Меню

Растекание тока в грунте основании возникает при



РАСТЕКАНИЕ ТОКА В ЗЕМЛЕ ПРИ ЗАМЫКАНИИ

При замыкании на землю через грунт начинает протекать аварийный ток Iз который коренным образом изменяет состояние электроустановки с точки зрения её безопасности. При этом появляются напряжения между корпусами электрооборудования и землей, а также между отдельными точками поверхности земли где могут находиться люди.

Рис.5. растекание токов в земле через полусферический заземлитель

При протекании тока на элементарном участке dx создается падение напряжения du

Определим сопротивление между точкой A с координатой x и точкой где потенциал фи равен нулю, то есть х равен бесконечности

Максимальное падение напряжения будет у заземлителя, а более удаленные точки грунта имея большее поперечное сечение оказывают меньшее сопротивление току Iз

Если поместить точку А на поверхность электрода на расстояние хз от центра то её потенциал будет

Это есть напряжение электрода относительно земли. Материал заземлителя – металл, он имеет малое удельное сопротивление, поэтому падение напряжения на заземлителе ничтожно мало. Корпус электроустановки, заземленный через этот заземлитель, будет иметь тот же потенциал, если пренебречь падением напряжения на сопротивлении соединительных проводов

Из экспериментов выяснено, что на расстоянии 20 метров от заземлителя потенциал практически равен нулю.

Напряжение шага (Uш)

Это напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага на которых одновременно стоит человек, При этом длина шага принимается 0.8 метра = α

Таким образом если человек удален на расстояние более 20 метров от заземлителя коэффициент β практически равен нулю, то есть с удалением от заземлителя шаговое напряжение уменьшается.

Напряжение прикосновения (Uпр)

Это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек или разность потенциалов рук и ног.

Рис.6. схема напряжения прикосновения к заземленным токоведущим частям

При пробое на корпус заземлитель и связанные с ним элементы оборудования получают напряжение относительно земли. Следовательно, руки человека, касаясь корпусов, в любом месте получают этот потенциал

Потенциал ног определяется формой потенциальной кривой при растекании тока и удалении от заземлителя

Следовательно, напряжение прикосновения

При расстоянии практически х = 20 метрам напряжение прикосновения имеет наибольшее значение, при этом , это наиболее опасный случай прикосновения. При наименьшем значении х когда человек стоит непосредственно на заземлителе напряжение прикосновения наименьшее и приблизительно равно 0.

РАЗДЕЛ 6.7

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Растекание тока в грунте основании возникает при

Электротравмы в большинстве случаев происходят в режимах однофазного (однополюсного) прикосновения человека к токоведущей части электроустановки или к нетоковедущим металлическим конструкциям, случайно оказавшимся под напряжением вследствие повреждения электрической изоляции. Пожароопасные ситуации также в большинстве случаев возникают в режимах однофазного (однополюсного) замыкания на землю токоведущих частей электроустановки при эксплуатационных повреждениях изоляции. В этих режимах значения токов в цепях «токоведущая часть — земля» или «токоведущая часть — тело человека — земля» определяются параметрами цепей связи токоведущих частей с землей не только через сопротивления утечки, как это указывалось в предыдущей статье, но и через сопротивления замыкания на землю или принятого в проекте электроустановки искусственного заземления токоведущих частей.

