Что называется зоной растекания тока и зоной нулевого потенциала
Общий характер растекания тока в земле. Напряжение шага и напряжение прикосновения. Способы выравнивания потенциалов.
ЗОНА РАСТЕКАНИЯ ТОКА — часть земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю.
Замыкание на землю происходит в следствии появления контакта между токоведущими частями (ТВЧ) и заземлённым контуром при падении на землю оборванного провода линии электропередач, пробоя изоляции высоким напряжением и т. д. В этих случаях ток от частей находящихся под напряжением проходит в землю через электрод который осуществляет контакт с грунтом. Специальный металлический электрод называется заземлителем. Размеры и форма электрода, состав грунта могут быть различны, поэтому закон распределения потенциала в электрическом поле электрода определяется сложной зависимостью.
Найдём потенциал в точке А для чего выделим элементарный слой толщиной dx:
Закон распределения потенциалов вокруг заземлителя
Схема растекания тока в земле
Согласно нормативным документам напряжение прикосновения – это напряжение между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека или животного.
Другими словами напряжением прикосновения (для человека) Uпр называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или падение напряжения в сопротивлении тела человека, В:
В области защитных заземлений, занулений и т. п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя jз, а другая — потенциал основания в том месте, где стоит человек, jосн. При этом напряжение прикосновения:
Если принять во внимание характер изменения потенциала по поверхности грунта и пренебречь сопротивлением растеканию тока основания, то Uпр = j зa1,
где a1 — коэффициент, называемый коэффициентом напряжения прикосновения или просто коэффициентом прикосновения, учитывающим форму потенциальной кривой:
Поскольку напряжение прикосновения зависит от значения потенциала заземлителя и от характера его потенциальной кривой, опасность для человека будет различной при использовании различных типов одиночных заземлителей и групповых заземлителей:
-Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе;
-Напряжение прикосновения при групповом заземлителе.
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 (сопротивление обуви в данном случае во внимание не принимается).
Сопротивление основания, на котором стоит человек, правильнее называть (аналогично сопротивлению заземлителя) сопротивлением растеканию тока основания ног; нередко это сопротивление именуют также сопротивлением растеканию тока основания или сопротивлением растеканию тока ног человека.
Все положения, рассмотренные выше, справедливы для случаев, когда сопротивление растеканию основания, на котором стоит человек, равно нулю. В действительных условиях это сопротивление не равно нулю и в ряде случаев бывает довольно велико.
Рис. 2.14. К определению напряжения прикосновения с учетом падения напряжения в сопротивлении растеканию тока основания, на котором стоит человек:
1 — потенциальная кривая;
2 — кривая, характеризующая изменение Uпр с изменением расстояния от заземлителя
Заменив в этом выражении ток Ih, А, проходящий через человека, его значением из (2.35), 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:
ВЫРАВНИВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ — снижение разности потенциалов (шагового напряжения) на поверхности земли или пола при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу (или на поверхности) и присоединенных к заземляющему устройству, либо путем применения специальных покрытий. При распределенном заземляющем устройстве безопасность обеспечивается не только уменьшением потенциала заземлителя, но и В. п. на защищаемой территории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых.
Изменение потенциала в пределах площадки, на которой размещены электроды заземлителя, происходит плавно. При этом напряжение прикосновения Uпр и напряжение шага Uш имеют небольшие значения по сравнению с потенциалом заземлителя φ3. Однако за пределами контура по его краям наблюдается крутой спад φ. Чтобы исключить в этих местах опасные напряжения шага, которые особенно высоки при больших токах замыкания на землю, по краям контура за его пределами (в первую очередь в местах проходов и проездов) укладывают в землю на различной глубине дополнительные стальные полосы, соединенные с заземлителем. Тогда спад потенциала в этих местах происходит по пологой кривой.
Внутри помещений В. п. происходит благодаря металлическим конструкциям, трубопроводам, кабелям и подобным им проводящим предметам, связанным с разветвленной сетью заземления. Арматура железобетонных зданий также способствует В. п.
Выравнивание потенциалов должно быть также осуществлено у входов и въездов на территорию электроустановки путем укладки двух дополнительных полос с постепенным заглублением; на расстоянии 1 и 2 м от заземлителя на глубине 1 и 1,5 м соответственно.
