3 лаба по тэмп. Растекание токов в заземлителях
 Скачать 372.07 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Лабораторная работа №3 по дисциплине «Теоретические основы электротехники» Тема: РАСТЕКАНИЕ ТОКОВ В ЗАЗЕМЛИТЕЛЯХ
Санкт-Петербург 2021 Цель работы: изучение процессов растекания токов в земле и возможным влиянием их на человека. Основные теоретические сведения: Заземлением называют надежное электрическое соединение с землей некоторых элементов электрической установки, служащее для защиты людей и оборудования от опасного воздействия электрического тока, а также для обеспечения заданных режимов работы установки. Заземление осуществляется посредством заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и соединительных проводов. Заземлители представляют собой металлические проводники (или группы проводников, соединенных параллельно) в виде труб, стержней и пр., которые располагаются в земле и создают непосредственный контакт с ней. Прохождение тока в земле носит специфический характер, вызванный особыми свойствами земли как проводника электрического тока. Рассмотрим картину стекания постоянного тока в землю через одиночный заземлитель А – металлический стержень, забитый вертикально в однородный грунт (рис.1). Ток растекается во все стороны от заземлителя по значительному объему земли, при этом плотность тока имеет наибольшее значение вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя ток проходит по все большему сечению земли и сопротивление растеканию тока уменьшается. Величина электрического сопротивления растеканию является главной характеристикой заземляющего устройства. Сопротивление растеканию состоит из сопротивления пути растекания тока в землю и переходного сопротивления от заземлителя к почве. Однако переходное сопротивление имеет незначительную величину и им можно пренебречь. Сопротивление земли зависит от проводящих свойств грунта и от распределения тока в земле, которое определяется размерами и формой заземлителей, а также их взаимным расположением (при нескольких заземлителях). Необходимо отметить, что в земле линии тока не уходят в бесконечность, как на рис.1, а собираются у другого электрода или места повреждения изоляции (например, при замыкании на землю).  Рисунок1 - картина электрического поля в земле при растекании тока с одиночного стержневого заземлителя. Однако это явление при значительном расстоянии между электродами не оказывает заметного влияния на распределение линий тока около электродов, а следовательно, и на соответствующее ему сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию заземлителя определяется как отношение напряжения на нем  (потенциала поверхности электрода) к току, протекающему через него в землю: Аналитические методы решения уравнений электрического поля постоянных токов в проводящей среде позволяют получить формулы для расчета сопротивления заземлителей простейших форм. В частности, сопротивление заземления для электрода в форме вертикальной трубы, расположенного у поверхности земли (H = 0) выражается формулой:  Сопротивление заземления для электрода в форме полушария радиуса  , расположенного у поверхности земли равно: Сопротивление заземления для шарового электрода радиуса  погруженного в землю столь глубоко, что можно пренебречь влиянием поверхности земли, определяется как При нахождении вблизи места расположения заземлителя на человека действует так называемое шаговое напряжение, которое представляет собой разность потенциалов между двумя точками на поверхности почвы, отстоящими на 0,8 м (средняя длина шага) друг от друга. В результате, человек, приближающийся к зарытому в землю электроду, может оказаться под опасным для здоровья напряжением, которое в соответствии с принятыми нормами не должно превышать 150 В. По мере удаления от заземлителя величина шагового напряжения уменьшается. Напряжение шага может быть равным нулю и в непосредственной близости к заземлителю, если обе ноги человека находятся на одной эквипотенциальной поверхности. Исходные данные:  грунт − суглинок (100 Ом ∙ м); покрытие − песок (300 Ом ∙ м). Обработка результатов 1.Исследовать поле вертикального стержневого заземлителя заданного размера при различной глубине залегания в однородном грунте заданной проводимости. Исследуем поле вертикального стержневого заземлителя заданного размера в однородном грунте заданной проводимости с глубиной залегания 𝐻 = 0 м. Тогда расчетная модель будет иметь вид, показанный на рисунке 2.  Рисунок 2 – расчётная модель при 𝐻 = 0 м На рисунке 3 показана картина полученного поля.  Рисунок 3 – картина поля при 𝐻 = 0 м На рисунках 4 и 5 представлены графики зависимостей потенциала вдоль поверхности земли и плотности тока вдоль оси симметрии соответственно.  Рисунок 4 – зависимость потенциала вдоль поверхности земли  Рисунок 5 – зависимость плотности тока вдоль оси симметрии С помощью программы найдем величину полного тока, стекающего с поверхности заземлителя  .Рассчитанное сопротивление заземлителя:  Проведем аналогичный опыт для глубины залегания  . В этом случае расчетная модель будет иметь вид, показанный на рисунке 6. Рисунок 6 – расчётная модель при 𝐻 = 0,25 м Картина полученного поля показана на рисунке 7  Рисунок 7 – картина поля при 𝐻 = 0,25 м На рисунках 8 и 9 представлены графики зависимостей потенциала вдоль поверхности земли и плотности тока вдоль оси симметрии соответственно.  Рисунок 8 – зависимость потенциала вдоль поверхности земли  Рисунок 9 – зависимость плотности тока вдоль оси симметрии Величина полного тока, стекающего с поверхности заземлителя:  Рассчитанное сопротивление заземлителя:  Повторим опыт для глубины залегания  . Расчетная модель в этом случае примет вид, показанный на рисунке 10. Рисунок 10 – расчётная модель при 𝐻 = 0,5 м На рисунке 11 показана картина полученного поля.  Рисунок 11 – картина поля при 𝐻 = 0,5 м На рисунках 12 и 13 представлены графики зависимостей потенциала вдоль поверхности земли и плотности тока вдоль оси симметрии соответственно.  Рисунок 12 – зависимость потенциала вдоль поверхности земли  Рисунок 13 – зависимость плотности тока вдоль оси симметрии Величину полного тока, стекающего с поверхности заземлителя найдем аналогично предыдущему опыту  .Рассчитанное сопротивление заземлителя:  Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что с увеличением глубины залегания уменьшается максимальный потенциал вдоль поверхности земли. Максимальная плотность тока наблюдается вблизи заземлителя и уменьшается по мере удаления от него. Величина полного тока, стекающего с поверхности заземлителя практически не зависит от глубины залегания, а значит, сопротивление заземлителя также не зависит от глубины залегания. 2. Оценить влияние неоднородности грунта для стержневого заземлителя, расположенного у поверхности земли. Для решения данной задачи добавим слой 𝐻1 = 30 см из песка у поверхности земли. Расчетная модель примет вид, показанный на рисунке 14.  Рисунок 14 – расчётная модель при неоднородном грунте На рисунке 15 показана картина полученного поля.  Рисунок 15 – картина поля при неоднородном грунте На рисунках 16 и 17 представлены графики зависимостей потенциала вдоль поверхности земли и плотности тока вдоль оси симметрии соответственно.  Рисунок 16 – зависимость потенциала вдоль поверхности земли  Рисунок 17 – зависимость плотности тока вдоль оси симметрии Величина полного тока, стекающего с поверхности заземлителя  Сопротивление заземлителя:  Из полученных данных следует, что неоднородность грунта для стержневого заземлителя влияет на величину полного тока, стекающего с поверхности заземлителя и на сопротивление заземлителя. Максимальное значение напряжения вдоль поверхности земли, а также плотность тока не изменились, но в данном случае максимальное напряжение наблюдается на очень большой площади около заземлителя на поверхности земли. Вывод: с увеличением глубины залегания уменьшается максимальное напряжение вдоль поверхности земли. Максимальная плотность тока находится вблизи заземлителя, и уменьшается при отдалении от него. Величина полного тока, стекающего с поверхности заземлителя и сопротивление заземлителя не зависят от глубины залегания. Неоднородность грунта для стержневого заземлителя влияет на величину полного тока, стекающего с его поверхности и, соответственно, на сопротивление заземлителя. Максимальное значение напряжения вдоль поверхности земли и плотность тока не изменились, но изменились границы области, в которой наблюдается максимальное напряжение. Это произошло из-за того, что удельное сопротивление покрытия значительно больше удельного сопротивления грунта. Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что заземлители необходимо устанавливать с достаточной глубиной залегания ( чтобы максимальное напряжение на поверхности земли не превышало 150 В – принятая норма для человека). Также необходимо учитывать удельные сопротивления грунта и покрытия в месте установки заземлителя, так как от этих характеристик будет зависеть картина поля. |