, dịng điện vào đất trực tiếp hay qua cấu trúc

Về phương diện an tồn mà nói dịng điện chạm đất thay đổi trạng thái mạng điện (điện áp dây dẫn đất thay đổi xuất hiệu khác điểm mặt đất gần chổ chạm đất) Dòng điện vào đất tạo nên điểm chạm đất vùng dòng điện rò đất điện áp vùng phân bố theo quy luật định Để đơn giản nghiên cứu tượng ta giải thích dịng điện chạm đất vào đất qua cực kim loại hình bán cầu Đất có điện trở suất ρ (tính Ohm.cm) Như xem dịng điện từ tâm hình bán kính cầu tỏa theo đường bán kính

Trên sở lý thuyết tượng tự ta xem trường dịng điện đất giống dạng trường tĩnh điện, nghĩa tập hợp đường sức đường đẳng chúng giống

Phương trình để khảo sát điện trường đất phương trình theo định luật Ohm dạng vi phân :

E= J ρ

Trong : ρ điện trở suất

E điện áp đơn vị chiều dài dọc theo đường dòng điện Mật độ dòng điện điểm cách tâm bán cầu khoảng X :

2 d X I J π =

ở Iđ dòng điện chạm đất

Điện áp đoạn vơ bé dX (Xem hình 2.4) dọc đường

dòng điện : dX

X I dX J dX E

dU d 2ρ

π = ρ = =

Điện áp điểm A tức hiệu số điện điểm A điểm vô xa ( điểm vơ xa xem 0) :

A d d A X I x I dU U A x dx π ρ π ρ 2 A X = = = ∞

∫

∫

∞

Nếu dịch chuyển điểm A đến gần mặt vât nối đất ta có điện áp cao đất Uđ :

d d d X I U π ρ =

Trong Xđ bán kính

vật nối đất hình bán cầu

Ở ta xem thân vật nối đất có bán kính Xđ vật mà điểm có điện áp Giả thiết dựa sở vật nối đất có điện dẫn lớn (Ví dụ : điện dẫn thép gần 109 lần điện dẫn đất)

Ta viết :

A d d A X X U U = Hay : A d d A U XX U =

Thay tích Uđ Xđ= K (là số ứng với điều kiện định) ta có

phương trình hyperbol sau :

A A XK

U =

Hình 2.4: Dòng chạm đất vào đất qua cực bán cầu

x dx

Id U

∆U≈ 68%Ud

Ud = Umax

+ Như vậy, phân bố điện áp vùng dịng điện rị đất điểm vơ cực ngồi vùng dịng điện rị có dạng hyperbol

+ Tại điểm chạm đất mặt vật nối đất ta có điện áp đất cực đại + Khơng riêng vật nối đất có dạng hình bán cầu mà dạng khác vật nối đất hình ống, thanh, chữ nhật có phân bố điện áp gần giống hình hyperbol

Dùng cách đo trực tiếp điện áp điểm mặt đất quanh chỗ chạm đất ta vẽ đường cong phân bố điện áp đất vùng dịng điện rị đất có dạng hyperbol

+ Khi x = r0

Ta d

0 d

r 2I r. U U

0 π =

ρ

= : gọi

điện đất (điện bề mặt điện cực) Đặt

0 d

r R

π ρ

= : gọi điện trở

nối đất điện cực kim loại bán cầu Rđ phụ thuộc vào điện trở suất ρ đất

không phụ thuộc vào điện trở kim loại Rđ gọi điện trở tản

Trong thực tế điện trở suất kim loại nhỏ so với điện trở suất đất xem điện cực đẳng Lúc điện bề mặt kim loại là:

Umax = Uđ = Iđ Rđ

+ Khi x > 20m xem ngồi vùng dịng điện rị hay cịn gọi điểm có điện áp khơng

+ Trong vùng gần 1m cách vật nối đất chiếm 68% điện áp rơi

Những nhận xét với loại điện cực khác, có hàm phân bố điện khác (công thức khác)