При размещении электроустановки на достаточной площади расстояние от границ заземлителя до ограды электроустановки должно быть не менее 3 м, и ограда в этом случае не заземляется. В местах, часто посещаемых персоналом, и в местах входов и съездов целесообразно устраивать дорожки с покрытием асфальтом или гравием, имеющим малую проводимость.
В целях исключения выноса потенциала за пределы территории электроустановки с большим током замыкания на землю запрещается питание приемников, находящихся вне территории электроустановки, производить от трансформаторов с заземленной нейтралью при напряжениях 380/220 или 220/127 В, находящихся в пределах территории электроустановки. При необходимости питание таких приемников осуществляется от трансформаторов с изолированной нейтралью.
Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 50 ; Нарушение авторских прав
РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Опасность поражения электрическим током создается напряжением прикосновения или напряжением шага.
Напряжение прикосновения. Это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.
Напряжение прикосновения приложено только к телу человека и оно определяется как падение напряжения в теле человека по (2.1)
, (2.1)
где Ih – ток через человека, А; Rh – сопротивление человека, Ом.
При протекании тока по пути тока нога-нога в зоне вблизи заземлителя создается напряжение шага.
Напряжение шага или шаговое напряжение – это напряжение между двумя точками, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.
Ток через человека также зависит от тока замыкания на землю. Для расчета напряжений прикосновения и напряжения шага рассмотрим физические основы их возникновения. Их возникновение объясняется природой растекания тока замыкания на землю.
2.2 Природа растекания тока замыкания на землю
Замыкание на землю может произойти при контакте токоведущей части с заземленным корпусом, пробое изоляции высоковольтного оборудования, падении оборванного провода и ряде других причин.
Заземленный корпус имеет соединение с заземлителем заземляющего устройства. При замыкании на корпус ток проходит через заземлитель на землю, рисунок 2.1. Происходит стекание тока заземления в грунт и вокруг заземлителя создается поле растекания тока. Параметры поля растекания зависят от разных условий. К ним можно отнести форму и размеры заземлителя, состав грунта, влажность грунта, время года и так далее.
Для определения параметров принимаются некоторые допущения и упрощения, с тем чтобы получить общую картину растекания тока.
В качестве заземлителя принимается одиночный заземлитель полусферической формы. Грунт считается однородным с удельным сопротивлением r. Линии тока растекания направлены по радиусам от центра полусферического заземлителя и перпендикулярны его поверхности.
Если грунт однородный, то ток замыкания равномерно распределяется по его поверхности, с определенной плотностью тока d.
Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы. Точкам каждой сферы соответствует одна и та же плотность тока и напряженность. Такая поверхность называется эквипотенциальной поверхностью, рисунок 2.1.
Плотность тока по поверхности грунта с удалением от заземлителя снижается, что видно из формулы (2.2)
(2.2)
Чем дальше от заземлителя, тем ниже плотность тока. На большом удалении плотность тока практически равна нулю.
Каждая точка грунта имея определенную плотность тока, обладает электрическим потенциалом jА=UА.
Для определения потенциала в точке А, выделим элементарный слой грунта толщиной 
на расстоянии 
от заземлителя, разность потенциалов или падение напряжения в этом слое равно (2.3)
(2.3)
где Е – напряженность электрического поля.
Напряженность электрического тока в точке А определится из (2.4)
(2.4)
Потенциал точки jА=UА равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом (2.5). Нулевым потенциалом обладают все точки, плотность тока в которых равна нулю. Подставив в (2.5) формулы (2.2) и (2.4) получим выражение (2.6) для расчета потенциала точки А.
(2.5)
(2.6)
Чтобы определить общую зависимость изменения потенциалов области растекания тока замыкания, учитывается, что 
и (2.6) примет вид (2.7)
. (2.7)
Это гиперболическая зависимость распределения потенциалов в зоне растекания сферического заземлителя, рисунок 2.2. По мере удаления рассматриваемой точки от заземлителя, потенциал снижается и практически достигает нуля. Если расположить исследуемую точку на поверхности заземлителя с радиусом 
, потенциал будет наибольшим, равным 
по (2.8)
. (2.8)
Область грунта вблизи заземлителя, потенциалы точек, которых на равны нулю называется полем растекания. Практически это зона может находиться в пределах до 20 метров.
