Стекание тока в землю через одиночный заземлитель

Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземли­теле, в земле вокруг заземлителя и на поверхности земли некоторых потенциалов.

Для большего упрощения считаем, что земля во всем своем объ­еме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным объемным сопротивлением р, Ом • м.

Пусть мы имеем шаровой заземлитель радиусом г, м, погру­женный в землю на бесконечно большую глубину. Через этот шар в землю стекает ток 1₃ , А, который подается к заземлителю с помощью изолированного проводника. Требуется получить уравнение для по­тенциала ф, В, в некоторой точке объема земли А, отстоящей от цен­тра заземлителя на расстоянии х, м, или, иначе говоря, уравнение по­тенциальной кривой.

Поскольку, как нами принято, земля однородна, ток в земле бу­дет растекаться от шара равномерно и симметрично во все стороны (по радиусам шара) и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя (по мере увеличения сечения слоя земли, через которое проходит ток).

На расстоянии х, м, от центра шара плотность тока δ, А/м 2 , будет:

В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое по­ле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземли­теля сечение слоя земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следова­тельно, при шаровом заземлителе малого радиуса, поле растекания можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м.

Шаровой заземлитель на поверхности земли.Шаровой за­землитель, заглубленный так, что его центр находится на уровне земли, именуется обыч­но полушаровым за-землителем.

Для такого за­землителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли будет:

Следовательно, потенциал на поверхно­сти земли вокруг полу­шарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимально­го значения ср₃ до нуля по мере удаления от за­землителя (рис. 14.1).

Очевидно, что для данного случая (как, впрочем, и для некоторых других одиночных заземлителей — стержневого, и др.) эквипотенци­альные линии на поверхности земли представляют собой концентри­ческие окружности, центром которых является центр заземлителя.

В действительных условиях, когда грунт вокруг заземлителя неоднороден, эквипотенциальные линии могут значительно отличать­ся от окружностей и изменение потенциала при удалении от заземли­теля будет происходить не по гиперболе, а по какой-то иной кривой.

Стекание тока в землю через групповой заземлитель.По условиям безопасности заземление должно обладать сравнительно малым сопротивлением, обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода) или применения нескольких параллельно соединенных между собой элек­тродов, именующихся в совокупности групповым заземлителем.

Элементарный подсчет показывает, что второй путь во много раз экономичнее по затрате металла и другим условиям. Кроме того, при нескольких электродах можно выровнять потенциальную кривую на территории, где они размещаются, что в ряде случаев играет решаю­щую роль в обеспечении безопасности. Поэтому в практике применя­ют, как правило, групповые заземлители.

Распределение потенциала на поверхностиземли. При больших расстояниях между электродами группового заземлителя (практически более 40 м) поля растекания токов вокруг них практиче­ски не взаимодействуют, т.е. ток каждого электрода проходит по «сво­ему», отдельному участку земли, в котором токи других заземлителей не проходят. В этом случае вокруг каждого электрода возникают са­мостоятельные потенциальные кривые, взаимно не пересекающиеся (рис. 14.2).

При малых расстояни­ях между электродами груп­пового заземлителя (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые электродов взаимно пересекаются и, складываясь, образуют непрерывную сум­марную потенциальную кри­вую группового заземлителя (рис. 14.3).

В результате поверх­ность земли на участках ме­жду электродами приобретает некоторый потенци­ал. При этом форма суммарной потенци­альной кривой зави­сит от расстояния между электродами, их взаимного распо­ложения, числа, фор­мы и размеров.

Источник

Явления при стекании тока в землю.

Распределение потенциала на поверхности земли, схема.

Опасность поражения человека электрическим током во многом определяется явлениями, возникающими при стекании электрического тока в землю.

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся с нею в непосредственном контакте. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем.

Причинами стекания тока в землю является: замыкание токоведущей части на заземленный корпус электрооборудования; падения провода на землю; использование земли в качестве провода и т.д. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала заземлившейся части электрооборудования jз, В до значения, равного произведению тока, стекающего в землю, Iз, А, на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути, т. е. сопротивление заземлителя растеканию тока Rз, Ом:

Cтекание тока в землю сопровождается возникновением не только на заземлителе, но и в земле вокруг заземлителя, а следовательно, и на поверхности земли некоторых потенциалов.