Замыкания на землю
Согласно Правилам устройства электроустановок (п. 1.7.10) замыканием на землю называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или с землей непосредственно.
Вблизи места замыкания на землю формируется зона растекания тока — пространство, на поверхности которого электрические потенциалы отличны от нуля. Понятие об этой зоне — одно из основополагающих в теории электробезопасности. Поэтому рассмотрим его подробнее, взяв в качестве примера линию передачи электроэнергии (ЛЭП).
Пусть по какой-либо причине происходит замыкание фазного провода С на опору ЛЭП (увлажненность, загрязнение изоляторов, крылья птицы и пр.). Ток замыкания на землю протекает по контуру: фаза С — опора ЛЭП — земля — сопротивление заземления нейтрали R0 трансформатора ЛЭП — нейтраль 0 трансформатора (рис. 1).
Вблизи опоры ЛЭП формируется зона растекания тока (считается, что ее радиус равен 20 м). В этой зоне ток протекает в земле по радиусам во все стороны от фундамента опоры. Поэтому упрощенно поперечное сечение проводящего слоя земли можно принять за полусферу, площадь которой
S = 2 p x 2 ,
где x — расстояние до опоры. То есть по мере удаления от фундамента опоры ток замыкания на землю протекает как бы по проводнику с переменным сечением, увеличивающимся по мере удаления от места замыкания. Наибольшая плотность тока jзам наблюдается вблизи места замыкания (здесь наименьшее сечение проводника — земли). По мере удаления от места замыкания сечение проводника — земли возрастает и поэтому плотность тока jзам = Iзам/2 p x 2 постепенно уменьшается до бесконечно малого значения. Соответственно изменяется и напряженность электрического поля в зоне растекания тока E = r jзам (здесь r — удельное сопротивление грунта) — от максимального значения до нуля. То есть потенциалы электрического поля в зоне растекания тока изменяются от максимального значения j зам в месте замыкания на землю до практически нулевого значения на расстоянии 20 м от места замыкания. Такая закономерность характерна для любых вариантов замыканий на землю (замыкание на опору ЛЭП взято лишь для наглядности).

Читайте также:  Вторичные мгновенные токи вызываемые влиянием первичных были названы напишите ответ

Сопротивление зоны растекания тока
Поскольку в зоне растекания тока существуют электрические потенциалы, она может представлять опасность для жизни человека. Поэтому всегда необходимо выполнять количественную оценку ее параметров, в частности, определять значение максимального потенциала jзам. Этот потенциал равен падению напряжения на зоне растекания тока в контуре тока замыкания на землю: jзам = IзамRзам, где Rзам — сопротивление зоны растекания тока. Так же как и сопротивление электрической изоляции, сопротивление зоны растекания тока — распределенный параметр, количественное значение которого может быть определено только путем специальных измерений.
Поставим эксперимент. Воткнем в землю два электрода Э1 и Э2 и через амперметр А подключим к ним источник измерительного напряжения Uизм (рис. 2).
Вблизи каждого из этих электродов возникают зоны растекания тока Iзам с максимальными потенциалами j зам1 и j зам2, причем j зам1 + j зам2 = Uизм. Значения этих потенциалов относительно земли можно измерить. Для этого применяют дополнительный электрод ЭВ, вынесенный за зону растекания тока, туда, где потенциал на поверхности земли j близок к нулю.
Показание вольтметра V, подключенного между дополнительным и основным электродами, будет U = j зам — j = j зам. Зная по показанию амперметра А значение тока замыкания на землю, получаем значения сопротивлений зон растекания тока Rзам1 = j зам1/Iзам и Rзам2 = j зам2/Iзам. Обычно вместо двух приборов — амперметра и вольтметра — используют логометр, позволяющий получить отношение потенциала к току непосредственно (измеритель заземления типа М 416 ).
Приведем некоторые количественные значения сопротивлений зон растекания тока. В варианте обрыва провода ЛЭП и замыкания его на землю сопротивление зоны растекания тока зависит от вида грунта; ориентировочно считают: при замыкании на щебень сопротивление зоны растекания тока равно 10 кОм, на асфальт — 1 кОм, на сырую землю — 100 Ом. Если замыкание произошло на водопроводную трубу, то сопротивление зоны растекания тока вокруг нее можно принять равным 100 Ом. Когда человек стоит на земле и касается токоведущей части, то под его ногами также возникает зона растекания тока с сопротивлением порядка 30 Ом (сырая земля), 1000 Ом (сухая земля), 10 кОм (щебень).

Заземляющее устройство
Заземление — это намеренное соединение металлических токоведущих или нетоковедущих частей с землей. Оно может преследовать различные цели — защита от поражения током (защитное заземление), защита радиоэлектронной аппаратуры от помех, заземление нейтрали источника, рабочее заземление (в однопроводных системах электропитания и электросварочных установках), снятие заряда статического электричества и пр. Оно осуществляется с помощью заземляющего устройства, основным элементом которого является заземлитель — металлоконструкция, врытая в землю. В производственных условиях по контуру помещения располагается шина заземления (стальная или медная полоса, связанная с заземлителем). Заземляемые конструкции соединяются с шиной заземления заземляющими проводниками, сечение которых выбирается из соображений механической прочности (например, чтобы при уборке помещения исключить возможность случайного обрыва проводника) или термической устойчивости к токам замыкания. Требования к конструкции шины заземления и заземляющим проводникам приведены в ПУЭ (глава 1.7).
Количественной нормируемой характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление Rз, то есть максимально допустимое значение сопротивления зоны растекания тока вблизи заземлителя (табл. 1).