Область грунта, потенциалы точек, которых равны нулю называется электротехнической землей. Эта область находится за зоной растекания тока замыкания на землю. На рисунке 2.1 эквипотенциальные поверхности обозначены штриховыми линиями.
Если заземлители имеют другие геометрические формы, значения потенциалов на заземлителе в поле растекания, размеры поля также изменяются, по сравнению с полем полусферических заземлителей.
Рисунок 2.2 – Распределение потенциалов в зоне растекания тока
2.3 Сопротивление растеканию тока замыкания на землю
Если рассмотреть в качестве проводника слой грунта толщиной dx, его сопротивление равно (2.9)
. (2.9)
Сопротивление растеканию тока в земле можно представить в виде (2.10).
(2.10)
Расчетное выражение по (2.11)
. (2.11)
Если в формулу (2.6) подставить (2.10) получится расчетное выражение напряжения на заземлителе
. (2.12)
Отсюда можно сделать вывод, что сопротивление току растекания оказывает только грунт. Напряжение на заземлителе заземляющего устройства не зависит от расстояния между заземлителями. Приведенные расчеты справедливы для полусферического заземлителя. Для заземлителей других форм выведены свои формулы.
2.4 Напряжение прикосновения
Рассмотрим случай. Человек стоит на земле и к нему случайно приложено напряжение корпуса, оказавшегося под напряжением. Приложенное напряжение прикосновения определится разностью потенциалов руки и ног, приложенной к человеку
(2.13)
Потенциал руки относительно земли равен
, (2.14)
потенциал ноги человека, стоящего в зоне растекания
. (2.15)
Напряжение прикосновения определится из выражения (2.16)
(2.16)
.
Обозначим выражение в скобках как 
(2.17)
и напряжение прикосновения в поле растекания заземлителя любой формы получится равным (2.18)
(2.18)
Можно сказать, что напряжение прикосновения есть часть напряжения относительно земли. Коэффициент называют коэффициентом напряжения прикосновения.
По мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения увеличивается, поскольку потенциал ноги человека относительно земли снижается. То есть, чем дальше от заземлителя, тем выше напряжение прикосновения, пояснение на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Напряжения прикосновения
1 – кривая распределения потенциалов, 2 – кривая изменения напряжения прикосновения
Определим, как зависит напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека. Полное сопротивление цепи человека состоит из сопротивлений
(2.19)
Ток через человека при прикосновении к заземленным нетоковедущим частям определяется по (2.20)
(2.20)
2.5 Напряжение шага
Рассмотрим, как человек попадает под напряжение шага. Если в момент стекания тока с заземлителя, человек оказался в зоне растекания тока, то его ноги оказываются в точках с разными потенциалами. К человеку по пути нога-нога приложится напряжение шага, которое определится как разность потенциалов между точками А и Б, на рисунке 2.2.
(2.21)
Потенциал точки А при удалении от заземлителя на расстояние х равен (2.22).
, (2.22)
Потенциал точки Б, находящейся на ширине шага человека 
от точки А определится по (2.23)
. (2.23)
Напряжение шага равно
, (2.24)
.
Напряжение шага через напряжение на заземлителе, с учетом (2.8)
(2.25)
где 
— коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.
Влияние дополнительные сопротивлений в цепи человека учитывается коэффициентом 
. При этом сопротивление опорной поверхности ног человека, попавшего под напряжение шага, отличается от сопротивления, попавшего под напряжение прикосновения.
Можно принять 
, с уче6том того, что сопротивление обуви в четыре раза больше и напряжение шага определится UШ= UЗ∙b1∙b2.
Ток через человека, попавшего под напряжение шага равен
(2.26)
Рисунок 2.4 – Напряжение шага
Характер зависимости напряжения шага от расстояния до заземлителя на рисунке 2.2.
