Электроэнергетический ликбез: как не умереть от электричества?⁠⁠

Привет. В двух предыдущих постах я попытался вкратце рассказать историю становления русской электроэнергетики. В комментариях мне предложили спуститься с небес на землю и вкратце воспроизвести некоторые понятия чуть ли не из школьной физики. В связи с недостатком большого количества свободного времени на накатывание простыней, вернусь к комментариям под первым постом и попробую рассказать про то, что же всё таки убивает человеков - ток, или напряжение?

Для начала вспомним закон Ома:

U=I*R,

где U - напряжение, В;

I - ток, А;

R - сопротивление, Ом.

Схема замещения нагруженной электрической цепи выглядит примерно следующим образом:

То есть, есть некоторое напряжение (для удобства здесь изображено фазное - между фазой и землёй, но всё сказанное так же актуально и для линейного, т.е. напряжения между двумя фазами), приложение которого на некоторую нагрузку R вызывает протекание электрического тока I.

Если исключить из цепи нагрузку, то по ней не будет протекать никакого тока (рисунок слева), а если вместо этой нагрузки добавить идеальный провод без сопротивления, то ток будет бесконечным (рисунок справа), не так ли?

На самом деле, нет. Подобные схемы замещения хоть и используются в решении задачек, но всё же далеки от истины. В действительности идеальных проводов, как и идеальных источников, не существует. Изображенная слева схема соответствует режиму холостого хода, справа - короткого замыкания. И в обоих случаях необходимо учесть два параметра - внутреннее сопротивление источника и сопротивление самих проводов. Следующая схема уже лучше отражает положение дел:

Величина внутреннего сопротивления Rвнутр обеспечивает как раз таки невозможность бесконечного тока даже в режиме короткого замыкания. Отбросив в сторону различные детали вроде апериодической составляющей, ток КЗ в конце концов - определенная величина, и в расчетах различных схем можно встретить такую величину, как мощность короткого замыкания - она то и определяет максимальный ток при КЗ прямо за внутренним сопротивлением.

По мере удаления точки короткого замыкания к внутреннему сопротивлению добавляется сопротивление провода Rпров. В электроэнергетике сопротивление провода обычно является погонной величиной и измеряется в Ом/км. Соответственно, чем дальше точка КЗ (или подключения нагрузки), тем больше сопротивление Rпров. Эта же величина обуславливает и протекающий ток холостого хода линии даже в случае отсутствия нагрузки. Соответственно, по мере увеличения этого сопротивления возрастает и этот самый ток.

Давайте теперь присовокупим к нашей схеме человека. Но для начала обратимся к нормативной документации, дабы узнать, что вообще такое человек с точки зрения электричества. А с её точки зрения - он не больше, чем совокупность сопротивлений.

Первое, с чем сталкивается электрический ток при встрече с человеком - его кожа. Ниже прикладываю весьма наглядный график, отражающий зависимость сопротивления кожи человека от приложенного напряжения, как постоянного (DC), так и переменного (AC).

Из графика видно, что при небольших напряжениях (ниже 20 В) кожа человека по сути представляет собой диэлектрик. Именно поэтому при замыкании своими пальцами обычной пальчиковой батарейки (1.5 В), или даже аккумуляторов побольше (18650) с Вами ничего не произойдёт. Однако, при повышении напряжения сопротивление кожи стремительно снижается, и уже с 40 В составляет весьма небольшую величину. На практике напряжение выше 25 В считается опасным и требует специального оснащения при работах с ним. Но обо всём по порядку.

Перед тем, как перейти к конкретным примерам и рассмотрения влияния электричества на человека в сложившихся ситуациях, давайте попробуем разобраться, чем вообще оно опасно. Выделяют 4 опасных вида воздействий электрического тока на человека:

1) Термическое:

Как мы уже выяснили выше, человек - сопротивление определенной величины на пути протекания электрического тока. А на любом сопротивлении выделяется тепловая энергия - привет, закон Джоуля-Ленца:

Q=R*I^2,

где Q - количество выделяемой теплоты.

Таким образом, проходя по коже и внутренним органам, электрический ток начинает буквально жарить Вас заживо.

2) Электролитическое (химическое):

Слышали про электролиз? Зачастую этот процесс приносит пользу - с его помощью можно покрыть металл другим, или даже получить новый металл. А можно изменить химический состав крови, сделав его непригодным для жизни. Так же этот процесс затрагивает и другие жидкости в организме. В общем, приятного мало.

3) Механическое:

Если два предыдущих фактора обычно подразумевают довольно длительное протекание тока через человека, то два следующих получается ощутить крайне быстро. Из-за электрического тока мышцы человека резко сокращаются, вплоть до их разрыва. Кроме того, возникающие в первый момент протекания тока электродинамические силы могут быть настолько велики, что человека просто отбрасывает, как от взрыва. Приятного, как Вы понимаете, тоже мало.

4) Биологическое:

Самое, пожалуй, опасное. Хоть я уже и упомянул об этом в третьем пункте, резкое сокращение мышц может повлечь не только их разрыв, но и даже более неприятную штуку - нарушение синусового ритма некоторых групп мышечных волокон сердца, т.е. фибрилляцию. Сердце начинает беспорядочно молотить и не выполняет свою главную функцию, в результате чего через несколько минут наступает верная смерть.

/////////Клин клином вышибает////////////////////

Весьма ироничным фактом является то, что для обращения этого процесса также применяется электричество - электрические дефибрилляторы. По сути, они просто так же сбивают ритм, но из-за того, что ритм уже сбит, есть шанс "синхронизировать" все группы волокон. Кроме того, существует механическая дефибрилляция - так называемый прекардиальный удар. По словам мавров, вовремя и правильно сделанный прекардиальный удар повышает вероятность успешной реанимации в разы.

/////////////////////////////////////////////

Держа в голове все перечисленные выше опасные факторы будет логично узнать и о критических значениях тока, ощутимых для человека. Все величины указаны в тысячных долях Ампера - миллиамперах.

1 - ощутимый ток. Ощущается покалывание, легкая дрожь;

5 - начинаются судороги;

15 - неотпускающий ток. Если прикосновение к токоведущим частям осуществлялось внутренней стороной руки, то из-за сокращения мышц разжать пальцы становится невозможно;

60 - паралитический ток. Начинается паралич дыхательных мышц, становится трудно, а вскоре и вовсе невозможно дышать;

100 - фибрилляционный ток. Наступает фибрилляция сердца.

/////////А вот моего соседа било 150 Ампер, и он только лучше выглядеть стал!/////////

Все эти величины регламентированы, стандартизированы, и были подобраны опытным путём. История знает немало примеров, когда люди могли спокойно прикасаться к оборудованию, находящемуся под напряжением в десятки киловольт и ничего не ощущали; когда люди действительно выживали при протекании тока более 100 мА без серьёзных последствий. Всё это очень сильно зависит от огромного количества факторов - от количества мозолей на коже до внутреннего психологического состояния (без шуток!). Но советую повнимательнее познакомиться с такой штукой, как систематическая ошибка выжившего и усвоить, что Вам, скорее всего, так не повезёт.

//////////////////////////

Последнее, о чём хотелось бы упомянуть - влияние пути протекания тока на влияние этого самого тока. Самыми популярными считаются два варианта: рука-рука и рука-нога. В первом случае на пути протекания тока встаёт весь богатый внутренний мир человека, но самое неприятное - сердце и легкие. Поэтому такой путь считается самым неблагоприятным, ведь вызывает самые скоропостижные и сильные травмы. С ожогами на руке ещё смириться можно, а вот с остановившимся сердцем или прерванным дыханием - вряд ли. Во втором случае всё не так однозначно - нога может быть с той же стороны, что и рука, а может быть и с противоположной. В любом случае, считается, что шансов выжить в данном случае и отделаться только механическими и термическими повреждениями несколько больше. Но помните - 0.02% аж в 2 раза больше, чем 0.01%. Но всё равно чертовски мало.

Ну и давайте теперь имплементируем накопленную информацию на конкретном примере.

Ковёр на стене лишь придаёт антуража, а вот корявые чёрточки на полу означают, что это - земля. Не в смысле, что у этого абстрактного парня вместо линолеума чернозём, а в смысле, что у этой поверхности отсутствует потенциал, как и у самого человека.

Как известно, в обычной однофазной розетке есть два контакта - фаза и ноль. Фаза обладает потенциалом в 220 Вольт, ноль - потенциалом в 0 Вольт. За счёт этого и создаётся разность потенциалов.

При попытке ухватиться двумя руками за оба контакта человек начнёт представлять собой нагрузку определенного сопротивления, путь протекания тока - рука-рука. Создаётся отличный с точки зрения электричества замкнутый контур, где всё напряжение приложено к человеку. Ничего хорошего точно не выйдет.

Если провод только один, а потрогать хочется, то есть 50% шанс на успех (вне зависимости от того, какой расклад считать успехом). В случае, если человек касается нуля - ничего не происходит. Потенциал нуля, как и потенциал человека, как и потенциал земли - нулевой, соответственно, никакого напряжения и никакого тока.

Если же выведенной окажется фаза, то ситуация примет несколько более печальный оборот (правда, несколько менее печальный, чем в первом случае). Во-первых, в связи с бОльшим путём протекания тока, результирующее сопротивление окажется несколько выше. Во-вторых, сам путь протекания окажется более благоприятным - рука-нога чуть менее страшна. Ну и различная утварь на полу тоже вносит определенные коррективы, увеличивая результирующее сопротивление контура, тем самым уменьшая ток. Все приведенные примеры схематически отображены ниже.

Как бы то ни было, хвататься за торчащие провода в любом случае - довольно паршивая затея. В среднем сопротивление тела человека принято считать равным 1500 Ом, что при приложенном напряжении в 220 Вольт даст 147 мА чистого упорядоченного движения частиц. И, поверьте, даже если на полу будет лежать ковёр, сильной погоды он не сделает (разве что он не диэлектрический).

На данной ноте я предлагаю закончить этот пост. Надеюсь, из него стало понятно, что же таки убивает - ток, или напряжение. Если интерес остался, то далее можно раскрыть ещё несколько хитрых моментов: шаговое напряжение, напряжение прикосновения, наведенное напряжение. Вроде как речь ведётся о напряжении, но смертелен ток. Повсюду коллизии!

Постскриптум. Как это обычно и происходит, реальность идёт вразрез с желаемым, потому прошу прощения, что уж очень отклонился от того графика в 1-2 дня. Прошу понять и продолжать предлагать интересные темы для обсуждения в комментарии.