Исследования возникновения шагового напряжения

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

При передаче электрической энергии, например напряжением 380/220 В от силовых трансформаторов, установленных на подстанции, по кабелям и проводам через их изоляцию и емкости относительно земли, а также через изоляцию обмоток и другие элементы электроустановок по всей их длине стекают микроскопические токи утечки на землю. Это происходит в виду того, что земля является проводниковым материалом и между нею и токоведущими частями различных фаз электрической сети существует разность потенциалов. В связи с тем, что суммарные, полные сопротивления изоляции электросистемы относительно земли в разветвленных сетях составляют несколько тысяч Ом, поэтому суммарный ток утечки на землю, распределенный по всей длине электрической сети составляет не более 100 — 200 мА. Такие токи утечки не представляют какой-либо опасности для человека, касающегося металлического корпуса электроустановки. Опасная ситуация возникает, когда в электроприемнике, например в электродвигателе, происходит повреждение изоляции и токоведущая часть замыкает на металлический корпус.

При этом сопротивление изоляции в месте повреждения падает до нуля и касание корпуса становится равноценным касанию оголенной токоведущей фазы сети, что представляет смертельную опасность для человека. Для снижения опасности поражения в этой ситуации «Правила устройства электроустановок» («ПУЭ») предусматривают обязательное заземление корпуса электродвигателя, если последний питается от сети с изолированной нейтралью или зануление, если электродвигатель получает электрическую энергию из сети с глухо заземленной нейтралью силового трансформатора. В независимости от режима нейтрали сети при замыкании токоведущей части на корпус, ток с корпуса электродвигателя через заземляющее устройство и заземлитель — электрод стекает в землю. Ток, стекая с заземляющего электрода в землю, растекается по значительной поверхности и объему земли.

Обратно ток замыкания попадает в сеть из земли только через емкость и изоляцию кабелей, проводов, обмоток и т. п., если система с изолированной нейтралью и через изоляцию, и заземленную нейтраль в системе с глухо заземленной нейтралью. При этом через изоляцию и емкость в обоих случаях в сеть возвращаются токи не более нескольких сот миллиампер, т.к. сопротивление изоляции, как указывалось, даже в сильно разветвленной не опускается ниже нескольких килоом (рис. 1.1).

В системе с глухо заземленной нейтралью напряжением выше 1000 В почти весь ток стекающий в землю возвращается в сеть через заземление нейтрали силового трансформатора, т.к. сопротивление последнего в несколько тысяч раз меньше суммарного сопротивления изоляции сети, рис. 1.2.

Согласно ПУЭ сопротивление заземления нейтрали силового трансформатора должно быть не более 10 Ом при мощности трансформатора до 100 кВА и не более 4 Ом при мощности трансформатора более 100 кВА. В виду чего величина тока замыкания на корпус (землю) в сетях с глухо заземленной нейтралью в сотни, тысячи раз больше, чем в сетях с изолированной нейтралью.

При контакте с землей заземляющего электрода, находящегося под напряжением, будет происходить отекание электрического тока — тока замыкания на землю. Замыкание на электрод, расположенный в грунтах или в земле, обуславливает возникновение потенциалов вокруг места замыкания. Ток, стекая с электрода в землю, растекается по значительному ее объему.

Пространство вокруг электрода, в котором наблюдается растекание тока замыкания, представляет собой поле растекания. Если в качестве заземляющего электрода использовать полусферический заземлитель и принять, что земля во всем объекте однородна и обладает одинаковым удельным сопротивлением «» (Ом*см), то ток будет растекаться равномерно и симметрично во все стороны, и плотность его будет убывать по мере удаления от заземлителя, вследствие увеличения сечения слоя земли, через которое растекается ток замыкания.

На расстоянии «х» от центра полусферы плотность тока .1, рис. 1.3. определяется по формуле:

J = IЗ / 2×2, А/см2.

При токе с частотой до 50 Гц поле растекания тока замыкания можно рассматривать как стационарное электрическое поле, при котором линия плотности тока совпадает с линиями напряженности электрического поля Е. Тогда плотность J тока прямо пропорциональна напряженности электрического поля.

J = Е (1/).