2.8 ĐIỆN ÁP TIẾP XÚC VÀ ĐIỆN ÁP BƯỚC 2.8.1 Điện áp tiếp xúc

Trong trình tiếp xúc với thiết bị điện, có mạch điện khép kín qua người điện áp giáng lên người lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào điện trở khác mắc nối tiếp với người

Điện áp đặt vào người (tay-chân) người chạm phải vật có mang điện áp gọi điện áp tiếp xúc Hay nói cách khác điện áp tay người chạm vào vật có mang điện áp đất nơi người đứng gọi điện áp tiếp xúc

100%

32

8

1 10 20

Hình 2.5: Đường cong phân bố điện áp điểm mặt đất lúc có chạm đất

x

1

K.

Vì nghiên cứu an toàn điều kiện chạm vào pha chủ yếu xem điện áp tiếp xúc hai điểm đường dòng điện mà người chạm phải

Trên hình 2.6 vẽ hai thiết bị điện ( động cơ, máy sản xuất ) có vẽ máy nối với vật nối đất có điện trở đất Rđ Giả sử cách điện pha thiết bị bị

chọc thủng có dịng điên chạm đất từ vỏ thiết bị vào đất qua vật nối đất Lúc này, vật nối đất vỏ thiết bị có nối đất mang điện áp đất :

Uđ = Iđ.Rđ

Trong , Iđ dịng điện chạm đất

Tay người chạm vào thiết bị có điện áp Uđ lúc điện

áp chân người Uch lại phụ thuộc người đứng tức phụ thuộc vào khoảng cách từ

chỗ đứng đến vật nối đất Kết người bị tác động hiệu số điện áp đặt vào tay chân, điện áp tiếp xúc :

Utx=Uđ –Uch

Như vậy, điện áp tiếp xúc phụ thuộc vào khoảng cách từ vỏ thiết bị nối đất

Trường hợp chung biểu diễn điện áp tiếp xúc theo biểu thức :

Utx= α Uđ α hệ số tiếp xúc (α ≤1)

Trong thực tế điện áp tiếp xúc thường bé điện áp giáng vật nối đất 2.8.2 Điện áp bước

Trên hình 1.7 vẽ phân bố điểm mặt đất lúc có pha chạm đất (do dây dẫn pha rớt chạm đất hay cách điện pha thiết bị điện bị chọc thủng )

Ta biết điện áp đất chổ trực tiếp chạm đất :

+ Điện áp điểm mặt đất đất cách xa chổ chạm đất từ 20m trở lên xem khơng

+ Những vịng trịn đồng tâm (hay xác mặt phẳng mà tâm điểm chỗ chạm đất vòng tròn cân) đẳng

+ Khi người Uđ=Iđ.Rđ

1 2

Utx1

Utx2=Uđ

Rđ

đứng mặt đất gần chổ chạm đất hai chân người thường hai vị trí khác người bị điện áp tác dụng lên điện áp bước Điện áp bước điện áp hai chân

người đứng vùng có dịng

chạm đất Gọi Ub

điện áp bước ta có :

Ub =Uch1 - Uch2

Trong : Uch1, Uch2 điện áp đặt vào hai chân người

Hay chân thứ đứng vị trí cách điểm chạm đất x cịn chân thứ hai vị trí (x+a) :

Ub=Uch1 –Uch2 =Ux+Ux+a =

) a x ( x a I a x x I x dx

I x a d d

x d + π ρ =       + − π ρ = π ρ

∫

+

Trong đó: a độ dài khoảng bước chân người, thường lấy a = 0,8 m Từ công thức ta thấy xa chỗ chạm đất điện áp bước bé (khác với điện áp tiếp xúc) Ở khoảng cách xa chỗ chạm đất 20m trở lên xem điện áp bước khơng

Ví Dụ : Nếu có chạm đất với dòng chạm đất Iđ =100A nơi có điện trở

suất đất ρ=104Ohm.cm điện áp bước đặt vào người người đứng cách

chỗ chạm đất 2,2m (220cm) :