Нам необходимо знать, от чего зависят значения этих потенциалов, как изменяются они при изменениях расстояния до заземлителя, т. е. знать уравнение потенциальной кривой.

Для упрощения анализа будем считать, что земля во всем своем объеме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным объемным сопротивлением r, Ом*м.

Распределение потенциала на поверхности земли. Замыкание частей электроустановок на землю сопровождается протеканием через нее тока. Земля становится участком электрической цепи. При этом вследствие сопротивления земли имеет место падение напряжения и появляется разность потенциалов между отдельными точками на поверхности земли.

Рассмотрим схему растекания тока в земле при пробое изоляции электроустановки или падении оборванного провода на землю (рис. 16.14). Примем, что связь с землей осуществляется через полусферический заземлитель. Грунт однородный с удельным сопротивлением р. В этом случае ток замыкания I3 будет стекать с поверхности заземлителя по направлению радиусов от центра сферы. Плотность тока δ в точке А на поверхности грунта на расстоянии х от центра сферы

Ток с заземлителя растекается по значительному объему земли. С увеличением расстояния от заземлителя плотность тока уменьшается вследствие резкого возрастания сечения земли, через которое протекает ток. В бесконечно удаленных от заземлителя точках (x>∞) плотность тока равна нулю.

Измерения потенциалов в точке земли на разных расстояниях от заземлителя показали, что распределение потенциалов по поверхности земли при растекании тока с полусферического заземлителя подчиняется гиперболическому закону (см. кривую на рис. 16.14).

На расстоянии 1 м от заземлителя падение напряжения составляет 68%, на расстоянии 10 м — 92%, на расстоянии 20 м потенциалы точек настолько малы, что практически могут быть приняты равными нулю. Эти точки поверхности грунта можно считать находящимися вне зоны растекания и называть «землей» в электротехническом смысле слова.

Аналогичное распределение потенциалов происходит при растекании тока с заземлителей другой формы (труба, пластина, место соприкосновения оборванного провода с землей и т. п.).

Дата добавления: 2019-07-17 ; просмотров: 333 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Потенциальная кривая простейшего группового заземлителя

Практические занятия 2 и 3

Полушаровой заземлитель

Шаровой заземлитель на поверхности земли, т. е. заглубленный так, что его центр находится на уровне земли (рис. 1), называется полушаровым заземлителем.

Рис. 1. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Для такогозаземлителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли (так же как и в объеме земли) будет иметь вид. Тогда:

Потенциал полушарового заземлителя j _з, В, при радиусе заземлителя х = r, м, опредляется из уравнения:

Разделив (1) на (2), получим:

Обозначив произведение постоянных j _з и r через k, получим уравнение равносторонней гиперболы:

Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения j _з до нуля по мере удаления от заземлителя (рис. 1). Следует отметить, что в реальных условиях, когда грунт неоднороден, изменение потенциала при удалении от заземлителя будет происходить не по гиперболе, а по какой-либо другой кривой.

Потенциальная кривая простейшего группового заземлителя

Потенциальная кривая простейшего группового заземлителя, состоящего из двух одинаковых полушаровых электродов, показана на рис. 2 жирной линией. Она получена сложением потенциальных кривых обоих электродов. Поскольку электроды одинаковы и находятся в одинаковых условиях, ток, стекающий в землю распределяется между ними поровну и, следовательно, их потенциальные кривые идентичны.

Рис. 2. Потенциальная кривая группового заземлителя, состоящего из двух одинаковых полушаровых электродов

Рассмотрим участок между электродами, т. е. кривые j ₁ и j ₂, которые в системе прямоугольных координат j , x с ординатой, проходящей через центр левой полусферы (рис. 2), выражаются следующими уравнениями, В:

где j — собственный потенциал полушарового заземлителя, В; r — радиус полусферы, м; s — расстояние между центрами полусфер, м.

