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.
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.
Возникновение шагового напряжения
Почему существует шаговое напряжение. При контакте фазного провода с грунтом начинает течь ток. Согласно справочникам, почва имеет некое определенное сопротивление. Постоянным параметр считать нельзя, многое зависит от влажности. Очевидно, с ростом глубины почва более мокрая, лучше проводит электричество. По указанной причине (никакой другой) стальные колья контура громоотвода вкапываются на некоторое минимальное, заранее высчитанное расстояние.
Меж эпицентром (точкой контакта фазы и почвы), окраиной круга радиусом 20 метров образуется резистивный делитель. Рисунок показывает: напряжение падает нелинейно. Эквипотенциальная поверхность утечки тока близка формой эллипсоиду вращения. Заряды распространяются по трем направлениям. Привыкли видеть на уроках физики иной расклад (вспомним резистивный делитель электрической цепи).
Там ток двигается вдоль провода. Путь одномерный. Отношение потенциалов пропорционально сопротивлениям взятых резисторов. В случае шагового напряжения ток движется в прямоугольных координатах поверхности грунта, уходя одновременно вглубь. Этим объясняется нелинейность зависимости, представленной рисунком: опасность резко падает по мере удаления от центра аварии.
Закономерности свойственны обычной физике: выше сопротивления, меньше ток. Хорошо для поставщиков энергии, авария обходится дешевле
Почувствовавшим опасность важно соотношение сопротивления участка грунта и тела человека. Во влажной почве токи велики, малая часть ответвляется нанести удар
Образуется резистивный делитель, чем человек лучше сопротивляется электричеству, тем меньшим будет урон.
Становится понятно, почему электрики носят специальную обувь с изолирующей подошвой. От переменного тока это неидеальная защита. Напряжение в десятки киловольт пробивает подошвы насквозь, даже если человек стоит на сухом грунте. Разница потенциалов растет, следуя ширине шага. Руководства по технике безопасности единогласно рекомендуют выходить за пределы опасной зоны «гусиной» походкой.
Для каждого отдельного человека нельзя заранее предсказать результат действия шагового напряжения. В конечном итоге, определено индивидуальными физиологическими особенностями (сопротивление тела). Стоит, однако, знать некоторые общие закономерности:
- Сопротивление кожи в несколько раз выше внутренних органов. Если эпидермис нездоров, повреждены нижележащие слои, исход столкновения с электричеством неблагоприятный.
- Физиологи выделяют следующие наиболее фатальные пути прохождения электрического тока по организму (нужно заметить, сюда входят почти все возможные траектории движения заряда): рука — рука (худший вариант), любая рука — ноги, обе руки — ноги. В этих случаях (по убыванию) значительная часть тока проходит через сердце, чревато летальным исходом. Становится понятно, почему нельзя падать на землю (чтобы руки находились под разным потенциалом).
При отрицательных температурах опасность ниже. Для суглинистых почв, влажности грунта 15 – 20% безопасное расстояние составляет 4 метра. По этой причине вдоль кабельных трасс зимой почву запрещено прогревать. Устанавливаются в каждом случае и другие нормативы. Например: конный транспорт не должен работать ближе 20 метров от огороженной области электроотогрева грунта. Цифра знакомая, фигурировала выше.
Правила перемещения в зоне шагового напряжения
Лучший способ не стать жертвой шагового напряжения – избегать опасности поражения. Для этого требуется быть предельно внимательным, особенно во влажную погоду и при ограниченной видимости. При пересечении линий электропередач в ветреную погоду требуется убедиться в отсутствии оторвавшихся проводов. Кроме кабелей, упавших на землю, опасность представляют источники, обмотанные вокруг столбов или деревьев. При обнаружение следует обойти провод за 10-15 метров. В случае, если кабель упал непосредственно возле человека, необходимо сохранять спокойствие и следовать следующему алгоритму:
- Встать прямо на 2 ноги, максимально сведя пятки;
- Определить ближайший путь от потенциального источника напряжения, минуя препятствия;
- Аккуратно совершить поворот в нужное направление;
- Передвигаться от источника максимально мелкими шагами;
- После выхода из опасной зоны незамедлительно обратиться в МЧС для устранения опасности.
