Исследование напряжения шага. Методические указания к лабораторной работе

Исследование напряжения шага

 

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»

 

 

Ухта 2001

УДК 658.382.3:621.3.

С 65

 

Сорокин Н.А.. Тропников Г.М. Исследование напряжения Методические указания, г. Ухта: УГТУ 2001-13 с., ил. Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей.

 

 

В методических указаниях с помощью лабораторного стенда, исследуется опасность поражения током под воздействием напряжения шага вследствие повреждения изоляции на воздушных линиях электропередач напряжением 6 кВ и 35 кВ и анализируется эффективность средств защиты. Содержание указаний соответствует рабочим учебным программам.

 

 

Рецензент - Голубев Е.Б., доцент кафедры ЭАТП. Редактор Гуревич А. А.

 

 

В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.

 

Объем 13 с. Тираж 25 экз.

 

© Ухтинский государственный технический университет, 2001

169300, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ 169300, ул. Октябрьская, 13.

 

Цель работы: исследование опасности поражения электрическим током под воздействием напряжения шага вследствие повреждения изоляции на воздушных линиях электропередач и анализ эффективности средств защиты.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Растекание тока при замыкании на землю

Замыкание на землю - случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или непосредственно с землей. Замыкание на землю может произойти вследствие появления контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом или конструктивными частями оборудования, при падении на землю оборванного провода, при пробое изоляции оборудования высокого напряжения и т.п.

Ток замыкания на землю - ток, стекающий в землю через место замыкания. Стекание тока в землю происходит только через проводник (заземлитель), находящийся с нею в непосредственном контакте. Размеры заземлителя могут быть различными (от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров), а форма может быть очень сложной.

Зона растекания тока замыкания на землю - зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю. Теоретически зона растекания тока простирается до бесконечности. Однако в реальных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, через которое проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю.

Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе, в земле вокруг заземлителя, а, следовательно, и на поверхности земли некоторых потенциалов. Значения потенциалов, их разностей и характер изменений, а, следовательно, и обусловленная ими опасность поражения человека током зависят от многих факторов: значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения заземлителей, удельного сопротивления земли и др.

При стекании тока в однородную во всем своем объеме, т.е. обладающую одинаковым удельным сопротивлением, землю через одиночный полушаровой (шаровой на поверхности земли заглубленный так, что его центр находится на уровне земли) заземлитель линии тока вблизи него направлены по радиусам от центра полусферы. При этом линии тока перпендикулярны как к поверхности самого заземлителя, так и к любой полусфере в земле, концентричной с ним, а ток распределяется по этой поверхности равномерно. Плотность тока

, А/м² (1)

где - ток замыкания на землю, А;

х - расстояние от центра заземлителя, м.

Эта поверхность является эквипотенциальной, линии которой на поверхности земли представляют собой концентрические окружности, центром которых является центр заземлителя.

Поле растекания тока в проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное электрическое поле, напряженность которого в дифференциальной форме по закону Ома

 

, В/м, (2)

 

где - удельное сопротивление земли, Ом м.

Удельное сопротивление земли меняется в широких пределах и зависит от многих факторов, в том числе от рода земли, её влажности, дисперсности, а также времени года.

Линии напряженности электрического поля совпадают с линиями плотности тока.

Напряженность электрического поля равна также падению напряжения, отнесенного к единице длины линии напряженности поля, т.е. на единице пути, совпадающего с линией напряженности поля. В данном случае

 

, В/м (3)

 

где dU - падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx.

Напряжение относительно земли, т.е. потенциал, - напряжение относительно точки земли, находящейся вне зоны расте­кания тока замыкания на землю.

Потенциал любой точки на поверхности земли равен суммарному падению напряжения в земле на участке от х до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом

 

,В (4)

 

Решив этот интеграл, получим

 

, В (5)

Если учесть, что

(6)

 

то

 

(7)

 

Это выражение является уравнением равносторонней гиперболы, значит, потенциалы точек земли в поле растекания изменяются по гиперболическому закону. Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника-земли, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя.

Потенциал заземлителя при х равном радиусу заземлителя

 

, В (8)

 

где r - радиус заземлителя, м.

Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения до нуля по мере удаления от заземлителя.

Разделив (5) на (8), получим

, В (9)

 

 

Напряжение шага

 

В области защитных устройств от поражения током интерес представляют в первую очередь напряжения между точками на поверхности земли в зоне растекания тока с заземлителя.

Напряжение шага - напряжение между двумя точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю, при одновременно касании их ногами человека

 

В (10)

где - потенциал на поверхности земли в зоне растекания тока на расстоянии (х+a)от заземлителя, В. Длина шага а принимается равной 0,8 м.

- коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой:

 

(11)

 

Коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, зависит от формы и конфигурации заземлителя положения относительно заземлителя точки, в которой он определяется.

При одиночном полушаровом заземлителе

 

(12)

 

, B (13)

 

Напряжение шага зависит от формы потенциальной кривой, т.е. от типа заземлителя, и изменяется от некоторого максимального значения до нуля с изменением расстояния от заземлителя.

Наибольшие значения () и будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой на расстоянии шага от него.

При x=∞ (практически при x≥20 м) =0 и =0 же результат получим и вблизи заземлителя, если а=0, те. Когда ступни ног человека находятся рядом или на одной эквипотенциальной линии, а следовательно, на одинаковом расстоянии от заземлителя.

При наименьшем значении x = r, т.е. когда человек одной ногой стоит на заземлителе, а другой - на расстоянии (r+a) от его центра

 

(14)

 

, B (15)

 

Напряжение шага - это падение напряжения в сопротивлении тела человека и основания, на котором он стоит (земля, пол и т.п.), вернее тех его участков, с которыми имеют контакт подошвы ног человека (сопротивление обуви, носков и т.п. в данном случае не учитывается).

Таким образом, разность потенциалов между двумя точками, на которых стоит человек, делится между сопротивлений тела человека и последовательно соединенным с ним сопротивлением растеканию основания, на котором он стоит

 

, В (16)

 

где - ток, протекающий через тело человека по пути нога-нога, А;

- сопротивление тела человека, Ом.

Сопротивление тела человека изменяется в широких пределах (от 400 до 100000 Ом) в зависимости от состояния кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), плотности контакта, площади контакта, тока, протекающего через тело человека, и напряжения прикосновения, а также от времени воздействия тока на человека.

Сопротивление основания в действительных условиях в ряде случаев бывает довольно высоким. В данном случае сопротивление основания складывается из двух последовательно сое­диненных сопротивлений растеканию ног человека

 

R_осн =2 R_h, Ом (17)

 

где R_h - сопротивление растеканию ноги человека, Ом.

Ток, протекающий через тело человека

 

, А (18)

где U_ш - напряжение шага, В.

Следовательно,

, В (19)

Откуда

, В (20)

 

Или

 

, В (21)

 

где - коэффициент напряжения шага, учитывающий падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек:

 

(22)

 

Подошвы обуви человека, создающие контакт с основанием можно уподобить дисковому заземлителю, лежащему на поверхности земли. Если площадь подошвы одной ноги принят равной 0,0225 м², то диаметр d эквивалентного ей диска буде равен 0,17 м, а сопротивление растеканию тока составит

 

(23)

 

C учетом этого

 

(24)

 

 

(25)

 

После сокращения в окончательном виде

 

(26)

 

 

Защитная мера

 

Для защиты людей от поражения электрическим током при замыкании фазы воздушной линии электропередачи (ВЛ) на металлическую опору вследствие повреждении изоляции применяется выравнивание потенциалов, для чего металлические опори на ВЛ напряжением 3-35 кВ должны быть заземлены. Сопротивление заземляющих устройств опор при удельном эквивалентном сопротивлении земли ρ = 100...500 Ом должно быть не более 15 Ом /1/.

В установках вше 1 кВ при выполнении заземляющего устройства с соблюдением требований, предъявляемым к его сопротивлению, размещение электродов должно обеспечить возможно более полное выравнивание потенциалов.

С этой целью заземлитель должен быть выполнен в виде горизонтальной сетки из продольных и поперечных проводников, уложенных в землю на глубине 0,5-0,7 м и вертикальных электродов.

Расстояние между ними рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки. При этом первое и последующие расстояния, начиная от периферии, не должны превышать соответственно 4; 5; 6; 7,5; 9;11;13,5;16 и 20 м.

Заземлители располагают по контуру вокруг заземлённого оборудования. Поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал, Вследствие этого разности потенциалов между точками, находящимися внутри контура, снижена и коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, намного меньше единицы и меньше максимально возможного значения.

Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура.

Чтобы уменьшить напряжение шага за пределами контура, вдоль проходов и проездов в землю закладывают специальные шины.

В качестве искусственных заземлителей применяют стальные стержни из угловой стали 60x60 мм (или близкой по размеру), а также из стальных шин сечением не менее 100 мм². Стержни длиной 2,5-3 м погружают (забивают) в землю вертикально в специально подготовленный вокруг защищаемой территории траншее. Вертикальные заземлители соединяют стальной шиной, которую приваривают к каждому заземлителю.

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Изучить методические указания и получить у преподавателя допуск к выполнению работы.

С помощью стенда анализируется опасность поражения человека электрическим током под воздействием напряжения шага вследствие повреждения изоляция на воздушной линии электропередачи напряжением 6 кВ и 35 кВ и оценивается эффективность заземления металлической опоры ВЛ.

На мнемопанели (верхней вертикальной части) стенда наглядно демонстрируются (высвечиваются): стекание тока в землю через металлическую опору ВЛ; человек, находящийся на различном расстоянии от места замыкания; шкала потенциалов точек на поверхности земли; кривые распределения потенциалов земли в зоне растекания тока замыкания; величина напряжения ВЛ; схематическое изображение заземляющего контура для выравнивания напряжения шага; сигнал "ОПАСНО".

На средней панели стенда расположены приборы измерения: амперметр А, верхняя шкала которого служит для измерения тока замыкания на землю I_кз, а средняя и нижняя - для измерения тока, протекающего через тело человека, I_чел соответственно при напряжении ВЛ 35 кВ и 6 кВ; вольтметр U - для измерения напряжения шага при напряжении ВЛ 35 кВ (верхняя шкала) и 6 кВ (нижняя шкала).

На нижней панели стенда находятся: тумблер включения стенда «СЕТЬ»; переключатель измерения тока, протекающего через тело человека, I_чел или тока замыкания на землю I_кз; переключатель расстояния, на котором находится человек от места замыкания И_ш; переключатель наличия заземляющего устройства металлической опоры ВЛ и величины его сопротивления "ЗАЩИТА"; переключатель величины напряжения ВЛ 6 кВ или 35 кВ; кнопка "ПРОБОЙ", с помощью которой имитируется замыкание фазы ВЛ на металлическую опору вследствие повреждения изоляции.