Как определить опасную зону по графику распределения потенциалов

Результаты измерений и расчетов

7. Научиться определять по графику шаговые напряже­ния и рассчитывать радиус опасной зоны при заданных ус­ловиях. Для этого на графике распределения потенциалов от­ступают от заземлителя на размер шага 1,0 м, определяя по­тенциалы точек UН1 и UН2 (UН1 – потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; UН2 – потенциал другой ноги).

Разность этих потенциалов составляет шаговое напряже­ние. Результирующие данные заносим в табл. 3.

Определение опасной зоны

Если полученное шаговое напряжение больше допустимо­го UДОП, то делают следующие шаги до тех пор, пока полученное шаговое напряжение не станет меньше допустимого.

Все данные занести в табл. 3. На графике распределения по­тенциалов показать опасную зону.

8. Определить величину опасной зоны по графику экви­потенциальных линий. Для этого па графике отложить вели­чину шага LГ.Э. Если на величину шага приходится две или больше эквипотенциальных линий, то шаговое напряжение, возникающее при этом, будет больше допусти­мого, следовательно, это опасная зона. Если величина шага будет меньше, чем расстояние между двумя соседними экви­потенциальными линиями, то возникающее шаговое напряже­ние будет меньше допустимого по условиям электробезопас­ности. Опасную зону на графике эквипотенциальных линий заштриховать.

9. Сделать выводы по результатам проделанной работы.

2.3. Содержание отчета

2. Описание экспериментальной установки и ее схема.

3. Основные определения и расчетные формулы.

4. Таблицы, экспериментальные и расчетные данные.

5. График распределения потенциалов UРП =f(l) и гра­фик семейства эквипотенциальных линий с нанесенными на них границами опасных зон.

Контрольные вопросы

1. При каких ситуациях ток может стекать в землю?

2. Что называется полем растекания тока?

3. Дайте определение шагового напряжения.

4. От чего зависит распределение потенциалов в электрическом поле заземлителя?

5. Как растекается ток с одиночного полусферического заземлителя?

6. Как определяется плотность тока  на поверхности грунта в точке, находящейся на расстоянии r от заземлителя?

7. По какому закону распределяются потенциалы точек в зависимости от расстояния до одиночного полусферического заземлителя?

8. Чем объясняется гиперболический характер распределения потенци­алов в зависимости от расстояния?

9. Как определяется потенциал заземлителя радиусом r0?

10. Что такое сопротивление растеканию тока заземлителя?

11. Как определяется сопротивление растеканию тока одиночного полуcферического заземлителя?

12. Где сопротивление растеканию тока наибольшее и почему?

13. Чему равно сопротивление растеканию тока на расстоянии 1020 м от заземлителя?

14. На каком расстоянии от заземлителя потенциалы точек грунта равны нулю?

15. От чего зависит шаговое напряжение?

16. Как меняется шаговое напряжение с удалением от заземлителя и почему?

17. Как определить шаговое напряжение по графику распределения потенциалов?

18. Что такое эквипотенциальная линия?

19. Чему равно шаговое напряжение при нахождении человека на эк­випотенциальной линии?

20. От чего зависит коэффициент напряжения шага?

21. Как изменяется коэффициент напряжения шага?

22. Может ли быть шаговое напряжение больше, чем напряжение на заземлителе?

23. Какая зона называется опасной?

24. От чего зависит радиус опасной зоны?

25. Как определить опасную зону по графику распределения потенци­алов?

26. Как определить опасную зону по графику эквипотенциальных ли­ний?

27. Что дает выравнивание потенциалов?

28. Какая конфигурация заземлителя позволяет снизить шаговые напряжения?

29. За счет чего можно снизить шаговые напряжения за пределами контурного заземлителя?

Результаты измерений и расчетов

Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом при повреждении электрической изоляции оборудования, падении на землю оборванного провода и др. В этих случаях ток сте­кает в землю через электрод, который контактирует с грунтом. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками электрической цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжением шага или шаговым напряжением.

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяемой размерами, формой заземлителя и электрическими свойствами грунта.

Для выявления закона распределения потенциалов грун­та в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток IЗ стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r0 погруженный в однородный изо­тропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r<r1<r2<. <rn.

Рис. 1 Растекание тока в грунте с полусферического

Поверхности этих сечений соответственно равны:

.

Ток распределяется по этим поверхностям равномерно, так как грунт однородный и изотропный. Плотность тока d на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоя­нии x от центра заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю IЗ к площади поверхности полусферы радиусом х:

(1)

Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиусом X. выделим элементарный слой толщиной dx (см. рис. 1). Падение напряжения в этом слое:

dU=Edx , (2)

гдеЕ = dr – напряженность электрического поля.

Потенциал точки А или напряжение этой точки относительно земли равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:

(3)

Подставив в выражение (3) соответствующие значения из выражений (1) и (2), а также значение Е. получим

(4)

Проинтегрировав выражение (4) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки относительно земли, в следующем виде:

(5)

Так как , то (5) принимает вид:

Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).

Рис. 2Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя

Потенциал заземлителя радиусом r0или напряжение заземлителя относительно земли:

(6)

Заземлитель обладает наибольшим потенциалом. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя. В пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Причи­на подобного распределения потенциалов кроется в своеобразной форме проводника (земли), сечение которого возрастает пропорционально второй степени радиуса полусферы (рис. 3).

Ток, стекая с заземлителя, растекается по земле, которая оказывает сопротивление протеканию тока. Сопротивление растеканию тока заземлителя определяется, как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до точки с нулевым потенциалом. Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном изотропном грунте, сопротивление растеканию RРАС имеет вид:

(7)

Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли (грунта) лежащие вблизи заземлителя, так как ток протекает здесь по малому сечению. В этих точках имеют место наибольшие падения напряжения.

Рис. 3Упрошенная модель проводника земли

По мере удаления от заземлителя сечение проводника (земли) увеличивается и сопротивление растеканию тока уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения. На расстоянии 10¸20 м от заземлителя сечение проводника (земли) становится настолько большим, что земля практически не оказывает сопротивления проходящему току. Таким образом, потенциал точек грунта, находящихся на расстоянии 10¸20 м от одиночного полусферического заземлителя, практически равен нулю.

Шаговое напряжение определяется, как разность потенциалов между точками, например А и Б (см. рис. 4).

. (8)

Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние r, то ее потенциал, исходя из (5) при полусферическом заземлителе получим в виде :

Точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a. Потенциал точки Б:

Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое на­пряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю. Пусть расстояние от заземлителя до эквипотенциали, на которой находится человек, равно r, тогда шаговое напряжение равно нулю.

Рис. 4Возникновение шагового

Значение шагового напряжения зависит от размера шага. Уменьшение его приводит к снижению шагового напряжения. Шаговое напряжение зависит от напряжения заземлителя:

(10)

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Коэффициент напряжения шага bШ зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно зазем­лителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше bШ и, следовательно, больше шаговое напряжение. Человек, находящийся вне поля растекания то­ка (на расстоянии 10–20 м от заземлителя), не попадает под действие шагового напряжения, так как bШ = 0. Как вид­но из выражения для определения коэффициента шага, его значение меньше единицы. Таким образом, шаговое напряжение составляет часть напряжения на заземлителе. Полученное выражение для определения bШ справедливо только для полусферического заземлителя.

Для другой формы заземлителей, а также для заземлителей, состоящих из нескольких электрически соединенных между собой электродов, распределение потенциалов определя­ется сложными зависимостями. Следовательно, и коэффици­ент напряжения шага в различных случаях определяется очень сложными выражениями. Для одиночного протяженного заземлителя длиной l >20 м bШ=0,14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединенных полосой, bШ= 0,10.

Нахождение человека в поле растекания тока может при­вести к поражению, если шаговое напряжение UШпревышает допустимое по условиям электробезопасности значение UДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой UШ>UДОП, называется опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от напряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта.

Рис. 5Кривые распределения потенциалов

Пусть заземлитель состоит из двух полусферических элек­тродов. Картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 5. Поля растекания заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности грунта между электродами имеет значительный потенциал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.

Для снижения шаговых напряжений заземлители располагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга, что приводит к выравниванию потенциалов за счет наложения полей растекания. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 6).

Рис. 6Заземлитель с выравниванием потенциалов:

вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как шаговое на­пряжение UШ < UДОП, т. е. опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соеди­ненные с заземлителем (см. рис. 7). При этом спад потенци­алов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ (УПРОЩЕННЫЙ ВАРИАНТ)

Описание установки

Изучение электрического поля на поверхности почвы вблизи заземлителя производится на учебном стенде (рис. 8). На нем представлены измерительные клеммы на которых требуется измерить напряжение. Данные клеммы имитируют точки потенциалов на соответствующем указанном расстоянии от заземлителя. Место установки заземлителя принято клемме “0”.

Рис. 7 Кривая изменения потенциала за пределами контура

I – без выравнивания; II – с выравниванием

Кнопка выбора типа заземлителя и кнопка выбора сопротивления грунта служат для установки требуемых условий эксперимента. Регулятором силы тока заземлителя устанавливают необходимое значение. Сила тока заземлителя отображается на амперметре. Необходимые измерения производятся путем подключения минусовой клеммы вольтметра к “Земле”, а плюсовой к измеряемой клемме. Результат измерения отображается на вольтметре.

Рис. 8Принципиальная схема экспериментальной установки

Порядок проведения работы

1. Кнопкой включения (см. рис. 8) включили установку. Установили заданную преподавателем силу тока заземлителя, удельное сопротивление грунта, и тип заземлителя.

Электрические параметры установки занесли в табл. 1.

Электрические парамет­ры установки

I, мА r, Ом∙см

2. Приняли величину допустимого шагового напряжения равной 100 В.

3. Подключая плюсовую клемму к измерительным клеммам замерили напряжение вольтметром. Результаты занесли в табл.3

4. Приняли что опытные показатели равны реальным.

