Лекция+№2+-+Растекание+Тока+Замыкания+в+Землю. Лекции по дисциплине Электробезопасность

• Название: Лекции по дисциплине Электробезопасность
• Дата: 01.06.2022
• Размер: 0.53 Mb.
• Имя файла: Лекция+№2+-+Растекание+Тока+Замыкания+в+Землю.doc
• Тип: Лекции; #562006

Бедарев Эдвард Александрович, преподаватель кафедры «Энергетика»

Лекции по дисциплине «Электробезопасность»
ЛЕКЦИЯ 2 – РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
2.1 Природа растекания тока замыкания (I_З)
П ричины замыкания на землю: 1 - контакт токоведущей части с заземленным кор-пусом; 2 - падение оборванного провода на землю. То есть соединение с землёй может быть случайным или преднамеренным как в случае заземлении корпуса ЭО, который с помощью заземляющего проводника соединяется с заземлителем. При замыкании на корпус ток проходит через заземлитель в землю. При этом резко снижается потенциал заземлённой части ЭО до U_З = I_З∙R_РАСТ, где I_З - стекающий в землю ток, R_РАСТ - сопротивление растеканию. При стекании I_З в грунт вокруг заземлителя создается поле растекания, параметры которого зависят от: 1 - формы, размеров и числа заземлителей;

2 - состава и влажности грунта; 3 - времени года.

Для их определения принимаются допущения:

1) Заземлитель - одиночный полусферической формы.

2) Грунт - однородный с удельным сопротивлением .

3) Линии тока растекания - направлены по радиусам от центра заземлителя и перпендикулярны его поверхности.

В однородном грунте I_З равномерно распределяется по поверхности с определенной плотностью тока , что снижается с удалением от заземлителя: , где x – расстояние от его центра до любой точки «А» поверхности грунта.

В округ заземлителя образуются концентрические сферы (сферы разного радиуса, но с одинаковым центром) - эквипотенциальные поверхности (точки каждой из них имеют одинаковую плотность тока и напряженность). Каждая точка «А» грунта обладает электрическим потенциалом _А=U_А, который определяют рассматривая элементарный слой грунта толщиной dx на расстоянии x от заземлителя, падение напряжения в котором:

dU = E∙dx, где Е = δ∙ρ – напряженность электрического поля. В итоге:

Общая зависимость изменения потенциалов в поле растекания тока

с учётом I_З∙ρ/2π = const = k является φ_А = k/x – гиперболической.

В точке А на заземлителе с радиусом x_З потенциал будет наибольшим:

1. Поле растекания - область грунта вблизи заземлителя, потенциалы точек которых не равны нулю. Её размер – до 20 м.

2. Электротехническая земля - область грунта, потенциалы точек которых равны нулю. Она находится за полем растекания – от 20 метров.

Геометрические формы заземлителей – шар в земле на большой глубине, шар вблизи поверхности земли, полушаровый, стержневой, дисковый. Кривая распределения потенциала заземлителя любой формы на большом расстоянии от него приближается к кривой полусферического заземлителя. (на рисунке)
2.2 Сопротивление растеканию тока замыкания на землю
1) R_РАСТ одиночного заземлителя имеет три слагаемых: 1. R заземлителя; 2. Переходное R (между заземлителем и грунтом). 3. R грунта. 1 и 2 – очень малы, поэтому сопротивление току растекания оказывает только грунт. Для шарового заземлителя – R_РАСТ = ρ/(4πx₃), для полушарового – R_РАСТ = ρ/(2πx_з), для стержневого – R_РАСТ = φ₃/I_З.

Земля имеет слоистое строение и учёт её неоднородности повышает точность расчётов и удешевляет сооружение заземляющих устройств (ЗУ). Земля считается 2х-слойной и оба слоя отличаются составом, плотностью, а у верхнего - больше сопротивление. R_РАСТ зависит от: 1 - геометрических размеров электрода, 2 - его размещения относительно поверхности земли; 3 - эквивалентного удельного сопротивления грунта r_ЭКВ.

2 ) R_РАСТ группового заземлителя зависит от количества электродов (n) в его составе, их сопротивлений (R₁) и расстояния между ними (S), однако от последнего не зависит напряжение на заземлителе (Uз).

а) Если S более 40 метров - R_РАСТ = R₁/n.