Наиболее эффективно при выходе из опасной зоны является передвижение гусиными шагами. Это значит, что передняя пятка практически касается носка задней ноги, нога при шаге переставляется на длину ступни. Таким образом сохраняется минимальное расстояние между ступнями, которого не хватает для возникновения опасного напряжения.
Такой способ движения отнимает много сил, однако является наиболее безопасным. Движение необходимо производить максимально быстро, но без спешки и паники (по статистике во время любых ЧП именно паника является причиной 80% несчастных случаев). Бежать или пытаться выпрыгивать из опасной зоны категорически запрещается.
При выходе можно постепенно увеличивать интервал шага на несколько сантиметров, однако делать это рекомендуется при удалении на 5-7 метров от источника опасности. Признаками шагового напряжения является покалывание в конечностях, при большем значение напряжения – спазмы, резкая боль. В исключительных случаях возможен паралич ног. Спазм конечностей особо опасен, так как вызывает непроизвольное сокращение мышц и может привести к падению (после чего покинуть опасную область самостоятельно практически невозможно).
Еще одним действенным, но запрещенным по технике безопасности способом безопасного выхода зоны являются прыжки на одной ноге. Соприкосновение с землей только одной конечностью в этом случае полностью безопасно, но при падении на вторую ногу или руку существует риск опасного для жизни поражения.
Шаговое напряжение, электрическое напряжение шага — что это такое и почему оно опасно
Тема: что собой представляет шаговое электрическое напряжение, осторожно, опасно
Шаговое напряжение (или ещё его называют напряжением шага) — это опасное напряжение, возникающее между двух точек цепи электрического тока, расстояние между этих двух точек равно длине шага. Шаговое напряжение в первую очередь зависит от удельного электрического сопротивления поверхности и силы тока, что протекает через него. Шаговое напряжение может возникать на местах защитных заземляющих устройств — зануление, заземления и др.
Также на местах аварий, где токоведущие части касаются поверхности грунта.
Напряжение шага определяется расстоянием, длина которого напрямую зависит от непосредственной формы кривой напряжения, то есть от конкретного типа заземлителя, и меняется от определённого значения максимальной величины до нуля с изменением промежутка от электрического заземлителя.
Обратите внимание
Предположим, что на грунте в точке «О» установлен один заземлитель (металлический электрод) и через него проходит электрический ток замыкания на землю. Около этого защитного заземлителя создается некоторая зона рассеивания электрического тока в почве.
То есть, зона поверхности, за пределами которой потенциал, что обусловлен токами защитного заземления на грунт, может быть принят условно за ноль.
Основная причина подобного явления лежит в том, что объем грунта, через который течёт электрический ток замыкания на почву, по мере удаления от защитного электрического заземлителя увеличивается, при этом происходит рассеивание тока по грунту.
На расстоянии 20 метров и более от защитного заземлителя объем грунта так увеличивается, что действительная плотность электрического тока становится довольно малой, а электрическое напряжение между точками поверхности грунта и точками более удаленными не проявляет себя ощутимо.
Слишком опасное шаговое напряжение может появиться неподалёку упавшего на поверхность земли и находящегося под небезопасным для жизни электрическим напряжением провода.
В таком случае категорически запрещается приближаться к электрическому проводу, который лежит на поверхности земли, на расстояние ближе 8-10 метров.
Напряжение шага отсутствует, если человек стоит, либо вне зоны растекания тока, либо на линии равного потенциала.
Важно
Наиболее опасные значения напряжения шага будут при малом расстоянии от защитного заземлителя, в том случае, когда человек своей одной ногой касается заземлителя, а другой ногой стоит на расстоянии шага от него.
Это объясняется тем, что электрические потенциал вокруг защитного заземлителя равномерно распределяется по определённым вогнутым кривым, и значит, максимальный перепад разности потенциалов оказывается в начале этой кривой.
Минимальные значения шагового напряжения будут при бесконечно дальнем удалении от электрического защитного заземлителя, то есть за пределами территории растекания электрического тока, примерно дальше 20 метров от центра электрического заземлителя.