Электробезопасность
ЧАСТЬ І ЗАЗЕМЛИТЕЛИ
Для студентов специальностей:
–Электрификация и автоматизация сельского хозяйства
Рецензент: кандидат технических наук, доцент
В первой части пособия приведены определения искусственного и естественного заземлителей, зон растекания и нулевого потенциала. Рассмотрено явление стекания тока в землю через одиночные и групповые заземлители электроустановок, даны соотношения для расчета потенциалов и сопротивлений в различных точках зон растекания электрического тока.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности: – Электрификация и автоматизация сельского хозяйства, а также лаборантов, мастеров производственного обучения, аспирантов и преподавателей.
© Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2008
Введение
Сопротивление заземляющего устройства – отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.
Заземляющие устройства должны соответствовать требованиям государственных стандартов, правил устройства электроустановок, строительных норм и правил, а также обеспечивать нормальные условия для безопасной работы (быта) людей, эксплуатационные режимы работы и защиту электроустановок.
1 Стекание тока в землю через одиночный заземлитель
Стекание электрического тока в землю происходит через проводник случайно (преднамеренно) контактирующего с землей. Причинами стекания тока с проводника в землю являются:
· замыкание токоведущей части электроустановки на заземленный корпус оборудования;
· падение провода линии электропередачи на землю;
· использование земли в качестве провода электроустановки.
Результатом стекания тока является резкое снижение потенциала (напряжения относительно земли) токоведущей части электроустановки до значения:
(1)
Явление стекания тока в землю повышает безопасность, поэтому его используют как меру косвенной защиты людей от поражения током при работе в электроустановках. Одновременно возникает и отрицательное явление – возникновение опасных для человека потенциалов на заземлителе и на поверхности земли вокруг заземляющего устройства. Разности потенциалов в цепи электрического тока заземлителя и вокруг заземляющего устройства могут быть очень большими и представлять серьезную опасность для людей (животных) в нормальных и аварийных режимах работы электроустановок различного напряжения.
Значения потенциалов на заземлителях электроустановок и их разностей в зонах растекания тока зависят от многих факторов: значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов; удельного сопротивления грунта вокруг заземлителя и сопротивления заземляющего устройства.
1.1 Распределение потенциалов по поверхности земли
Стекание электрического тока с заземляющего устройства электроустановки в землю приводит к возникновению на заземлителе и вокруг него опасных для человека (животного) потенциалов. Рассмотрим случаи стекания тока в землю через шаровой (полушаровой), стержневой и дисковый заземлители. Считаем, что земля вокруг заземляющего устройства однородна (обладает в любой точке одинаковым удельным сопротивлением). Оценка распределения потенциалов на примере шарового заземлителя позволяет упростить математические выкладки и наглядно их продемонстрировать.
1.1.1 Шаровой заземлитель на большой глубине в земле
Рассмотрим потенциалы вокруг заземлителя, и как меняется величина потенциала при удалении или приближении к заземляющему устройству. Найдем уравнение потенциальной кривой. Погрузим шаровой заземлитель радиусом r (м) в однородную землю на большую глубину, чтобы исключить влияние поверхности земли. Через изолированный проводник и шар в землю стекает ток I3 (А).
Рисунок 1 – Шаровой заземлитель, погруженный в землю на большую глубину
Учитывая, что земля вокруг заземлителя однородна, ток в ней растекается от поверхности шара равномерно и симметрично во все стороны, а плотность тока будет уменьшаться по мере удаления от заземлителя. На расстоянии x (м) от центра шара плотность тока (А/м2)
(2)
В объеме земли вокруг шарового заземлителя возникает поле растекания тока. В реальных условиях уже на расстоянии 20м от заземлителя электроустановки сечение слоя земли такое большое, что плотность J = 0. У шарового заземлителя малого радиуса поле растекания ограничено объемом сферы радиусом r = 20м. Поле растекания тока в проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное постоянное (переменное с частой 50Гц) электрическое поле. Напряженность поля Е (В/м) связана с плотностью тока (закон Ома в дифференциальной форме) соотношением
(3)
В этом случае линии напряженности электрического поля совпадают линиями плотности тока и с условными радиусами заземлителя. Напряженность электрического поля
, (4)
где dU – падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx. Определим потенциал любой точки слоя dx, например, точки С, который равен
, (5)
(6)
Решив определенный интеграл, получим уравнение потенциальной кривой заземлителя
(7)
Минимальный потенциал имеет точка, отстоящая от заземлителя на расстояние x = ∞. Область нулевого потенциала начинается на расстоянии 20м от заземлителя. В этом случае потенциал всех точек на поверхности земли вокруг заземлителя равен нулю.