б) Если S менее 40 метров поля растекания тока взаимодействуют между собой и на общих участках земли увеличивается плотность тока (рисунок справа) и, следовательно, падение напряжения. Это явление равноценно уменьшению сечения земли и приводит к увеличению R_РАСТ и уменьшению проводимости.

R_РАСТ = R₁/(n∙h), где h<1 - коэффициент использования группового заземлителя. С ростом числа электродов (при S=const) повышается взаимодействие полей и снижается h.

Электрическое сопротивление земли (R_ЗЕМ) небольшое, так как её площадь весьма велика, но по сравнению с металлами она - плохой проводник. Грунт - пористое тело, состоящее из трех частей: твердой, жидкой (связанная вода – тонкая водная плёнка вокруг твёрдых частиц и свободная вода) и газообразной.

R_ЗЕМ - от десятков до тысяч Ом на метр и зависит от:

- влажности – грунт в сухом состоянии имеет большое ρ_удел.(свыше 10⁴ Ом∙м). Основной проводник тока в грунте - его жидкая часть - почвенный раствор. Чем больше в грунте воды и растворимых веществ, тем лучше его проводимость.

- температуры – вода в грунте как электролит - с ростом температуры его ρ_удел. уменьшается. Бурное испарение влаги увеличивает R_ЗЕМ.

- рода грунта - 1. Глина и чернозём – хорошие грунты для заземлений! (состоят из очень мелких частиц, хорошо удерживают влагу, богаты растворимыми веществами)

2. Песок - плохой грунт для заземлений! (состоит из крупных частиц, плохо удерживает влагу, мало растворимых веществ, малая пористость). Также плоха для этого скала.

- степени его уплотненности – чем она выше, тем меньше R_ЗЕМ, так как снижается пространство между частицами. В практике грунт тщательно трамбуется! Плохо трамбуется песок, хорошо – глина и чернозём.

- от времени года – зимой и летом R_ЗЕМ больше! (замерзание и испарение воды).
2.3 Напряжение прикосновения
Н апряжение прикосновения U_ПР - напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. Одна точка имеет потенциал заземлителя, а другая – потенциал основания, на котором стоит человек: U_ПР = φ_Р-φ_Н, где _Р - потенциал руки, В; _Н - потенциал ноги человека, В. Оно приложено только к телу человека и равно: U_ПР = I_hR_h, где I_h – ток через человека, А; R_h – сопротивление человека, Ом.

Так как φ_Р определяется по формуле φ_З, а φ_Н - по формуле φ_А:

В ыражение в скобках α₁ - коэффициент напряжения прикосновения.

С учётом его: U_ПР=U_З∙α_1. По мере удаления от заземлителя U_ПР увеличивается, поскольку потенциал ноги человека относительно земли снижается. Чем дальше от заземлителя, тем выше U_ПР.

U_ПР зависит от дополнительных сопротивлений в цепи человека. Её полное сопротивление: Rch = Rh + Rоб + Rн, где Rh – сопротивление тела человека, R_ОБ - обуви, R_Н – кожи ступни или пола. Коэффициент α₂ учитывает падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека - α₂ = Rh/Rch. Тогда: U_ПР=U_З∙α₁∙α_2.




1 – кривая распределения потенциала,

2 – кривая изменения напряжения прикосновения.

Ток через человека с учётом Uпр:



2.4 Напряжение шага
Н апряжение шага U_Ш (шаговое) – это напряжение между двумя точками на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. В зоне растекания тока ноги оказываются в точках с разными потенциалами: U_Ш = φ_А-φ_Б

Потенциал точки А при удалении от заземлителя на расстояние х:
П отенциал точки Б, находящейся на ширине шага человека a от точки А:




Напряжение шага:
Выражение в скобках β₁ - коэффициент напряжения шага. Он учитывает форму потенциальной кривой.

Напряжение шага через напряжение на заземлителе: U_Ш = U_З∙₁

Uш делится между сопротивлением тела человека и последовательно соединенным с ним сопротивлением растеканию основанием, на котором он стоит: Rocн = 2∙R_Н, Ом.

β₂ = Rh/Rch = Rh/(Rh+2∙(R_Н+R_ОБ)). β₂ - коэффициент напряжения шага, учитывающий падение напряжения в Rocн. Тогда с учётом коэффициентов: U_Ш = U_З∙₁∙₂

Наибольшие значения Uш и β₁ будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит на заземлителе, а другой — на расстоянии шага от него.




Ток через человека, попавшего под U_Ш: