ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
При контакте проводника электрической сети с землёй или корпусом электроустановки, имеющей связь с землёй, возможно стекание тока в землю. Так как протекание тока возможно только в замкнутой электрической цепи, то стекание и, следовательно, протекание тока в земле будет иметь место только в том случае, если земля будет представлять собой участок замкнутой электрической цепи. Другими словами, если в какой-либо точке ток стекает в землю, то обязательно есть и другая точка, из которой ток вытекает из земли. Например, в сетях с изолированной нейтралью при контакте фазы А с землёй (рис. 1) протекание тока через землю возможно только в том случае, если имеется контакт с землёй и фазы В (или С). В этом случае образуется замкнутая электрическая, цепь: фаза А, земля, фаза В.
Замкнутая электрическая цепь может иметь место и в том случае, когда явного контакта фазы В (или С) с землёй нет, но сопротивление между землёй и фазой В (или С) не равно бесконечности. В сетях с глухозаземлённой нейтралью (рис. 2) при замыкании фазы на землю всегда образуется замкнутая электрическая цепь.
Контакт проводника электрической сети или корпуса электроустановки с землёй может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник или группа проводников, находящихся в контакте с землёй, называется заземлителем, а преднамеренное соединение корпуса электроустановки с заземлителем - заземлением.
Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, которое называется сопротивлением растеканию тока заземлителя или просто сопротивлением растеканию. Обратимся к рис. 2, на котором показано замыкание на землю в точке М фазы А сети с глухозаземлённой нейтралью. В точке К нейтраль источника тока соединена с заземлителем. Будем считать, что точки М и К удалены друг от друга на достаточно большое расстояние. Поскольку земля представляет собой участок замкнутой цепи, то через землю и фазу А потечёт ток I, величина которого будет определяться соотношением:
|
|
I =, (1)
где Uф— фазное напряжение;
RMK - сопротивление земли между точками М и К. Сопротивление фазного и заземляющего проводников несравнимо мало по сравнению с сопротивлением RMK, поэтому им мы пренебрегаем. Определим сопротивление RМK. Выделим на расстоянии х от точки стекания тока М полусферический слой земли толщиной dx. Электрическое сопротивление dRМ этого слоя земли будет прямо пропорционально толщине dx, удельному сопротивлению грунта ρ и обратно пропорционально площади слоя S=2πx2:
dRM = ρ, (2)
Из этой формулы видно, что электрическое сопротивление слоя земли одной и той же толщины тем меньше, чем дальше он расположен от точки стекания тока. Очевидно, что при одном и том же значении dx всегда можно взять такое х, при котором сопротивление dR n слоя земли станет пренебрежимо мало по сравнению со слоем земли, взятым в. непосредственной близости от точки стекания тока.
Например, сопротивление слоя земли толщиной 0,6 м и ρ=100 Ом·м на расстоянии 1 м равно 100 Ом, а на расстоянии 10 м равно 0,1 Ом.
Практически установлено, что, начиная с расстояния в 20 м от точки стекания тока, земля не оказывает существенного сопротивления растеканию тока, и эта зона называется зоной нулевого потенциала.
|
|
Из изложенного следует, что при любом расстоянии между точками М и К (сотни метров или сотни километров) сопротивление земли между этими точками будет одинаковым и определится сопротивлениями растеканию тока в зонах М и К растекания тока, т.е.
RMK = RM + RK, (3)
где RM и RK - сопротивления растеканию тока при стекании его в точках М и К.
Определим эти сопротивления. Раньше была выведена формула (2), позволяющая определить сопротивление небольшого сферического слоя земли. Определим теперь полное сопротивление от точки касания проводника с землёй до зоны нулевого потенциала, теоретически до х = ∞.
Будем полагать, что проводник касается не одной точкой, а некоторой полусферической поверхностью, радиус которой равен r. Интегрируя (2) от r до ∞, получим полное сопротивление растеканию тока:
RM = = ρ·. (4)
Из (4) видно, что сопротивление растеканию тока тем меньше, чем больше площадь контакта проводника с землёй (т.к. чем больше r, тем больше площадь контакта).
При устройстве искусственных заземлителей с целью уменьшения сопротивления растеканию тока с заземлителя стараются увеличить площадь соприкосновения металлических проводников с землёй путём увеличения их числа, закапывая их на большую глубину, где грунт более влажный и, следовательно, удельное сопротитвление меньше.
Определим радиус r полусферического заземлителя, обеспечивающего сопротивление растеканию тока, равное 4 Ом, при ρ = 100 Ом·м. Из (4) получим:
r = ρ· = · ≈ 4 м.
Из этого примера видно, что для обеспечения требуемого сопротивления нужен полусферический заземлитель огромной величины. На практике, разумеется, используются не полусферические, а любые металлические проводники: полосы, стержни. Формулы для расчёта таких заземлений усложняются, но суть остаётся та же.
|
|
Перейдём теперь к оценке опасностей, связанных со стеканием тока в землю. Поставим такую задачу: можно ли определить потенциал (напряжение) точки М относительно земли? Точка М уже лежит на земле.
Можно, потому что, когда говорят о потенциале какой-либо точки (на земле, корпусе, фазном проводе и т.п.) относительно земли, то имеют в виду потенциал относительно зоны нулевого потенциала. Потенциал UM точки М относительно земли на сопротивлении растеканию тока в точке М, т.е. на сопротивлении слоя земли, ограниченного полусферой х=r и зоной нулевого потенциала, определяется:
UM = I· RM. (5)
Этот потенциал может быть замерен вольтметром. Для этого один вывод вольтметра необходимо подсоединить к точке М, а другой – поместить в зону нулевого потенциала. Аналогичным образом можно замерить потенциал любой точки, например, точки Д (рис. 2). Если какой-то корпус оборудования имеет металлическую связь с точкой Д, например, за счёт каких-либо металлических конструкций, то этот корпус находится в любом изолированном от земли месте, в том числе в зоне нулевого потенциала.
В этом случае мы имеем дело с выносом потенциала, представляющим в некоторых случаях серьёзную опасность. Например, если потенциал точки Д велик, то человек, находящийся в зоне нулевого потенциала и работающий на станке, имеющим связь с точкой Д, может быть поражён электрическим током. Вынос потенциала из зоны растекания тока в зону нулевого потенциала может происходить по различным металлическим конструкциям (трубопроводам, железнодорожным рельсам и т. д.).
Потенциал любой точки относительно земли, например, точки Д, можно определить аналитически. Действительно, если через землю течёт ток I, потенциал UД точки Д есть падение напряжения на участке земли, ограниченном полусферой с радиусом х = 1 (расстояние от точки Д до точки стекания – точка М) и х = ∞, то есть зоной нулевого потенциала.
Таким образом,
UД = I· RД, (6)
где I - ток, протекающий по земле;
RД - сопротивление слоя земли, ограниченного полусферой х = 1 и
х = ∞.
Для определения RД необходимо проинтегрировать r от х = 1 до x = ∞,
в результате чего будем иметь:
RД = ρ·. (7)
Подставляя (7) в (6), получим:
UД = I· ρ·. (8)
Задаваясь различными значениями l, можно построить график распределения потенциала в зоне растекания тока (рис. 3). Чем ближе к точке стекания тока, т. е., чем меньше l, тем больше UД. Максимальное его значение будет при l = r, когда UД = UM. При l = 20-30 м, UД = 0.
 |
Из графика, приведённого на рис. 3, и из (8) видно, что в зоне растекания тока различные точки, например С и Д (рис. 2, 3), имеют различные потенциалы. Это обстоятельство является неблагоприятным, так как представляет потенциальную опасность поражения током человека Критерием опасности служит так называемое шаговое напряжение - напряжение (разность потенциалов) между двумя точками земли, расстояние между которыми равно длине шага (0,7 м). Чем ближе к точке стекания тока, тем больше шаговое напряжение.
Изложенное выше может быть использовано на практике, например, для определения сопротивления растеканию реального заземлителя или при определении удельного сопротивления грунта.
Действительно, пусть имеется заземлитель М, сопротивление растеканию тока RM, которое неизвестно. Как его определить? Необходимо собрать электрическую схему, аналогичную той, которая приведена на рис. 2. Основная задача - пропустить через требуемый заземлитель ток I и определить потенциал UM этого заземлителя. Тогда согласно (5) искомое сопротивление будет найдено по формуле:
RM =. (9)
Такой способ определения сопротивления растеканию заземлителя используется на практике и называется способом амперметра-вольтметра.
Если нам известна величина RM и конструкция заземлителя, то можно определить и удельное сопротивление земли ρ. Например, если заземлитель полусферический, то р можно определить из (4):
ρ = 2πr·RM (10)
Если конструкция заземлителя нам неизвестна или она очень сложная, то для определения р можно воспользоваться (8):
ρ = 2π·. (11)
Для определения ρ по (11) необходимо, как и при определении RM, найти ток I, проходящий через заземлитель, напряжение UД какой-либо точки земли и расстояние l от этой точки до точки стекания тока в землю.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Описание лабораторного стенда
Экспериментальная часть работы проводится на специальном стенде, позволяющем моделировать условия растекания тока в земле. Электрическая схема моделирует схему, приведённую на рис. 2. В точке К нейтраль соединена со стационарным заземлителем. Таким образом, мы имеем дело с глухозаземлённой нейтралью.
В точке М происходит замыкание фазы А на землю. Стекание тока с проводника в землю происходит условно с полусферической поверхности радиусом г. Сопротивление растеканию тока в точке М может быть
различным и задаётся переключателем. В нулевом положении переключателя замыкание на землю отсутствует. К стенду прилагаются амперметр и вольтметр.