Величина опасного шагового напряжения

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

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 — 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.

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.

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.

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

Шаговое напряжение

Шаговое напряжение – это разность потенциалов (напряжения) на участке в токовой цепи. Показатель шагового напряжения зависит от силы тока и удельного сопротивления почвы. Он представляет собой расстояние (разность потенциалов) между двух ног человека. Величина шагового напряжения используется при создании зануления и заземления, измерении опасности в местах аварий. На значение влияет форма кривой напряжения.

Возле упавшего провода находящегося под напряжением, возникает область рассеивания электричества. На расстоянии от 20 метров до места падения провода, напряжение может не ощущаться, плотность тока становится минимальной.

Опасное для жизни шаговое напряжение наблюдается в местах падения электрического провода высокой мощности на голый грунт. К этому объекту запрещается приближаться на расстояния менее 8 метров. Угроза присутствует и на расстоянии одного метра от заземлителя (металлоконструкции труб, забор из арматуры). Человек рискует, стоя в месте растекания шагового напряжения прикоснуться к металлокострукциям (естественному заземлителю). Опасность кроется в поражении нервной системы – возникают судороги и падение человека на землю.

Действие шагового напряжения прекращается, но внутри тела возникает новый путь электричества. Ток протекает от рук к ногам, в результате возникает реальная угроза смерти. При попадании в такую ситуацию человек должен выходить с опасной зоны гусиным шагом. Минимальное расстояние между ногами – это залог безопасности и благополучного выхода.

Угроза исчезает через 20 метров от источника напряжения высокого потенциала. Категорически запрещается выпрыгивать из области действия высоких потенциалов. При падении на конечности уровень шагового напряжения возрастет, после чего человека ждет смерть.

Максимальный радиус шагового напряжения

8 метров – это максимальный радиус поражения (выше 1000 В). Расстояние с 5 метров характеризуется мощностью ниже 1000 В. При спасении пострадавшего стоит действовать рассудительно. Предварительно обмотайте руки сухой тканью, передвигайтесь небольшими шагами, медленно оттяните человека с опасной зоны.

Угроза попадания в область шагового напряжения существует и в бытовых условиях. В такую ситуацию вы можете попасть, прикоснувшись к оголенному проводу неисправного прибора. В таком случае образуется электрическая цепь, опасная для жизни. Для устранения угрозы в щитке устанавливается устройство защитного отключения. Альтернативный вариант – это разработка системы заземления и контроля потенциалов.

Правила перемещения в зоне шагового напряжения

В промышленных условиях для перемещения в зоне высокого риска шагового напряжения перемещаться следуют в галошах или диэлектрических ботах. При случайном попадании в опасное место нужно замедлить шаг. Максимально сократите расстояние между ногами во время ходьбы – приставляйте носок к пятке, имитируя гусиный шаг. Запрещается приближаться к оголенным проводам на расстояние менее 8 метров, выполнять такие действия допускается при наличии средств защиты.

При возникновении аварий на ЛЭП устранением последствий занимаются специально обученные электрики. Релейная защита отключает участок электрической линии в месте повреждения. Устранив неисправность, специалисты осматривают территорию на предмет обвисших кабелей. Высокая опасность возникает в местах соединения поврежденных кабелей (проводов) и деревьев. Ствол – это проводник электричества, создающий высокий уровень опасности для людей и животных.

Класс напряжения и удельное сопротивление грунта определяют шаговое напряжение. Радиус действия увеличивается при повышении влажности из-за увеличения территории растекания тока.

Выход из зоны шагового напряжения

При выходе из зоны шагового напряжения стоит придерживаться осторожности. Нельзя допускать падения на поверхность земли – такая ситуация может привести к летальному исходу. На грунте влияние электричества повышается, у человека возникают судороги. При отсутствии своевременной помощи, поражение нервной системы приводит к параличу. В этот момент человек испытывает сильную боль и не может шевелить конечностями.