5. . По данным табл. 3 построили график распределения по­тенциалов в зависимости от расстояния до заземлителя UОП=f(l), а так же график экви­потенциальных линий.

6. Научились определять по графику шаговые напряже­ния и рассчитывать радиус опасной зоны при заданных ус­ловиях. Для этого на графике распределения потенциалов от­ступили от заземлителя на размер шага 1,0 м, определяя по­тенциалы точек UН1 и UН2 (UН1 – потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; UН2 – потенциал другой ноги).

Разность этих потенциалов составляет шаговое напряжение. Результирующие данные занесли в табл. 2.

Определение опасной зоны

Номер шага UН1, В UН2, В UШ, В
37,62 18,96 18,66
18,96 9,55 9,41
9,55 6,49 3,06
6,49 4,85 1,64
4,85 3,95 0,9
3,95 3.28 0,67
3.28 2,83 0,45
2,83 2,53 0,3
2,53 2.23 0,3
2.23 2.09 0,14
2.09 1.94 0,15
1.94 1.79 0,15
1.79 1.64 0,15
1.64 1.49 0,15
1.49 1.48 0,01

Если полученное шаговое напряжение больше допустимого UДОП,то делали следующие шаги до тех пор, пока полученное шаговое напряжение не станет меньше допустимого. Все данные занесли в табл. 2. На графике распределения потенциалов показали опасную зону.

Результаты измерений и расчетов

L, см
UОП, В 37,62 18,96 9,55 6,49 4,85 3,95 3.28 2,83 2,53 2.23 2.09 1.94 1.79 1.64 1.49 1.48

7. Определили величину опасной зоны по графику эквипотенциальных линий. Для этого на графике отложили величину шага LГ.Э. Если на величину шага приходится две или больше эквипотенциальных линий, то шаговое напряжение, возникающее при этом, будет больше допустимого, следовательно, это опасная зона. Если величина шага будет меньше, чем расстояние между двумя соседними эквипотенциальными линиями, то возникающее шаговое напряжение будет меньше допустимого по условиям электробезопасности. Опасную зону на графике эквипотенциальных линий заштриховали.

8. Сделали выводы по результатам проделанной работы.

Вывод: Чем ближе человек находится к заземлителю тем больше шаговое напряжение,тем больше риск поражения током.

Лабораторная работа “Контроль и расчет защитного заземления”

Цель работы — ознакомить с принципом действия. Областью применения и конструкцией защитного заземления, научить методам контроля и расчета сопротивления заземляющего устройства

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При замыкании одной из токоведущих частей электроустановки на ее корпус, выполненный из прово­дящего материала (метал), он оказывается под напряжением.

Прикосновение к этому корпусу человека (так называемое косвенное прикосновение) приводит к возникновению тока через него IЧ который может привести к электротравме.

В целях электробезопасности, с соответствии с Правилами устройством и эксплуатацией, в дальнейшем ПУЭ (1), необходимо проводящий корпус электроустановки заземлить, т.е. выполнить электрическое соединение проводящих частей электроустановки (нормально не находящихся под напряжением) с проводящими частями, находящихся в электрическом контакте с землей и называемыми заземлителем.

Совокупность заземлителя и проводников соединяющих заземлитель с проводящим корпусом электроустановки называют заземляющим устройством.

На рис.1 представлена схема элетроустановки, на корпус которой произошло замыкание токоведущего провода и которого касается человек.

Откуда видно, что при электрическом соединение корпуса электроустановки с заземлителем, происхо­дит параллельное соединение сопротивлений человека RЧ и заземлителя RЗУ,

Тогда, величина тока через человека составит:

где IЗ— ток замыкания на землю

Рис.1 Схема, замыкания токоведущего провода на корпус электроустановки потребителя

Если поставить условие RЗУ «RЧ, то

т.е. защитное заземление уменьшает величину тока через человека в соотношение RЧ/RЗУ раз. При отсутствии заземляющего устройства IЧ=IЗ.

А так как электрическое сопротивление человека принимается величиной постоянной, равной 1000 Ом, то необходимые условия электробезопасности (допусти­мый ток через человека IЧДОП) при установленном зна­чении тока замыкания IЗмогут быть достигнуты только при определенном значении RЗУ.

Величина тока замыкания в общем случае опре­деляется напряжением и схемой электрической сети, к которой подключена электроустановка. В соответствии с ПУЭ это может быть:

Сеть напряжением выше 1кВ с глухозаземленной или эффективно-заземленной нейтралью;

— сеть напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью;

— сеть напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;

— сеть напряжением до 1 кВ с изолированной ней­тралью.

В сетях с изолированной нейтралью где ток замыкания на землю не зависит от сопротивления заземляющего устройства, защитное заземление наиболее эффективно и является основной технической мерой защиты при косвенном прикосновении.

В сетях с глухозаземленной нейтралью защитное заземление приводит к снижению тока через человека, но необходимых условий электробезопасности можно достичь только при срабатывании максимальной токо­вой защиты, т.е. автоматическим отключением электропитания поврежденной установки.