Это выражение позволяет определить потенциал «A» в любой точке поверхности земли, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии «х», как падение напряженности на земле на участке от «х» до бесконечности.

где dU — падение напряжение в отмеченном слое. Его можно выразить так.

Если проинтегрировать это выражение, то получается значение потенциала точки А:

Следовательно, наименьший потенциал на поверхности земли будет иметь точка, отстоящая от электрода на расстоянии «х», равном бесконечности. Практически поле растекания тока замыкания ограничивается полусферой с радиусом 20 метров.

Наибольший потенциал на поверхности будет иметь точка, отстоящая от полушарового электрода на расстоянии «х», равном наименьшему значению, т. е. r — радиусу электрода.

Потенциал непосредственно на заземляющем электроде при этом будет равен:

В.

Потенциал на поверхности земли будет меняться по закону.

В, представляющего собой уравнение равносторонней гиперболы, т. е. уменьшается от наибольшего значения «З» до нуля по мере удаления от заземлителя. Эквипотенциальные линии на поверхности земли в однородном грунте представляют собой концентрические окружности, центром которых является центр полусферического, стержневого или других форм электродов.

Аналогичная картина стекания тока в землю происходит при обрыве и падении на землю провода воздушной линии электрической передачи (ЛЭП).

Потенциальная кривая от электрода — заземлителя любой формы или упавшего на землю провода на относительно большом расстоянии от него по сравнению с размером упавшего провода или электрода приближается к потенциальной кривой полушарового электрода.

Наибольшее сопротивление растеканию тока замыкания на землю оказывают слои, находящиеся вблизи электрода, т.к. ток протекает здесь по малому сечению. Поэтому в них происходит наибольшее падение напряжение. С удалением от электрода площади сечений слоев грунта увеличиваются, и соответственно, сопротивление грунта току замыкания уменьшается. Уменьшается и шаговое напряжение.

Если человек в проводящей электрический ток обуви будет находится в поле растекания тока замыкания на землю, то он попадает под действие электрического тока, определяемого разностью потенциалов между двумя точками земли, на которых он одновременно стоит, т. е. напряжением между двумя ногами. При определенных условиях это оказывается опасным для жизни, поэтому нельзя приближаться к электрическому проводу лежащему на земле.

Величина напряжения шага — шаговое напряжение зависит от тока замыкания на землю, сопротивления растеканию тока от заземлителя (упавшего провода), а также характера распределения потенциала на поверхности земли, длины шага и положения человека относительно заземлителя. Напряжение шага увеличивается в направлении к месту стекания и уменьшается от места стекания.

Для случая, показанного на рис. 1.4. напряжение шага.

где IЗ — ток замыкания на землю, А. lШ — длина шага, см; r — расстояние ступни ближайшей к заземлителю, см; - удельное сопротивление грунта. Ом см; л; пр соответственно, потенциалы левой и правой ноги (конечности).

Перемещение человека по кривой равного потенциала (т.е. по эквипотенциальной кривой) не вызывает возникновения разности потенциалов между его ступнями, и напряжение шага в этом случае равно нулю.

Устройство лабораторного стенда Лабораторный стенд, рис. 1.5, состоит из следующих элементов:

Сосуда 10 с землей для измерения напряжения шага в зоне растекания тока от заземлителя 7, соединенного через заземляющую магистраль 6 и заземляющий проводник 3 с металлическим корпусом электродвигателя М; стационарного, погруженного в землю дополнительного электрода для измерения потенциала земли 9; переносного измерительного зонда 8, вольтметра 5; амперметра 4.

В целях обеспечения безопасности при проведении эксперимента, подаваемое на корпус электродвигателя М (с пробитой изоляцией) напряжение не превышает 12 В. Размеры цилиндрического сосуда с землей считаются достаточно большими, по сравнению с размерами электродов погруженных в землю. Принято считать, что 1 см длины радиуса сосуда соответствует 100 см на местности, т. е. принят масштаб 1:100. Поэтому дополнительный электрод 9 можно считать бесконечно удаленным от заземлителя 7 и потенциал земли, где расположен электрод 9, считать равной нулю.