Выбор способа выхода из опасной зоны зависит от конкретной ситуации. После идентификации проблемы необходимо быстро сомкнуть обе ноги вместе, что снизит разницу электрических потенциалов. При передвижении нужно стараться не отрывать нижние конечности от земли.

Помощь могут оказать сухие доски, оказавшиеся по пути выхода с опасной территории. Сухая древесина – это отличный диэлектрик, поэтому смело ступайте на нее во время движения. По пути избегайте кирпичных и железобетонных конструкций.

В некоторых ситуациях целесообразно перемещаться на одной ноге. Выбирать этот способ надо только при полной уверенности в адекватности своего состояния. Напуганный человек может потерять ориентацию и упасть на поверхность земли, что приведет к летальному исходу. Самый надежный способ – это перемещение «гусиным шагом». Не делайте резких движений, не ускоряйте шаг и не бегите. Действуйте спокойно и принимайте взвешенные решения.

При выходе стоит исключить вариант с шагом по спирали и в направлении другого кабеля. При соблюдении правил, у человека есть большие шансы покинуть опасную зону без последствий для здоровья, такие ситуации встречаются в 80% случаев.

Расчет шагового напряжения

Для расчета шагового напряжения необходимо знать особенности распределения тока в месте аварии. Электричество растекается в толще земли и кругами на ее поверхности. Для нахождения значения учитывается величина сопротивления грунта. Напряжение зависит от ряда факторов:

• расстояние между точками контактов;
• напряжение воздушной линии;
• мощность;
• состояние и удельное сопротивление грунта;
• состав почвы в опасной зоне.

При расчете шагового напряжения применяются средние величины. Сначала определяется короткое замыкание по формуле:

ICS=UPHASE/(R0+RKONT)

где UPHASE – это напряжение фазы;

RKONT и R0- величина сопротивления для электрического контура (заземления и растекания тока вместе аварии);

ICS – это ток короткого замыкания в сети.

Длину шага принято считать за 0,8 метра. Для нахождения шагового напряжения применяют соотношение:

Где, р – сопротивление поверхности земли удельное;

х- расстояния от оголенного контура;

а – это длина шага.

В промышленных условиях расчетом показателей занимаются отдельные специалисты. Они периодически проводят замеры и находят средние значения для подведения итогов об уровне безопасности.

Как освободить человека?

Для спасения человека необходимо разорвать электрическую сеть – выключить автомат питания (линию) или рубильник. При отсутствии такой возможности обмотать руки сухой тканью, попытаться освободить человека от воздействия электрического тока с помощью деревянной палки.

Далее следуйте алгоритму действий:

• оттянуть тело в безопасную область;
• проверить пульс;
• проконтролировать реакцию зрачков на свет.

Убедитесь, что электрическая линия отключена от источника питания и выходите с опасной зоны.

Начните делать непрямой массаж сердца, легочную реанимацию и вызовите бригаду неотложной помощи. Если человек находится в сознании, поверните его на бок, так вы устраните риск попадания рвотных масс в дыхательные пути.

Методы снижения шагового напряжения на предприятиях

В промышленных условиях создаются правила безопасности и способы предупреждения аварийных ситуаций. Для разработки методов снижения шагового напряжения на предприятии необходимо выделить виды воздействия тока на человека:

• электрическое;
• термическое;
• биологическое.

Для предупреждения воздействия высоких температур специалисты работают в костюме с высоким уровнем защиты от тепла. Такая униформа имеет многослойную структуру и производится из особых синтетических материалов. Они не воспламеняются, защищают кровь и лимфу от перегрева.

Защищает костюм и от электрического воздействия, после превышения которого происходит разложение клеток крови. Для правильного подбора защитных средств стоит знать основные варианты прохождения тока через тело.

Угроза жизни возрастает, если на пути тока встречаются жизненно необходимые органы (сердце и мозг). Из схем можно сделать вывод, что чаще всего электричество начинает путь с руки, головы и ноги. Эти части тела больше всего нуждаются в защите при работе человека в экстремальных условиях. По технике безопасности работник не получает доступ к объекту без специальных средств и прохождения ряда инструктажей.