Искомое уравнение суммарной потенциальной кривой j , В, на участке между заземлителями определяется как:

Наибольший потенциал на поверхности земли будет при наименьшем значении x, т.е. при x=r. Это потенциал каждого из двух полушаровых электродов, входящих в состав рассматриваемого группового заземлителя, или потенциал группового заземлителя, В:

Разделив (5) на (6), получим уравнение той же кривой, но выраженное через потенциал группового заземлителя, В:

Наименьший потенциал на поверхности земли между электродами будет в точке В, лежащей на средине отрезка s при x=s/2:

Из приведенных выражений видно, что с уменьшением s потенциал j _В возрастает, приближаясь к потенциалу группового заземлителя (наименьшее значение s=2r). Одновременно возрастает и j_гр, приближаясь к 2j .

При большом значении s, например при s>=40м, j _В = 0, а j_гр= j_0.

Таким образом, с уменьшением расстояния между электродами группового заземлителя (начиная от 40 м) происходит выравнивание потенциала на поверхности земли. Подобный эффект наблюдается и при других групповых заземлителях, т.е. при иной форме электродов, большем числе их и любом взаимном размещении.

Поскольку электроды групповою заземлителя связаны между собой электрически, они имеют одинаковый потенциал, являющийся потенциалом группового заземлителя j _гр. Следовательно потенциал каждого электрода группового заземлителя состоит из собственного потенциала, обусловленного стеканием через него тока и потенциалов, наведенных другими электродами, например для первого электрода:

где — j ₀₁ собственный потенциал первого электрода, В, он равен произведению тока I₁, А, стекающего через этот электрод в землю, на сопротивление его растеканию R₁, Ом

п — количество электродов в групповом заземлителе; j _нi — потенциал, наведенный на первом электроде одним из соседних, В, который определяется из уравнения потенциальной кривой этого соседнего электрода с учетом расстояния между электродами. Например, если потенциал наводится полушаровым электродом радиусом r, то значение наведенного потенциала на другом электроде любой формы описывается уравнением:

где j — собственный потенциал полушара, В; х — ближайшее расстояние от центра полушара до поверхности электрода, на котором определяется j _н, м.

h — коэффициент, характеризующий уменьшение проводимости заземлителей и называемый коэффициентом использования проводимости группового эаземлителя или просто коэффициентом использования.

Иногда h именуется коэффициентом экранирования.

Пример решения задач

Ток I_зстекает с группового заземлителя, состоящего из трех одинаковых полушаровых электродов радиусом r = 0,5 м, размещенных в вершинах равностороннего треугольника (см. рисунок).

Определить значение потенциала группового заземлителя j _гр при расстояниях между центрами электродов S, равных 2,5; 10; 40 м и значении удельного сопротивления грунта r, равном 120 Ом*м (земля однородная).

Решение:

Поскольку электроды одинаковы и находятся в одинаковых условиях, значения сопротивлений растеканию тока с них, токов, стекающих через них в землю, и их собственные потенциалы равны. При этом сопротивление растеканию тока одиночного электрода

ток, стекающий через одиночный электрод в землю

собственный потенциал одиночного электрода

С учетом наведенных потенциалов j_н на один из электродов потенциалами двух других электродов потенциал группового заземлителя определяется как:

Искомые значения потенциалов группового заземлителя будут равны:

при S = 2,5 м j _гр = 1,5 * j = 600 В;

при S = 10 м j _гр = 1,1 * j = 440 В;

при S = 40 м j _гр = 1,0 * j = 400 В.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что при уменьшении расстояний между одиночными электродами группового заземлителя значение потенциала группового заземлителя возрастает.

Ответ задачи: 600 В; 440 В; 400 В.

Напряжением прикосновения U_пр называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается или может коснуться человек.

С другой стороны это падение напряжения в сопротивлении тела человека, В:

где I_h — ток, проходящий через человека, A; R_h — сопротивление тела человека,Ом.

В области защитных мер в электроустановках одна из таких точек имеет потенциал заземлителя j_з, а другая — потенциал основания в том месте, где стоит человек, j_осн. При этом напряжение прикосновения:

Если принять во внимание характер изменения потенциала по поверхности грунта и пренебречь сопротивлением растеканию тока основания, то

где a₁ — коэффициент, называемый коэффициентом напряжения прикосновения или просто коэффициентом прикосновения, учитывающим форму потенциальной кривой.

Тогда при стекании тока в землю через полушаровой заземлитель:

При наибольшем расстоянии, т. е. при х ® , а практически при х > 20 напряжение прикосновения имеет наибольшее значение: U_пр=j _з; при этом a₁ = 1.