V Ub 193

300 220 10 80 100 = =

π ta lấy a = 80cm

+ Điện áp bước người đứng gần chỗ chạm đất, trường hợp hai chân người đặt vòng tròn đẳng

+ Điện áp bước đạt đến trị số lớn khơng tiêu chuẩn hoá điện áp bước để bảo đảm an tồn tuyệt đối cho người, quy định có xảy chạm đất phải cấm người đến gần chổ bị chạm khoảng cách sau :

- Từ 4÷5 m thiết bị nhà

à :

c

Hình 2.7: Phân bố điểm mặt đất

Ub

đ=Iđ R

Ub=

U

- Từ 8÷10 m thiết bị ngồi trời

Người ta khơng tiêu chuẩn hố điện áp bước không nên cho điện áp bước không nguy hiểm đến tính mạng người Dịng điện qua hai chân người thường nguy hiểm với trị số lớn ( 100V) bắp người bị co rút làm người ngã xuống lúc sơ đồ nối điện thay đổi nguy hiểm 2.9 ĐIỆN ÁP CHO PHÉP:

Trị số dòng điện qua người yếu tố quan trọng gây tai nạn chết người dự đoán trị số dịng điện qua người nhiều trường hợp khơng thể làm ta biết trị số phụ thuộc vào nhiều yếu tố khó xác định Vì vậy, xác định giới hạn an tồn cho người khơng đưa khái niệm “dịng điện an tồn”, mà theo khái niệm “điện áp cho phép” Dùng “điện áp cho phép” thuận lợi với mạng điện thường có điện áp tương đối ổn định biết Cũng cần nhấn mạnh “điện áp cho phép” có tính chất tương đối, đừng nghĩ “điện áp cho phép “ an toàn tuyệt người thực tế xảy nhiều tai nạn điện nghiêm trọng cấp điện áp thấp

Tuỳ theo bước mà điện áp cho phép qui định khác : - Ba Lan, Thụy Sĩ, Tiệp Khắc điện áp cho phép 50V

- Hà Lan, Thụy Điển điện áp cho phép 24V - Ở Pháp qui định 24 V

- Ở Liên Xô tuỳ theo môi trường làm việc mà trị số điện áp cho phép 12V, 36V, 65 V

2.10 PHÂN LOẠI XÍ NGHIỆP THEO QUAN ĐIỂM AN TỒN ĐIỆN:

Mơi trường xung quanh bụi, độ ẩm , nhiệt độ, …ảnh hưởng lớn đến nạn điện giật theo quy định an tồn điện xí nghiệp (hay nơi đặt thiết bị điện) chia :

a Nơi (Xí nghiệp) nguy hiểm: Đó nơi có yếu tố sau :

- Ẩm (độ ẩm tương đốI khơng khí vượt q 75% thờI gian dài - Có bụI dẫn điện (bụI dẫn điện bám vào dây dẫn , hay lọt vào thiết bị

điện)

- Có nền,sàn nhà dẫn điện (sàn kim loại, đất, bê tong cốt thép gạch)

- Có nhiệt độ cao (nhiệt độ vượt 35 OC thờI gian dài ngày

đêm

- Những nơi mà người đồng thời tiếp xúc với bên kết cấu kim loại nhà cữa, máy móc, thiết bị…đã nối đất bên vỏ kim loạI thiết bị điện

- Rất ẩm: độ ẩm tương đối không khí xấp xỉ 100% (Trần, tường, sàn nhà đồ vật nhà có đọng sương)

- Mơi trường có hoạt tính hố học: Thường xun hay thờI gian dàichứa hơi, khí,chất lỏng dẫn đến phá huỷ cách điện phận mang điện thiết bị điện

- Đồng thời có từ hai hay nhiều yếu tố nơi nguy hiểm kể trên, ví dụ vừa ẩm vừa có sàn nhà dẫn điện