Причиной аварийной ситуации может стать несоблюдение правил безопасности и контроля за электрическим оборудованием на предприятии. Для предотвращения опасных ситуаций в промышленной сфере проводятся проверки и тестирования. Систематически контролируется изоляция проводов и кабелей, специалисты следят за сроками эксплуатации отдельных элементов системы.

Угроза жизни становится реальной при недостаточной компетентности работников. Незнание элементарных правил безопасности и пренебрежение средствами защиты, часто становится причиной трагедий. Для предупреждения аварийных ситуаций, на предприятиях проводятся целевые и повторные инструктажи, позволяющие сотрудникам повысить уровень квалификации. Вводные инструктажи предназначены для ознакомления специалистов с новым видом оборудования.

Специальные средства защиты на предприятии имеют срок годности. Руководство компании обязано следить за качеством и пригодностью таких вещей. Для повышения контроля за соблюдением правил и стандартов на предприятии создается комиссия по охране труда. Ее сотрудники проводят работы по ознакомлению работников с важной информацией, контролируют выполнение обязанностей и занимаются отчетами в сфере безопасности.

Современные технологии позволяют значительно снизить риск возникновения шагового напряжения. Некоторое оборудование имеет функцию автоматической блокировки при возникновении повреждений в электрической сети. Такие возможности позволяют значительно повысить уровень безопасности и снизить количество несчастных случаев на предприятии.

В комплексе методы снижения шагового напряжения дают отличные результаты. Автоматизированные предприятия, работающие с инновационным оборудованием, практически никогда не встречаются с аварийными ситуациями.

Сегодня средства защиты от электрического тока отличаются высокой эффективностью. При условии правильного использования спецодежды и следования правилам безопасности риск возникновения трагической ситуации значительно снижается. Контроль за всеми процессами в сфере электрики минимизирует шансы поражения током.

Опасность шагового напряжения

Электрический ток всегда является потенциальной опасностью для жизни человека. Шаговое напряжение – одно из самых опасных явлений в электротехнике, определение которого знать нужно любому электрику.

Определение

Что это такое – шаговое напряжение? Это определенное напряжение, которое возникает между ногами человека, стоящего рядом с заземленным объектом без соприкосновения с ним. Оно равно разности напряжений электричества между объектом и точкой, которая находится на некотором расстоянии от него. Главными факторами, влияющими на него, являются расстояние, удельное сопротивление земли (сетка заземления) и силы тока, протекающего по проводнику.

Опасность шагового напряжения заключается в том, что прикосновения не нужны для поражения током, а после поражения перемещение практически невозможно. За счет того, что земля также имеет определенное удельное напряжение, удар может произойти независимо от действий человека.

Причины

Опасное напряжение чаще всего возникает при обрыве электрического локального кабеля, поставляющего электричество к определенному объекту. Опаснее всего в такой момент человеку находиться на болоте, в воде или даже стоять на мокром асфальте, т. к. вода является превосходным проводником электрического тока.

О том, какое напряжение называют шаговым, изучается даже в школах, но, к сожалению, предугадать момент его появления и конкретное поле действия очень сложно. Оно может проявиться из-за перепадов атмосферного давления, возникновения взрыва на электрических подстанциях, при коротком замыкании на проводе в помещении или на улице, и даже от взаимодействия земли с молнией.

Действие

Для того, чтобы предупредить вредное воздействие шагового напряжения, необходимо провести расчет. Он поможет вычислить размер диапазон и его силу.

Каждый параметр отвечает за определенный показатель, важный при вычислении радиуса. На данной схеме:

• I_З – ток короткого замыкания, измеряется в Амперах;
• ρ – удельное сопротивление грунта, Ом*м;
• a – расчетная длина шага, м
• x – расстояние от места повреждения, измеряется в метрах.