Это — наиболее опасный случай прикосновения.

При наименьшем значении х, т. е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе U_пр = 0 и a₁ = 0.

Это — безопасный случай, т.к. человек не подвергается воздействию напряжения, открытые токопроводящие части электроустановки и находятся под потенциалом заземлителя j _з.

Напряжение прикосновения с учетом падения напряжения в сопротивлении основания, на котором стоит человек. Ток, стекающий в землю через человека, стоящего на земле, полу или другом основании, преодолевает сопротивление не только тела человека, но и этого основания, вернее, тех его участков, с которыми имеют контакт подошвы ног человека.

Следовательно, разность потенциалов (j_з — j_осн) = j_зa₁,В, оказывается приложенной не только к сопротивлению тела человека R_h, Ом, но и к последовательно соединенному с ним сопротивлению основания R_осн, Ом, на котором стоит человек: j_зa₁= I_h (R_h +R_осн). С учетом того, что , получим:

откуда напряжение прикосновения с учетом падения напряжения в сопротивлении растеканию основания,В:

где a₂ — коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек:

Источник

Научный форум dxdy

Вход Регистрация

Donate FAQ Правила Поиск

Явления при стекании тока в землю

Как это понимаю я:
На обоих концах ЛЭП стоят трансформаторы, у которых обмотки, соединяемые с линиями ЛЭП собраны по схеме «звезда». Средние точки этих трансформаторов явным образом соединяются с землей (устраивается специальное заземление средней точки трансформаторов). Дальше все ясно — обравается фаза (или рабочий ноль) ЛЭП, падает на землю, на которой потенциал средней точки трансформатора. Начинает протекать ток с учетом всех импедансов (средняя точка трансформатора->место котакта разорванного провода с землей; импеданс линии ЛЭП от трансформатора до разрыва; импеданс обмотки трансформатора ну и прочие импедансы если есть).

Учитывая, что в точке контакта разорванного провода с землей будет практически потенциал разорванной фазы (принимаем сопротивление земли значительно большим, чем сопротивление проводника ЛЭП), и что поверхность земли весьма распределена, возможно, надо еще учитывать емкостные токи между поверхностью земли под ЛЭП и рабочими проводниками. Но учитывается ли это на практике — не знаю, возможно эти явления пренебрежимо малы.

Лично я практически не работал с сетями 100+ kV, там свои особенности.

Ток не течет по земле.
Но земля обладает сверхъемкостью и поэтому забирает заряд и переменный ток на себя.
При обрыве провода и коротком заземлении энергия уходит на сопротивление земли.
Ток течет только по проводу — это фаза.
Провода с нулем идут к конечному потребителю и идут они от глубокого заземления возле трансформатора низкого напряжения.
ЛЭП не имеют проводов с нулем, это лишний бессмысленный расход провода.

Никакого замыкания в обычном понимании плюс-минус нет.
Переменный ток замыкается на емкость земли.

— Пт фев 04, 2011 00:23:30 —

Написал сначала, что земля обладает сверхиндуктивностью, может быть это тоже что и емкость, а может и нет. Не знаю.

— Пт фев 04, 2011 00:31:13 —

Нет все же так: индуктивность это магнитное поле, а емкость — заряд. И это совсем разные вещи.
Земля берет любой заряд и это емкость. А катушка трансформатора и линия передачи — индуктивность.

— Пт фев 04, 2011 00:35:26 —

А вообще-то потребителю не нужен ноль. Он всегда может пустить ток по цепи фаза-прибор-заземление.
Но наверное, ноль всегда подводят для того, чтобы от доморощенного заземления никого током не ударило.

Электрический ток никуда не добирается. Некорректно говорить об электрическом токе, как о физическом объекте, он по сути есть некая абстракция, более-менее точно описываемая формулами, и проявляющая себя косвенно (закон Ампера, например).

Что касается Вашего вопроса, то длина пути здесь непричем, имеет значение только импеданс цепи, частота и амплитуда напряжения. Величина тока установится согласно этим параметрам.