На подвижных объектах (самолет, корабль и пр.) заземлителем является металлический корпус самого объекта. Здесь сопротивление заземляющего устройства определяется не нормами безопасности, а качеством (механической целостностью) винтового контактного соединения заземляющего проводника с металлоконструкцией (0,02 — 0,05 Ом). Правила контроля заземляющих устройств приведены в Правилах эксплуатации электроустановок потребителей (приложение 24).

Ток замыкания на землю
Значения токов однофазного замыкания на землю ограничены импедансами изоляции здоровых фаз (в сетях, изолированных от земли) или сопротивлением заземления нейтрали (в сетях с заземленной нейтралью). Поэтому на ток однофазного замыкания не реагирует ни аппаратура от токов междуфазного короткого замыкания (максимальная защита), ни аппаратура защиты от перегрузки (тепловая защита). В результате режим однофазного (однополюсного в двухпроводных сетях) замыкания на землю может существовать длительное время, приводя к пожароопасным ситуациям. В режиме однофазного замыкания распределенные по всей сети активные и емкостные токи утечки сосредотачиваются в месте замыкания. Именно здесь — на сопротивлении замыкания или на контакте с сопротивлением заземления — и выделяется активная мощность, под действием которой может произойти процесс роста температуры нагрева. Токи утечки на землю между здоровыми фазами и землей рассредотачиваются по всей сети на бесконечно малые токи по распределенным сопротивлениям утечки и поэтому пожарной опасности не представляют. Ток замыкания опасен именно в месте замыкания. По данным ВНИИ противопожарной обороны (полковник В.В.Смирнов) пожароопасными считаются такие токи, при которых в месте повреждения изоляции выделяется активная мощность более 17 Вт. Во взрывоопасных зонах опасен ток замыкания на землю, значение которого превышает 25 мА.
Предполагаемое (возможное) значение тока замыкания может быть рассчитано по формулам:

  • для трехфазной сети с изолированной нейтралью (соответствует замыканию фазы А, в случае замыкания другой фазы следует изменить индексы):
    (1)
  • для двухпроводной сети, изолированной от земли:
    (2)
  • для сети с глухим заземлением нейтрали:
    (3)

Здесь приняты следующие обозначения: ga, gb, gc — активные проводимости изоляции фаз, gзам — активная проводимость в месте повреждения изоляции (проводимость зоны растекания тока), Cф— емкости фаз относительно земли, Uф — фазное напряжение.

Читайте также:  Как определить плотность тока проводимости

Источник

Процесс растекания электрического тока в грунте

При замыкании токоведущих элементов электрооборудования на заземлённый металлический корпус или, например, при падении токо­ведущего провода на землю в грунте Земли возникает процесс растека­ния электрического тока.

Анализ процессов растекания электрического тока в грунте лежит в основе теории заземляющих устройств и сводится к выявлению распределения потенциалов в окре­стности заземлителя.

Наиболее простым является случай, когда ток замыкания IЗ растекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусом rЗ равномерно по всем направлениям (рис .4.4).

Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), кото­рая может возникнуть между произвольной точкой с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x = ∞): UХ = φХ – φ , потенциал которой условно принимают равным нулю. Поэтому UХ = φХ .

Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля EХ = jХ ρ,

где jХ = IЗ / SХ – плотность тока через полусферическую поверхность SХ = 2πx 2 , x – радиус воображаемой полусферы, ρ – удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление ρ зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта ρ обычно уменьшается, а при его промерзании – значительно увеличивается.

Падение напряжения в элементарном слое грунта тол­щиной dxdUX = EXdx = jХ ρdx =<IЗρ/(2πx 2 )>dx.

Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от дан­ной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до зазем­лителя:

Полученная зависимость показана на рис. 4.4.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой воз­ни­кает практически заметная разность потенциала, называется зоной рас­те­канияэлектрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20 м от места стекания тока в землю.

Сопротивление металлического зазем­лителя пренебрежимо мало, поэтому потенциалы всех его точек оказываются практически одинако­выми и равными величине потен­циала, образующегося в точке соприкосновения заземлителя с грунтом. Поэтому потенциал самого заземлителя φЗ или напря­жение относительно точки с нулевым потен­циалом UЗ определяются соотношением UЗ = φЗ = IЗρ/(2πrЗ).

Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя –отношение напряжения UЗ к току IЗ, стекающему через заземлитель в грунт: RЗ = UЗ /IЗ = ρ/2πrЗ .Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта (ρ) и геометрией заземлителя (rЗ).

При данном токе IЗ уменьшить уровень максимального напряжения в зоне растекания можно за счёт уменьшения сопротивления заземлителя, которое, в свою очередь, может быть уменьшено за счёт увеличения его геометрических размеров. Знание тока замыкания на землю и сопротивления заземлителя позволяет определить напряжение заземлителя относительно точки грунта, находящейся вне зоны растекания UЗ = IЗRЗ.

Читайте также:  Граничная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора

Если человек находится в зоне растекания электрического тока, то он может оказаться под действием напряжения шага. Напряжение шага (UШ) – это разность потенциалов между двумя точками x1 и x2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека: UШ = φХ1 — φХ2 = IЗρ(1/x1 – 1/x2) /(), где x1 ≤ x2.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага LШ = x2x1. По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается, и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда одна нога человека находится на заземлителе, а вторая – за его пределами на расстоянии шага.

Источник

Растекание тока в земле

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

В.М. Пономарев

А.В. Волков

О.И. Грибков

Г.И. Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ПОЛЕ ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА.

Методические указания

К учебно-исследовательской работе № 15

Для студентов всех специальностей университета

Москва – 2014

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

Пономарев Валентин Михайлович

Андрей Владимирович Волков

Олег Игоревич Грибков

Галина Ивановна Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА. НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

Для студентов всех специальностей университета

По дисциплине

«БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

Москва – 2014

УДК 621.316:656.2

П – 46

Пономарев В.М., Волков А.В., Грибков О.И., Шатунова Г.И. Исследование электрического поля заземленного электрода. Напряжения прикосновения и шаг. Методические указания к лабораторной работе №15. – М.: МГУПС (МИИТ), 2014. – 22 с.

Приведены теоретические основы растекания тока в земле, описание экспериментальной установки и порядок проведения работы, подтверждающий описанные закономерности.

Предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех специальностей университета.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2014

Цель работы – исследовать распределение потенциалов в поле растекания тока на проводящей поверхности, рассчитывать напряжения шага и определять безопасные зоны, изучить распределение напряжений прикосновения при аварийном режиме работы электроустановок, разрабатывать технические и организационные мероприятия по обеспечению безопасности применения защитного заземления.

Растекание тока в земле

Чаще всего поражения человека электрическим током происходит в результате замыкания электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение. В том случае, если причиной несчастного случая является появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, – на корпусах, кожухах, ограждениях и т. п. говорят об опасности косвенного прикосновения. Напряжение на таких частях относительно земли (напряжение прикосновения) [1] может появиться как результат: повреждения изоляции токоведущих частей электрооборудования (вследствие механических воздействий, электрического пробоя, естественного старения и т. п.); падения провода, находящегося под напряжением, на конструктивные части электрооборудования; замыкания фазы сети на землю.

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 частично проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками в поле растекания тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (1м) [1], на которых одновременно стоит человек, называется напряжени­ем шага.

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

Наиболее просто закон распределения потенциалов определяется для случая, когда ток IЗ стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r 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 UДОП, на­зывается опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от на­пряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта. Так для железнодорожных путей при обрыве контактного провода (27,5 кВ) опасной считается зона на расстоянии менее 8 м от лежащих на земле оборванных проводов [4].

Работник должен выходить из опасной зоны мелкими шагами, не превышающими длину стопы.

Источник