Исходя из графика может быть рассчитана зона шагового напряжения и непосредственно его размер:

U_Ш = (I₃ * ρ * a) / 2 π x (x + a). Измеряется в вольтах.

Конечно, точно определить шаговое предельное напряжение и его радиус очень сложно, т. к. нужно рассчитать примерное сопротивление разных слоев почвы и вывести средний показатель, умноженный на определенный коэффициент. Но такая формула поможет провести прикидочные расчеты и вычислить напряжение, диапазон и прочие параметры.

Благодаря этому расчету можно определить не только пошаговое напряжение, но и шаг сетки, что поможет минимизировать вероятность летального исхода. Считается, что воздействие будет минимальным, если сокращать шаги, но это зависит от частоты полос напряжения. Например, есть схема кривой, которая поможет рассчитать размер шага при аварии.

Для того чтобы получить такой график на местности, необходимо измерить вольтаж на разных расстояниях от провода, а после свести данные в одну схему. Обратите внимание на отрезок ОН, на чертеже указано, что его можно разбить на несколько участков, которые по размеру будут соответствовать среднему шагу человека. В таком случае, Вы сможете вывести рабочего из зоны опасности. Если просчитать места образования опасных линий, то при шагах ступни будут находиться в участках разности потенциалов. Также график наглядно демонстрирует, что чем ближе объект (см. человек), находится к эпицентру аварии (оборванному проводу), тем меньшими становятся отрезки и выше напряжение.

Учитывая это, формула будет иметь такой вид:

Uш = Uв — Uг = Uз*B

В данном случае, коэффициент напряжения между человеческими ступнями, также именуемый как коэффициент напряжения шага равняется 1 (по умолчанию). Этот показатель зависит от расстояния до аварии. Например, чем ближе источник напряжения – тем выше коэффициент между ступнями.

На графике 2 демонстрируется, как именно изменяются данные при движении тела в зоне опасности. Особенно высоко влияние тока в грозу или на мокром асфальте. В подобных случаях без специальной экипировки запрещается приближаться к эпицентру ближе, чем на десять метров.

При этом нужно учитывать сторонние факторы, влияющие на проводимость человеческого тела и сопротивление между ступнями. Так, если рабочий в момент падения провода будет в мокрой одежде, обуви или просто вспотеет, то для смертельного удара будет достаточно даже нескольких десятков Вольт, в отличие от значащихся в технике безопасности 220.

Со временем может произойти самостоятельное выравнивание электрического тока, если будет отключен источник. В такой случае, вся энергия просто уйдет в землю, не требуя дополнительных процессов.

Видео: расчет шагового напряжения

Действия при аварийной ситуации

Пройдя понятие о шаговом напряжении, становится понятно, что для осуществления каких-либо спасательных операций, понадобятся специальные меры защиты. Это костюм, выполненный из неприводимого материала и определенные знания оказания первой помощи.

Поражение начинается с нижних частей ног, в зависимости от напряжения, ощущения могут быть разными:

1. Покалывание, зуд;
2. Спазмы;
3. Резкая боль;
4. Паралич.

Правила выхода из опасной ситуации гласят, что если помощи нет, то нужно стараться выбраться из зоны действия тока. Электробезопасность рекомендует уменьшать размер шагов, например, двигаться прыжками на одной ноге, размером менее 40 см. Способы зависят от конкретной ситуации.

Когда вошли в безопасный участок, сразу нужно определить возможные симптомы поражения шаговым напряжением:

1. Дрожь и онемение конечностей;
2. Бессвязность речи;
3. Головокружения, потеря сознания, тошнота;
4. Боль в мышцах;
5. Любые виды нарушения дыхания, начиная от першения в горле и заканчивая спазмами;
6. Фибрилляция.

В сводах БЖД сказано, что в 80 % случаев самостоятельный выход из зоны, где действует шаговое напряжение, практически не имеет последствий. Но у 20 % освобождение из ловушки может оставить след на всю жизнь в виде проблем с сердцем или легкими.