Для измерения потенциала поверхности земли используется вольтметр V, один зажим которого присоединен к дополнительному электроду 9, другой — к измерительному зонду 8. Для измерения потенциала в заданных точках поверхности земли внутрь сосуда с землей уложена направляющая планка с отверстиями через 1 см. По середине планки располагается заземляющий электрод 7, погруженный в землю.

Для измерения величины тока замыкания на землю между заземляющим проводником 3 и заземляющей магистралью включен амперметр А.

Порядок проведения эксперимента по исследованию возникновения шагового напряжения.

• 1. Ознакомиться с краткими сведениями о шаговом напряжении и с лабораторной установкой.
• 2. Получить у преподавателя инструктаж по технике безопасности на рабочем месте. шаговый напряжение замкнутый электричество
• 3. Проанализировать и зарисовать в протокол № 1 схемы отекания токов на землю и из земли в сеть при замыкании токоведущего провода на металлический корпус электроприемника (электродвигателя) в сетях напряжением до 1000 В с изолированной, рис. 1.1а, и с глухо заземленной нейтралью, рис. 1.2.
• 4. Получить у преподавателя величину напряжения на корпусе — электродвигателя М и величину коэффициента «m» для перерасчета величины потенциала заземленного электрода.
• 5. Получить разрешение преподавателя включить вилку лабораторного стенда в розетку сети 220 В.
• 6. Включить тумблер понизительного трансформатора, подающего переменное напряжение на корпус электродвигателя. Коснуться щупом зачищенного места заземляющего электрода и произвести отсчет показания миллиамперметра, А (мА) и вольтметра V (В).

Если величина измеренного миллиамперметром стекающего на землю тока IЗ менее 3 мА, то по разрешению преподавателя принять меры для снижения сопротивления земли, улучшения контакта зонда с землей. (Это достигается увлажнением земли дистиллированной водой, плотным прижатием направляющей планки с отверстием к увлажненной под планкой земле и т. п.).

Результаты занести в таблицу 1.2 протокола.

По результатам измерения определить по формулам:

Сопротивление земли растеканию тока Rз.

Ом.

Удельное сопротивление земли.

Ом*см, где l = 30 мм длины стержневого заземлителя на стенде;

d = 5 мм — диаметр стержневого заземлителя.

Результаты вычисления занести в таблицу 1.2 протокола.

Измерение распределения потенциала на поверхности земли.

Касаются щупом (зондом) защищенного участка заземляющего электрода и вольтметром измеряют напряжение электрода UЗ, затем по формуле находят потенциал З, электрода З = m UЗ, где UЗ — показания вольтметра, В;

m — коэффициент передачи (задается преподавателем, т.к. в опыте применяется пониженное напряжение равное 12 В).

Отступают от заземляющего электрода на 1 см и, помещая зонд в первое отверстие направляющей планки, измеряют потенциал земли 1 = mU1, на расстояние 1 см (на местности 1 м) от заземлителя. Затем помещают зонд во второе отверстие — измеряют 2 и т. д. до последнего отверстия на планке. Результаты измерения заносятся в таблицу 1.3.

Построить график З (L) распределения потенциала в зоне растекания тока замыкания на корпус (землю) по мере удаления от заземляющего электрода (отложить: по оси абсцисс L, м; по оси ординат —, В).

На графике З (L) необходимо каждому студенту нарисовать по оси абсцисс в разных зонах три силуэта человека с шагом 1ш = 1 м и найти величины шагового напряжения для каждого случая. Определить величину тока Ih через организм пострадавшего по формуле Ih = UШ / Rh, приняв расчетное сопротивление тела человека Rh с учетом обуви и одежды, равным 1000 Ом.

Записать расчеты под графиком и, пользуясь данными из Приложения 1. Определить и записать степень отрицательного воздействия переменного и постоянного тока для каждого случая, при этом иметь в виду, что ток проходит от одной ноги к другой через тело. Через руку ток не проходит.

Проанализировав результаты исследования и, используя формулу (8), показывающую зависимость шагового напряжения от величины тока замыкания на землю Iз, удельного сопротивления земли , длины шага и расстояния r от ближайшей ступни до заземляющего электрода, определите опасную зону. Заполните таблицу 1.4, сделайте и запишите выводы.

В выводах укажите:

Как вести себя человеку, попавшему в опасную зону? Как оказать первую доврачебную помощь пострадавшему?