Имеет значение прежде всего сопротивление в месте контакта провода и грунта. У самого же грунта цифр я не назову, но знаю (читал где-то), что например в деревне с глухозаземленной нейтралью трансформатора подстанции вполне реально, вкопав на пару метров ведро, и подключив к нему нулевой проводник (фазу взять, ессесно, со счетчика), подключить нагрузку около 1 кВт без существенного (до 30В) падения входного напряжения 220В.
Червяки, шахтеры и соседи при этом, конечно, охреневают :). Такое подключение — по сути и есть падение проводника на землю, протевиречит технике безопасности, на всякий случай предупреждаю.

Нет, не будет, за исключением емкостных явлений, о которых я написал. Являются ли они значимыми — не знаю, погуглите, и напишите пожалуйста в этой теме, если найдете.

Ноль подводят чтобы: 1. можно было получить фазное напряжение. 2. чтобы не допустить появления несимметричных режимов (что достаточно просто в сетях 0,4 кВ из-за разброса нагрузок по величине, статическим и динамическим характеристикам) 3. в некоторых типах сетей нулевой проводник совмещен с защитным.
Остальное в вашем посте еще более не понятно. В любом случае спасибо за высказанное мнение.

— Пт фев 04, 2011 12:44:34 —

Наверное, емкость получается в результате контакта провода и земли: на конце провода может накапливаться сколь угодно большой заряд. То есть, сама земля не емкость, но провод на земле — емкость.

А если провод удалить от земли то емкость упадет и на конце провода не будет накапливаться заряд и переменный ток по такому проводу не течет.

Цепь переменного тока состоит из катушки индуктивности -провода, емкости для заряда — конденсатора и прибора потребителя.
У нас есть провод фазы, смотанный в катушку трансформатора, один конец провода фазы закопан в землю, вместо конденсатора, другой конец фазы идет к потребителю, который замыкает его на прибор, второе замыкание прибора — провод ноль, этот провод идет до трансформатора и там тоже закопан в землю.
Получается цепь из одного провода с катушкой, на который навешаны полезные сопротивления, два конца этого одного провода закопаны в землю и играют роль двух больших емкостей.
Энергия подводится к цепи через индуктивность катушки трансформатора.

Последний раз редактировалось e2e4 04.02.2011, 13:30, всего редактировалось 5 раз(а).

Только если на подстанции стоит дифавтомат. Если честно, я таковых на силовых подстанциях не встречал, хотя и не работал с ними (подстанциями) особо. А без него все нормально — автоматические выключатели никакого превышения допустимого тока не заметят, трансу тоже все равно — так или иначе, но закон Кирхгофа-то соблюдается.

О шаговом напряжении.

Конечно. Собственно, как и любое напряжение — разница потенциалов двух точек. А потенциалы на поверхности земли вокруг упавшего провода изменяются — можно даже построить эквипотенциальные линии — они будут иметь сложные замкнутые контуры, «выпячиваясь» в сторону направления на подстанцию.
Важно учитывать, что это падение напряжения будет только при условии протекания тока, если тока нет — потенциал везде будет равен потенциалу упавшего провода.

Так точно. Ну или до нуля, тряхнет меньше, но тряхнет.
В специальных случаях (не на гражданских объектах), допускается не землить ноль, в частности для того, чтобы сохранить работоспособность комплекса при попадании одной фазы на землю. Но это «не земление» должно быть хорошо обосновано.

P.S. Фактически, заземление нуля подразумевает, что тряхнет в любом случае, если схватиться за фазу, только напряжение будет в раз меньше линейного, если схватиться за фазу, стоя на земле. Заземленный ноль позволяет диагностировать КЗ фазы на землю с помощью относительно простых автоматических выключателей и отключить сеть, а также позволяет применить дифавтоматы для защиты человека и противопожарной.

В случае с изолированной нейтралью можно хвататься за фазу, стоя на земле, без последствий. Однако попадание одной фазы на землю не диагностируется, и схватившийся за другую фазу человек при уже попавшей другой фазе на землю получает полное линейное напряжение. КЗ возможно диагностировать только при попадании двух и более фаз (или нуля и фазы) на землю, дифавтоматы при такой схеме неприменимы.

Конечно, я имею ввиду по диагностированию КЗ на землю случай, когда например фаза падает на стально пол, явно соединенный с нулем, или на корпус прибора. Если фаза падет на почву, то сопротивление почвы в общем случае слишком велико для срабатывания защитного автомата.

Источник