Максимальный потенциал шарового заземлителя будет при расстоянии x = r (поверхность заземлителя). Потенциал шарового заземлителя
(8)
1.1.2 Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли
На практике заземлители электроустановок погружают в землю на небольшую глубину, и поверхность оказывает влияние на электрическое поле, искажая линии растекания тока от шарового заземлителя.
Для потенциалов всех точек на поверхности земли около заземлителя, например, точки D (рисунок 2):
(9)
а уравнение потенциальной кривой для точек на поверхности земли вокруг заземлителя
(10)
или подставив (9) получим
(11)
Максимальный потенциал заземлителя φ3 будет при расстоянии у = 0 и, следовательно, на поверхности шара (x = r):
(12)
(13)
Таким образом, нулевой потенциал имеет в земле точка, отстоящая от заземлителя на расстоянии примерно 20м. Потенциал всех точек на поверхности земли в этом месте и дальше от заземлителя равен нулю. Максимальный потенциал образуется непосредственно на поверхности заземлителя заглубленном в землю и на поверхности земли в месте стекания тока с заземляющего устройства электроустановки.
1.1.3 Шаровой заземлитель на поверхности земли
Рассмотрим шаровой заземлитель расположенный на поверхности земли, где центр шара находится на уровне земли (рисунок 3).Такой заземлитель называют полушаровым заземлителем.
Рисунок 3 – Растекание тока в земле и распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя
Уравнение потенциальной кривой на поверхности земли заземлителя получим из выражения (11), приняв расстояние t = 0:
(14)
В этом случае плотность тока в земле на расстоянии x от центра полушара
. (15)
Потенциал заданной точки А на поверхности земли, отстоящей от центра полушара на расстоянии x равен падению напряжения в земле на участке от x до ∞
Потенциал заземлителя при радиусе заземлителя r = x определяют как
(16)
Разделив (14) на (16), получим
(17)
Обозначив φ3r = k, получим уравнение равносторонней гиперболы:
(18)
Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы (рисунок 3), уменьшаясь от максимального значения до нуля по мере удаления от заземлителя электроустановки.
Пример 1. На воздушной линии электропередачи напряжением 10кВ повреждена изоляция фазного провода. Возникло короткое замыкание фазы на металлическую конструкцию опоры линии, что вызвало постоянное стекание тока замыкания в землю IЗ = 20А.
Определить потенциалы опоры линии и металлического забора, ближайшая стойка забора находится на расстоянии x = 3м от опоры. Удельное сопротивление однородной земли ρ = 150 Ом м.
Решение. Предполагая, что металлический фундамент опоры линии, через который ток стекает в землю, можно принять за полушар радиусом x = 0,2м, находим потенциал металлического забора:
= (20·150)/(2·3,14·3) = 159В.
= (20·150)/(2·3,14·0,2) = 1595В.
Таким образом, а аварийных режимах работы воздушных линий электропередач выше 1кВ величины потенциалов наведенные на металлическом заборе и опоре линии очень опасны для человека и животного.
1.1.4 Стержневой заземлитель у поверхности земли
Определим, как распределяются потенциалы вокруг стержневого вертикального заземлителя круглого сечения длиной l, и диаметром d погруженного в землю так, что верхний конец заземлителя находится на уровне земли (рисунок 4).
Разделим заземлитель по длине на бесконечно малые участки длиной dy и приравняем их элементарным шаровым заземлителям диаметром dy. С каждого участка заземлителя в однородную землю стекает ток
(19)
и возникают элементарные потенциалы dφ.
Определим потенциал элементарного шарового заземлителя dy в точке А на поверхности земли, отстоящего от оси стержневого заземлителя на расстоянии x
(20)
Подставив (19) и величину m из (9) получим
(21)
Интегрирование уравнения (21) по всей длине стержневого заземлителя (от 0 до l) дает уравнение потенциальной кривой
(22)
Если потенциал заземлителя определяется при x = 0,5d, и при этом величина 0,5d