На территории, где располагаются электроды группового защитного заземлителя, шаговое напряжение будет немного меньше, по сравнению с применением одиночного заземлителя.
В случае попадании под шаговое напряжение появляются судорожные непроизвольные сокращения мышц ног человека (или животного).
В данный момент заканчивается воздействие шагового напряжения на человека и появляется другая, более тяжелая ситуация: образуется новый путь протекания электрического тока — от рук к ногам, что порождает смертельную угрозу для жизни.
Если Вы вдруг попали в зону действия шагового напряжения, в первую очередь следует выйти из этой зоны маленькими шажками (гусиным шагом).
P.S. Хуже всего то, что данное явление нельзя обнаружить сразу, если заранее не знаешь. Просто нужно быть достаточно внимательным, когда проходишь возле высоковольтных линий электропередач.
Совет
Любой оборванный провод, лежащий на земле, должен сразу же насторожить и повысить ваше внимание. Лучше не испытовать судьбу, и не подходить близко к такому месту
Шаговое напряжение невидимо, но оно способно в считаные секунды забрать вашу жизнь! Будте внимательны и осторожны с электричеством. Это опасно!
Первая помощь при поражении током
Постоянно думай о собственной безопасности!
- Начать оказание первой помощи необходимо немедленно. Первым делом нужно обязательно освободить пострадавшего от действия электрического тока.
- Затем сразу же вызвать скорую помощь!
- При отсутствии дыхания и сердцебиения приступить к искусственному дыханию и массажу сердца.
- По возможности наложить стерильную повязку на место электрического ожога.
- Обеспечить покой пострадавшему.
Пострадавшего независимо от его самочувствия следует направить в лечебное учреждение.
Что нельзя делать с пострадавшим и почему:
- Закапывать в землю (будет затруднено дыхание, что повлияет на работу сердца)
- Обливать водой (происходит охлаждение организма)
- Загрязнять поверхность ожога (начинает развиваться столбняк или гангрена)
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.
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.
Будет интересно Что такое термопара: об устройстве простыми словами
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).
Опасность шагового напряжения
Проблема в том, что воздействие импульсного тока молнии на живые организмы изучено плохо. Возможность рассчитать ориентировочную величину тока и напряжения шага есть, а вот результат их взаимодействия с организмом человека менее предсказуем. 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.
Шаговое напряжение и выравнивание потенциалов
Многие из нас еще с детства помнят о том, что оголенный оборванный провод, упавший на землю, – это очень опасно. Помнятся различные страсти-мордасти про мокрую погоду и про несчастных жертв, даже не имевших «счастья» прикоснуться к металлу, находящемуся под напряжением и ставшему причиной их травмы. Всего-то их и угораздило пройти в опасной близости от поврежденной линии – и этого оказалось более чем достаточно.
Но что же это за явление, благодаря которому провод, «невинно» полеживающий в стороне становится смертельной угрозой? Всем известно, что электротравму человеку может нанести только проходящий через его тело электрический ток. А электрическому току нужен свободный путь. Необходимо, как минимум, две точки приложения на теле того, кому не повезло: одна из них – фаза, откуда ток может прийти, а вторая – ноль, куда он может свободно уйти.
Но позвольте, какая «фаза»? Ну, «ноль» – еще понятно, но откуда «фаза», если человек спокойно шагает себе по земле и никаких проводов даже не трогает? Ничего ведь такого, кажется, и нет – просто влажная земля. Тропинка, например. Ну да, фазный оборванный провод лежит неподалеку в кустах. Но он же непосредственно на землю и замкнулся – цепь не включает в себя прогуливающегося пешехода и ток через него идти не должен. Но это только так кажется.
Механизм появления шагового напряжения
Бояться было бы нечего, если бы земля была отличным проводником с сопротивлением, близким к сопротивлению металла. Тогда обрыв провода и падение его на землю завершались бы банальным коротким замыканием. Срабатывала бы максимально-токовая защита, или сгорал бы оборванный провод, но в любом случае долго бы это не продолжалось. А на самом же деле удельное электрическое сопротивление грунта составляет минимум 60 Ом*м, а чаще всего и больше, даже если погода влажная и идет дождь. Поэтому при обрыве повода и замыкании его на землю для электрического тока просто возникает новая цепь: фазный провод – земля – заземленная нейтраль трансформатора.