Заземлители могут быть как естественными так и искусственными.

В качестве естественных заземлителей используют, находящиеся в земле металлические предметы различного назначения как то;

— водопроводы и другие металлические трубо­проводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов или смесей;

— подземные металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений;

— металлические оболочки, проложенных в земле кабелей (алюминиевые оболочки не допускается использовать, так как алюминий в почве окисляется, окись алюминия является изоляцией);

— рельсовые пути магистрального не электрофи-цированного транспорта.

Искуственные заземлители изготавливают из черной или оцинкованной стали без окраски.

Выбор параметров и конструкций заземляющих устройств (размеров, способов расположения его элементов) определяется видом и типом электроустановки, а также требованиями ПУЭ.

Для переносных, передвижных электроустановок заземлйтели выполняются в виде одного или группы вертикальных, либо горизонтальных электродов. На территории стационарных электроустановок заземлители сооружаются в виде заглубленных сеток, уложенных в земле на глубине 0,5 — 0,8 м и вертикальных электро­дов.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Типовые конструкции комбинированных заземлителей и их стандартные размеры приведены в таблице 1.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншеи глубиной 0,7 – 0,8 м, после чего уголки или трубы заглубляют специальными механизмами – копрами, гидропрессами. Стальные стержни диаметром 10-12 мм, длиной 4 – 4,5 м ввертывают в землю с помощью специальных приспособлений, а более заглубленной вибраторами.

1. Усвоить назначение, принцип действия, область применения защитного заземления. Разобраться с устройством естественных и искусственных заземлителей, заземляющих проводников.

2. Изучить компенсационный метод измерения сопротивления растеканию тока заземлителей. Ознакомиться с принципиальной схемой и правилам пользования прибором М-416.

3. Собрать последовательно схемы для измерений сопротивлений Rx, Rz и Rв, выполнить измерение этих величин прибором М-416, полученные результаты занести в отчет по лабораторной работе.

4. По исходным данным, которые задаются преподавателем, выполнить расчет защитного заземления методом коэффициентов использования.

Рассчет защитного заземления методом коэф­фициентов использования.

вертикальный электрод горизонталь- ный электрод расстояние между электрод. а, м грунт клима- тичес-кая зона располо- жение
круглая сталь d = 10 мм длина l = 3 м; tо = 80 см. полоса 4´40 мм; b = 40 мм садовая земля IV в ряд

Наибольшее допустимое значение сопротивления Rдоп, Ом, заземляющего устройства. для электроустановок напряжением до 1 кВ Rдоп = 10 Ом при помощи генераторов и трансформаторов 100 кВ×А и менее;

Удельное сопротивление грунта

= 40*1,1=44 Ом

rг = 40 – удельное сопротивление грунта, принимаемое в зависимости от грунта

К= 1,1 – климатический коэффициент (коэффициент сезонности), учитывающий влияние климатической зоны и влажности грунта на его сопротивление.

Сопротивление Rв, Ом, одиночного вертикального электрода по расчетным зависимостям, приведенным в таблице 4.

Тип заземлителя Схема Формула Условия применения
То же в земле l >>d; t0 ³ 0,5 м; для уголка с шириной полки b d = 0,95b

Сопротивление Rв

Из таблиц определили:

а/l При размещении в ряд
hв n n hв
1,82 0,91
2,61 0,87
3,32 0,83
4,05 0,81
4,62 0,77

С учетом схемы размещения заземлителя в грунте находим длину L, м, горизонтального проводника связи

-при расположении электродов в ряд

L= 1.05*(n-1)*a=1.05*(2-1)*5= 5,25 м

Удельное сопротивление грунта горизонтального проводника

= 40*1,5=60 Ом

Сопротивление Rг Ом, одиночного вертикального электрода

Тип заземлителя Схема Формула Условия применения
Протяженный на поверхности земли (стержень, труба, полоса, кабель и т.п.) в земле L >>D; L >> 4t; для полосы шириной b d = 0,5b

Сопротивление Rг Ом, одиночного вертикального электрода

Коэффициенты использования hг горизонтального электрода, соединяющего вертикальные электроды

а/l Число вертикальных электродов
При расположении электродов в ряд
0,85 0,77 0,72 0,67 0,62 0,42 0,31 0,21
0,94 0,89 0,84 0,79 0,75 0,56 0,46 0,36
0,96 0,92 0,88 0,85 0,82 0,68 0,58 0,49

Определяем результирующие сопротивления, Ом, искусственного группового заземлителя

Вывод: Защитное заземление уменьшает величину тока через человека в соотношение RЧ/RЗУ раз. При от­сутствии заземляющего устройства IЧ=IЗ.А так как электрическое сопротивление человека принимается величиной постоянной, равной 1000 Ом, то необходимые условия электробезопасности (допусти­мый ток через человека IЧДОП) при установленном зна­чении тока замыкания IЗмогут быть достигнуты только при определенном значении RЗУ. Поэтому необходимо что бы заземляющая конструкция не была слишком дорогой в изготовлении, но в тоже время понижала ток проходящий через тело человека до допустимых значений

Лабораторная работа “Исследование электрического сопротивления тела человека”

Цель работы – закрепление лекционного материала путем изучения параметров, определяющих опасность прикосновения к элементам электрической цепи.

