Лабораторна робота № 6

Тема: Небезпека замикання на землю в електроустановках

Мета роботи:провести ознайомлення та засвоєння матеріалу з питань системи улаштувань заземлювача та використання його, як системи запобігання ураження працюючого електричним струмом.

Завдання до роботи:

1. Провести модельний розрахунок заземлювача з визначенням його потенціалу.
2. Провести розрахунок зони розтікання струму.
3. Визначити величину напруги дотику.
4. Проаналізувати можливості винекнення напруги кроку та провести її розрахунок.

Теоретичні основи

Замиканням на землю називається випадкове електричне з’єднання частин електроустановки, які знаходяться під напругою, із землею. Таке замикання може відбутися при пошкодженні ізоляції та переході фазної напруги мережі на заземлені корпуси електроустановок, при падінні на землю проводу під напругою та в інших випадках. Струм від заземлених корпусів, що опинилися під напругою переходить у землю через електрод, який здійснює контакт з грунтом. Спеціальний металевий електрод, який для цього використовують прийнято називати заземлювачем. Струм, розтікаючись у грунті створює на його поверхні потенціали. Оскільки заземлювач може мати різні розміри та форму, то закон розподілу потенціалів визначається складною залежністю. Окрім того, електричні властивості грунту неоднорідні, особливо грунту з різними прошарками. Для того, щоб спростити картину розтікання електричного поля приймаємо, що струм стікає в землю через одинарний заземлювач напівсферичної форми, який знаходиться в однорідному ізотопному грунті з питомим опором ρ, котрий значно перевищує питомий опір матеріалу заземлювача (рис. 1). Густина струму δ в точці А на поверхні грунту, що знаходиться на відстані х від заземлювача визначається як відношення струму замикання І_з до площі поверхні півкулі радіусом х:

. (1)

Рис. 1. Розтікання струму в грунті через напівсферичний заземлювач

Для визначення потенціалу точки А виділимо елементарний шар товщиною dx. Падіння напруги в цьому шарі становить . Потенціал точки А дорівнює сумарному падінню напруги від точки А до землі, тобто нескінченно віддаленої точки з нульовим потенціалом:

. (2)

Напруженість електричного поля в точці А визначається із закону Ома, який виразимо наступною формулою:

. (3)

Підставивши це значення, одержимо:

. (4)

З формули (4) видно, що потенціали точок грунту в зоні розтікання змінюються за гіперболічним законом (рис.1).

Зоною розтікання струму називається зона землі, за межами якої електричні потенціали, обумовлені струмом замикання на землю можна умовно прийняти за нуль. Як правило, така зона обмежується об’ємом півсфери радіусом приблизно 20 м.

Людина, що стоїть на землі чи на струмопровідній підлозі в зоні розтікання струму і доторкається при цьому до заземлених струмопровідних частин, опиняється під напругою доторкання. Якщо ж людина стоїть чи проходить через зону розтікання то вона може опинитися під напругою кроку, коли її ноги знаходяться в точках з різними потенціалами.

Напруга доторкання. Для людини, що стоїть на землі і доторкається до заземленого корпусу, що опинився під напругою, визначити напругу доторкання U_дот можна як різницю потенціалів між руками φ_р та ногами φ_н

U_дот = φ_р – φ_н. (5)

Оскільки людина доторкається до заземленого корпуса, то потенціал руки і є потенціалом цього корпуса або напругою замикання:

. (7)

Ноги людини знаходяться в точці А і потенціал ніг дорівнює:

. (8)

Рис. 2. Напруга доторкання до заземлених струмопровідних частин, що опинилися під напругою

На рис. 2 показано три корпуси споживачів (електродвигунів), які приєднані до заземлювача R_з. Потенціали на поверхні грунту при замиканні на корпус будь-якого споживача фазної напруги розподіляються за кривою I. Потенціали усіх корпусів однакові, оскільки вони електрично з’єднанні між собою заземлювальним провідником, падінням напруги в якому можна знехтувати. Для того, щоб визначити напругу доторкання U_дот необхідно від напруги замикання U_з відняти потенціал тої точки грунту, на якій стоїть людина. Якщо людина стоїть над заземлювачем то напруга доторкання дорівнює нулю, оскільки, потенціали рук та ніг однакові і дорівнюють потенціалу корпусів (напрузі замикання). При віддалені від заземлювача напруга доторкання зростає і у людини, що доторкнулась до останнього (третього) корпуса вона стає рівною напрузі замикання, оскільки в цій точці грунту потенціал ніг людини дорівнює нулю. Таким чином, напруга доторкання в межах розтікання струму є часткою напруги замикання і зменшується в міру наближення до заземлювача. В загальному випадку для заземлювачів будь-якої конфігурації

, (9)

де α – коефіцієнт напруги доторкання, який залежить від форми заземлювача і відстані від нього (приймається за таблицею).

Напруга кроку. Людина, яка опиняється в зоні розтікання струму, знаходиться під напругою, якщо її ноги стоять на точках грунту з різними потенціалами. Напругою кроку (кроковою напругою) називається напруга між двома точками електричного кола, що знаходяться одна від одної на відстані кроку (0,8 м) і на яких одночасно стоїть людина. На рис. 3 наведено розподіл потенціалів навколо одиночного заземлювача. Напруга кроку U_к визначається як різниця потенціалів між точками 1 та 2, на яких стоять ноги людини:

U_к = φ₁ – φ₂. (10)

Рис. 3. Напруга кроку

Оскільки точка 1 знаходиться на відстані х від заземлювача, то її потенціал при напівсферичному заземлювачі дорівнює

φ₁ = І_зρ/2πх. (11)

Точка 2 знаходиться на відстані х + а, де а – відстань кроку людини. в такому випадку її потенціал становить

φ₂ = І_зρ/2π(х + а). (12)

Тоді

. (13)

Із формули (13) та рис. 3 видно, що напруга кроку знижується в міру віддалення від точки замикання на землю та при меншій довжині кроку людини. хоча при напрузі кроку струм проходить через тіло людини по шляху „нога – нога”, який є менш небезпечним за інші, однак відомо немало випадків ураження струмом, які спричинені саме кроковою напругою. Важкість ураження зростає із-за судомних скорочень м’язів ніг, що призводить до падіння людини, при цьому струм проходить по шляху „рука – ноги” через життєво важливі органи. Крім того, зріст людини більший за довжину кроку, що обумовлює більшу різницю потенціалів.

У випадку обриву проводу лінії електропередач забороняється наближатися до місця замикання проводу на землю в радіусі 8 м. Виходити із зони розтікання струму необхідно кроками, що не перевищують довжини ступні. Якщо необхідно наблизитися до місця замикання проводу на землю, то для запобігання ураження кроковою напругою необхідно вдягнути діелектричні калоші чи боти.