Из-за не очень-то высокой проводимости земли току приходится изрядно потрудиться, чтобы пройти по этой цепи, но вариантов у него нет. Ток «с удовольствием воспользовался бы» какой-нибудь еще другой, «параллельной дорогой», которая позволила бы ему сократить путь. И такой дорогой может стать тело пешехода.
Говоря по-научному, на единственном существенном сопротивлении цепи провод-земля-нейтраль – влажном грунте – происходит падение напряжения (изменение электрического потенциала) от 220 вольт возле упавшего провода до нуля у нейтрали трансформатора.
Падение это происходит нелинейно, но суть сводится к тому, что чем ближе к проводу – тем стремительнее возрастает потенциал земли. Значит, чем ближе к месту обрыва – тем большая разность потенциалов между двумя точками поверхности, расположенными на определенном расстоянии. А несчастный прохожий может стоять одной ногой на первой из этих точек и другой ногой – на второй из них. При этом он, конечно, воспримет на себя возникшую разность потенциалов, а это может оказаться практически все фазное напряжение, если провод близко.
Разумеется, там, где появилось напряжение, – там и ток не заставит себя ждать. Вот и все. Не успев осознать тяжесть своего положения, прохожий получает удар током, возможно смертельный. Напряжение, возникающее в таких случаях между ступнями человека, называется «шаговым напряжением» или «напряжением шага», и для борьбы с ним есть некоторые меры.
Что такое шаговое напряжение
Шаговое напряжение и правила перемещения
Человек и любое живое существо, попадая в зону воздействия электрического тока, рискуют получить электротравму и даже при определенных обстоятельствах лишиться жизни. Прохождение такого тока через тело вызывается во время прикосновения к таким предметам:
- неизолированному проводу, по которому протекает ток;
- проводу, у которого повреждена изоляция;
- корпусу электрооборудования с неисправной изоляцией или к оголенным контактам;
- металлическому предмету, который оказался под напряжением.
Поражение электротоком может произойти в случае обрыва провода на линии передачи электроэнергии напряжением 0,4 В и выше, если она не отключена от энергопоставляющей компании. Общеизвестный факт – земля это проводник электротока, особенно когда она влажная. Точка на грунте, находящаяся в зоне растекания тока, имеет потенциал (напряжение) определенной величины. Живое существо, попадая под действие электрического тока в момент, когда ноги на определенном расстоянии касаются 2 точек земли, может оказаться пораженным током. Эту разницу потенциалов называют шаговым напряжением. И чем она больше, т.е. чем больше расстояние между ногами, тем опаснее действие тока. На шаговое напряжение оказывает влияние удельное сопротивление земли, ее состояние, сила протекающего тока и путь прохождения по организму живого существа.
Шаговое напряжение возникает при ударе молнии в металлическую опору, молниеотвод, высокое дерево или любой металлический предмет. Если ноги расставлены на определенную величину, то ток молнии, растекаясь в земле, проходит и под ногами живого существа. Заряд входит в одну ногу и уходит, проходя через тело и другую в землю. Это тот случай, когда возникает напряжение шаговое и живое существо находится под его влиянием. У человека обычно шаг э0,6 ÷ 0,8 м, у животного гораздо больше, что усиливает воздействие на организм живого существа.
Наибольшее значение шагового напряжения, которое может поразить живое существо, находится вблизи лежащего на земле оборванного кабеля или провода, наименьшее – на расстоянии 20 м и больше. Опасной зоной, проводящей смертельной величины электрический ток, считается в радиусе 8 ÷ 10 м от лежащего электропровода.
При попадании в зону действия шагового напряжения, необходимо придерживаться таких правил:
- не касаться лежащего на земле провода;
- не приближаться к человеку или живому существу;
- не касаться руками и телом лежащих металлических предметов;
- не трогать и не тормошить живое существо.
Во время грозы нельзя прятаться под деревьями, стоять под опорами электропередач, держать в руках металлические предметы. Именно они притягивают молнию.