Отчёт по безопасности жизнедеятельности МИИТ. отчёты безопасность жиизнедеят-ти. Отчет по лабораторным работам по дисциплине Безопасность жизнедеятельности

Лабораторная работа 1 “ Исследование электрического поля заземленного электрода и шаговых напряжений
Цель работы — научить студентов определять потенциалы то­ чек на поверхности почвы, анализировать закон их изменения, определять шаговые напряжения вблизи одиночного и группо­ вого заземлений.
Теоретические сведения

Замыкание на землю может произойти из-за контакта ме­жду токоведущими частями и заземленным корпусом при по­вреждении электрической изоляции оборудования, падении на землю оборванного провода и др. В этих случаях ток сте­кает в землю через электрод, который контактирует с грун­том. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками электрической цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжени­ем шага или шаговым напряжением.

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяе­мой размерами, формой заземлителя и электрическими свой­ствами грунта.

Для выявления закона распределения потенциалов грун­та в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток IЗ стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r0 погруженный в однородный изо­тропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r замыкания на землю I З к площади поверхности полусфе­ры радиусом х:

Для определения потенциала точки А, лежащей на по­верхности радиусом X. выделим элементарный слой толщи­ной dx (см. рис. 1). Падение напряжения в этом слое:

dU=Edx , (2)

где Е = dr – напряженность электрического поля.

Потенциал точки А или напряжение этой точки относи­тельно земли равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенци­алом:

Подставив в выражение (3) соответствующие значения из выражений (1) и (2), а также значение Е. получим

Проинтегрировав выражение (4) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки отно­сительно земли, в следующем виде:

Так как , то (5) принимает вид:

Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место ги­перболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).


Рис. 2 Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя
Потенциал заземлителя радиусом r0или напряжение заземлителя относительно земли:

Заземлитель обладает наибольшим потенциалом. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потен­циал, чем дальше они находятся от заземлителя. В пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Причи­на подобного распределения потенциалов кроется в своеоб­разной форме проводника (земли), сечение которого возрас­тает пропорционально второй степени радиуса полусферы (рис. 3).

Ток, стекая с заземлителя, растекается по земле, которая оказывает сопротивление протеканию тока. Сопротивление растеканию тока заземлителя определяется, как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до точки с нулевым по­тенциалом. Для полусферического заземлителя, находящего­ся в однородном изотропном грунте, сопротивление растека­нию RРАС имеет вид:

Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли (грунта) лежащие вблизи заземлителя, так как ток протекает здесь по малому сечению. В этих точках име­ют место наибольшие падения напряжения.

Рис. 3 Упрошенная модель проводника земли

По мере удале­ния от заземлителя сечение проводника (земли) увеличива­ется и сопротивление растеканию тока уменьшается, а сле­довательно, уменьшается и падение напряжения. На расстоя­нии 10¸20 м от заземлителя сечение проводника (земли) становится настолько большим, что земля практически не оказывает сопротивления проходящему току. Таким образом, потенциал точек грунта, находящихся на расстоянии 10¸20 м от одиночного полусферического заземлителя, практически равен нулю.

Шаговое напряжение определяется, как разность потенци­алов между точками, например А и Б (см. рис. 4).

. (8)
Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние r, то ее потенциал, исходя из (5) при полусферическом заземлителе получим в виде :

Точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a. Потенциал точки Б:

Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое на­пряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на оди­наковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю. Пусть расстояние от заземлителя до эквипотенциали, на которой находится человек, равно r, тогда шаго­вое напряжение равно нулю.

Рис. 4 Возникновение шагового

напряжения
Значение шагового напряжения зависит от размера шага. Уменьшение его приводит к снижению шагового напряжения. Шаговое напряжение зависит от напряжения заземлителя:

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Коэффициент напряжения шага bШ зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно зазем­лителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше bШ и, следовательно, больше шаговое напряжение. Человек, находящийся вне поля растекания то­ка (на расстоянии 10–20 м от заземлителя), не попадает под действие шагового напряжения, так как bШ = 0. Как вид­но из выражения для определения коэффициента шага, его значение меньше единицы. Таким образом, шаговое напряже­ние составляет часть напряжения на заземлителе. Получен­ное выражение для определения bШ справедливо только для полусферического заземлителя.

Для другой формы заземлителей, а также для заземлителей, состоящих из нескольких электрически соединенных ме­жду собой электродов, распределение потенциалов определя­ется сложными зависимостями. Следовательно, и коэффици­ент напряжения шага в различных случаях определяется очень сложными выражениями. Для одиночного протяженного заземлителя длиной l >20 м bШ=0,14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединен­ных полосой, bШ= 0,10.

Нахождение человека в поле растекания тока может при­вести к поражению, если шаговое напряжение UШпревыша­ет допустимое по условиям электробезопасности значение UДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой UШ>UДОП, на­зывается опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от на­пряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта.

группового заземлителя
Пусть заземлитель состоит из двух полусферических элек­тродов. Картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 5. Поля растекания зазем­лителей накладываются друг на друга, и любая точка поверх­ности грунта между электродами имеет значительный потен­циал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.

Для снижения шаговых напряжений заземлители распо­лагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга, что приводит к выравниванию потенциалов за счет наложе­ния полей растекания. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 6).

Рис. 6 Заземлитель с выравниванием потенциалов:

вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как шаговое на­пряжение UШ Рис. 8 Принципиальная схема экспериментальной установки

2.2 Порядок проведения работы

1. Кнопкой включения (см. рис. 8) включили установку. Установили заданную преподавателем силу тока заземлителя, удельное сопротивление грунта, и тип заземлителя.

Электрические парамет­ры установки занесли в табл. 1.
Таблица 1

Электрические парамет­ры установки

I, А r, Ом∙м
10 700

2. Приняли величину допустимого шагового напряжения равной 100 В.

3. Подключая плюсовую клемму к измерительным клеммам замерили напряжение вольтметром. Результаты занесли в табл.3

4. Приняли что опытные показатели равны реальным.

5. . По данным табл. 3 построили график распределения по­тенциалов в зависимости от расстояния до заземлителя UОП=f(l), а так же график экви­потенциальных линий.

6. Научились определять по графику шаговые напряже­ния и рассчитывать радиус опасной зоны при заданных ус­ловиях. Для этого на графике распределения потенциалов от­ступили от заземлителя на размер шага 1,0 м, определяя по­тенциалы точек UН1 и UН2 (UН1 – потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; UН2 – потенциал другой ноги).

Разность этих потенциалов составляет шаговое напряже­ние. Результирующие данные занесли в табл. 2.

Определение опасной зоны

Номер шага UН1, В UН2, В UШ, В
1 2199 1110 1089
2 1110 561 549
3 561 383 178
4 383 287 96
5 287 239 48
6 239 195 44
7 195 165 30
8 165 148 17
9 148 134 14
10 134 126 8
11 126 117 9
12 117 108 9
13 108 100 8
14 100 91 9
15 91 95 -4

Если полученное шаговое напряжение больше допустимо­го UДОП,то делали следующие шаги до тех пор, пока полученное шаговое напряжение не станет меньше допустимого. Все данные занесли в табл. 2. На графике распределения по­тенциалов показали опасную зону.

Результаты измерений и расчетов

L, м 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
UОП, В 2199 1110 561 383 287 239 195 165 148 134 126 117 108 100 91 95

7. Определили величину опасной зоны по графику экви­потенциальных линий. Для этого на графике отложили вели­чину шага LГ.Э. Если на величину шага приходится две или больше эквипотенциальных линий, то шаговое напряжение, возникающее при этом, будет больше допусти­мого, следовательно, это опасная зона. Если величина шага будет меньше, чем расстояние между двумя соседними экви­потенциальными линиями, то возникающее шаговое напряже­ние будет меньше допустимого по условиям электробезопас­ности. Опасную зону на графике эквипотенциальных линий заштриховали.

8. Сделали выводы по результатам проделанной работы

Вывод: В ходе лабораторной работы мы усвоили ,как измерять напряжение с помощью клемм и проводить необходимые расчеты, которые помогли определить величину опасной зоны по графику экви­потенциальных линий.
Лабораторная работа 2 “Контроль и расчет защитного заземления”
Цель работы — ознакомить с принципом действия, областью применения и конструкцией защитного заземления, научить методам контроля и расчета сопротивления заземляющего устройства
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При замыкании одной из токоведущих частей электроустановки на ее корпус, выполненный из прово­дящего материала (метал), он оказывается под напряже­нием.

Прикосновение к этому корпусу человека (так называемое косвенное прикосновение) приводит к воз­никновению тока через него IЧ который может привес­ти к электротравме.

В целях электробезопасности, с соответствия с Правилами устройством и эксплуатацией, в дальнейшем ПУЭ (1), необходимо проводящий корпус электроуста­новки заземлить, т.е. выполнить электрическое соедине­ние проводящих частей электроустановки (нормально не находящихся под напряжением) с проводящими частями, находящихся в электрическом контакте с землей и на­зываемыми заземлителем.

Совокупность заземлителя и проводников соеди­няющих заземлитель с проводящим корпусом электро­установки называют заземляющим устройством.

На рис.1 представлена схема электроустановки, на корпус которой произошло замыкание токоведущего провода и которого касается человек.

Откуда видно, что при электрическом соединение корпуса электроустановки с заземлителем, происхо­дит параллельное соединение сопротивлений человека RЧ и заземлителя RЗУ,
Тогда, величина тока через человека составит:

где IЗ— ток замыкания на землю

Рис.1 Схема, замыкания токоведущего провода на корпус электроустановки потребителя
Если поставить условие RЗУ « RЧ, то

т.е. защитное заземление уменьшает величину тока через человека в соотношение RЧ/RЗУ раз. При от­сутствии заземляющего устройства IЧ=IЗ.

А так как электрическое сопротивление человека принимается величиной постоянной, равной 1000 Ом, то необходимые условия электробезопасности (допусти­мый ток через человека IЧДОП) при установленном зна­чении тока замыкания IЗмогут быть достигнуты только при определенном значении RЗУ.

Величина тока замыкания в общем случае опре­деляется напряжением и схемой электрической сети, к которой подключена электроустановка. В соответствии с ПУЭ это может быть:

  • сеть напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью;
  • сеть напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;
  • сеть напряжением до 1 кВ с изолированной ней­тралью.

В сетях с изолированной нейтралью где ток за­мыкания на землю не зависит от сопротивления зазем­ляющего устройства, защитное заземление наиболее эффективно и является основной технической мерой защиты при косвенном прикосновении.

В сетях с глухозаземленной нейтралью защитное заземление приводит к снижению тока через человека, но необходимых условий электробезопасности можно достичь только при срабатывании максимальной токо­вой защиты, т.е. автоматическим отключением электро­питания поврежденной установки.

Заземлители могут быть как естественными так и искусственными.

  • водопроводы и другие металлические трубо­проводы, за исключением трубопроводов горючих жид­костей, горючих или взрывоопасных газов или смесей;
  • подземные металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений;
  • металлические оболочки, проложенных в земле кабелей (алюминиевые оболочки не допускается ис­пользовать, так как алюминий в почве окисляется, окись алюминия является изоляцией);
  • рельсовые пути магистрального не электрифицированного транспорта.

Искусственные заземлители изготавливают из черной или оцинкованной стали без окраски.
Выбор параметров и конструкций заземляющих устройств (размеров, способов расположения его эле­ментов) определяется видом и типом электроустановки, а также требованиями ПУЭ.

Для переносных, передвижных электроустановок заземлители выполняются в виде одного или группы вертикальных, либо горизонтальных электродов. На территории стационарных электроустановок заземлители сооружаются в виде заглубленных сеток, уложенных в земле на глубине 0,5 — 0,8 м и вертикальных электро­дов.
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Типовые конструкции комбинированных заземлителей и их стандартные размеры приведены в таблице 1.

  1. Усвоить назначение, принцип действия, область приме­нения защитного заземления. Разобраться с устройством ес­тественных и искусственных заземлителей, заземляющих проводников.
  2. Изучить компенсационный метод измерения сопротив­ления растеканию тока заземлителей. Ознакомиться с прин­ципиальной схемой и правилам пользования прибором М-416.
  3. Собрать последовательно схемы для измерений сопро­тивлений Rx, Rz и Rв, выполнить измерение этих величин прибором М-416, полученные результаты занести в отчет по лабораторной работе.

Rz, Ом

4. По исходным данным, которые задаются преподавате­лем, выполнить расчет защитного заземления методом коэф­фициентов использования.
Rx*5 = 2,5 Ом

Rв*20 = 5 Ом
Расчет защитного заземления методом коэф­фициентов использования.

Наибольшее допустимое значение сопротивления Rдоп, Ом, заземляющего устройства. Для электроустановок напряжением до 1 кВ Rдоп = 10 Ом при помощи генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее;
Удельное сопротивление грунта

г = 40 – удельное сопротивление грунта, принимаемое в зависимости от грунта

К= 1,1 – климатический коэффициент (коэффициент сезонности), учитывающий влияние климатической зоны и влажности грунта на его сопротивление.
Сопротивление Rв, Ом, одиночного вертикального электрода по расчетным зависимостям, приведенным в таблице 4.

l >>d; t0  0,5 м; для уголка с шириной полки b

Из таблиц определили :

а/l При размещении в ряд
в n n в
2 1,82 2 0,91
2,61 3 0,87
3,32 4 0,83
4,05 5 0,81
4,62 6 0,77

n=2; в=0,91
С учетом схемы размещения заземлителя в грунте находим длину L, м, горизонтального проводника связи

-при расположении электродов в ряд
L= 1.05*(n-1)*a=1.05*(2-1)*5= 5,25 м
Удельное сопротивление грунта горизонтального проводника

L >>D; L >> 4t; для полосы шириной b

Сопротивление Rг Ом, одиночного вертикального электрода

Коэффициенты использования г горизонтального электрода, соединяющего вертикальные электроды

а/l Число вертикальных электродов
2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 100
При расположении электродов в ряд
1 0,85 0,77 0,72 0,67 0,62 0,42 0,31 0,21
2 0,94 0,89 0,84 0,79 0,75 0,56 0,46 0,36
3 0,96 0,92 0,88 0,85 0,82 0,68 0,58 0,49

г=0,94
Определяем результирующие сопротивления, Ом, искусственного группового заземлителя
5,801
Вывод: В ходе лабораторной работы мы разобрались с принципом работы естественных и искусственных заменителей, научились выполнять расчет защитного заземления с помощью методов коэффициентов использования.

Лабораторная работа 3 “ Исследование электрического сопротивления тела человека
Цель работы – закрепление лекционного материала путем изучения параметров, определяющих опасность прикосновения к элементам электрической цепи.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Специфика воздействия электрического тока на организм человека.

Особенности возможного поражения током состоят в том, что действие субъективной защиты заблокировано отсутствием внешних признаков грозящей опасности, которые человек обычно может заблаговременно обнаружить: увидеть, услышать, обонять и т. п. В большинстве случаев человек включается в электрическую сеть из-за случайного прикосновения к элементам электрической цепи либо руками (путь тока «рука-рука»), либо рукой и ногами (путь тока «рука—ноги»). При протекании тока по пути «нога—нога» через сердце проходит 0,4 % общего тока, а по пути «рука—рука» — 3,3 %.

Результаты измерений и расчетов

7. Научиться определять по графику шаговые напряже­ния и рассчитывать радиус опасной зоны при заданных ус­ловиях. Для этого на графике распределения потенциалов от­ступают от заземлителя на размер шага 1,0 м, определяя по­тенциалы точек U Н1 и U Н2 (U Н1 – потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; U Н2 – потенциал другой ноги).

Разность этих потенциалов составляет шаговое напряже­ние. Результирующие данные заносим в табл. 3.

Определение опасной зоны

Номер шага U Н1, В U Н2, В U Ш, В

Если полученное шаговое напряжение больше допустимо­го U ДОП,то делают следующие шаги до тех пор, пока полученное шаговое напряжение не станет меньше допустимого.

Все данные занести в табл. 3. На графике распределения по­тенциалов показать опасную зону.

8. Определить величину опасной зоны по графику экви­потенциальных линий. Для этого па графике отложить вели­чину шага L Г.Э. Если на величину шага приходится две или больше эквипотенциальных линий, то шаговое напряжение, возникающее при этом, будет больше допусти­мого, следовательно, это опасная зона. Если величина шага будет меньше, чем расстояние между двумя соседними экви­потенциальными линиями, то возникающее шаговое напряже­ние будет меньше допустимого по условиям электробезопас­ности. Опасную зону на графике эквипотенциальных линий заштриховать.

9. Сделать выводы по результатам проделанной работы.

Содержание отчета

2. Описание экспериментальной установки и ее схема.

3. Основные определения и расчетные формулы.

4. Таблицы, экспериментальные и расчетные данные.

5. График распределения потенциалов U РП= f (l) и гра­фик семейства эквипотенциальных линий с нанесенными на них границами опасных зон.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. При каких ситуациях ток может стекать в землю?

2. Что называется полем растекания тока?

3. Дайте определение шагового напряжения.

4. От чего зависит распределение потенциалов в электрическом поле заземлителя?

5. Как растекается ток с одиночного полусферического заземлителя?

6. Как определяется плотность тока s на поверхности грунта в точке, находящейся на расстоянии r от заземлителя?

7. По какому закону распределяются потенциалы точек в зависимости от расстояния до одиночного полусферического заземлителя?

8. Чем объясняется гиперболический характер распределения потенци­алов в зависимости от расстояния?

9. Как определяется потенциал заземлителя радиусом r 0?

10. Что такое сопротивление растеканию тока заземлителя?

11. Как определяется сопротивление растеканию тока одиночного полуcферического заземлителя?

12. Где сопротивление растеканию тока наибольшее и почему?

13. Чему равно сопротивление растеканию тока на расстоянии 10¸20 м от заземлителя?

14. На каком расстоянии от заземлителя потенциалы точек грунта равны нулю?

15. От чего зависит шаговое напряжение?

16. Как меняется шаговое напряжение с удалением от заземлителя и почему?

17. Как определить шаговое напряжение по графику распределения потенциалов?

18. Что такое эквипотенциальная линия?

19. Чему равно шаговое напряжение при нахождении человека на эк­випотенциальной линии?

20. От чего зависит коэффициент напряжения шага?

21. Как изменяется коэффициент напряжения шага?

22. Может ли быть шаговое напряжение больше, чем напряжение на заземлителе?

23. Какая зона называется опасной?

24. От чего зависит радиус опасной зоны?

25. Как определить опасную зону по графику распределения потенци­алов?

26. Как определить опасную зону по графику эквипотенциальных ли­ний?

27. Что дает выравнивание потенциалов?

28. Какая конфигурация заземлителя позволяет снизить шаговые напряжения?

29. За счет чего можно снизить шаговые напряжения за пределами контурного заземлителя?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Варианты заданий

Номер варианта U РЗ, В U ДОП, В Номер точки, n

Библиография

1.Князевский Б.А. и др. Охрана труда. – М.: Высшая школа, 1982.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках — М.: Энергия, 1979.

3. Чепульская О.В. Исследование электрического поля заземленного электрода и возникновение шаговых напряжений. – МИИТ, 1989.

4. Правила устройства электроустановок. Седьмое издание. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2002. – 176 с.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *