Напряжение прикосновения и шаговое напряжение.

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 26Следующая ⇒

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей, который называется заземлителем или электродом. При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения j_з (В), равного произведению тока, стекающего в землю I_з (А), на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути R_з (Ом):

. (1)

Однако при этом возникают и отрицательные явления, а именно появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю, что может представлять опасность для жизни человека.

Характер распределения потенциала на поверхности земли, т. е. изменение значения потенциала при изменениях расстояния до заземлителя, можно оценить, рассмотрев случай стекания тока I_з (А) в землю через наиболее простой заземлитель - полушар радиусом r (м) (рисунок 1).

Для упрощения считаем, что земля во всем своем объеме однородна, т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением r (Ом×м). В этом случае ток в земле будет растекаться во все стороны по радиусам полушара и плотность его в земле на расстоянии х от центра полушара (заземлителя) будет (А/м²) d = I_з/2px². В объеме земли, где проходит ток,

Рисунок 1 - Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полупроводникового заземлителя

возникает так называемое «поле растекания тока». Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в реальных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается настолько большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, и поле растекания можно считать распространяющимся лишь на расстояние 20 м от заземлителя. При постоянном токе, а также при переменном с частотой 50 Гц поле растекания тока в проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное электрическое поле, напряженность которого Е (В/м) связана с плотностью тока d (А/мм²) соотношением , являющимся законом Ома в дифференциальной форме. На основании этого легко определить потенциал любой точки на поверхности земли, например точки А, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии х (см. рис. 1). Он равен падению напряжения в грунте на участке х до бесконечности, т. е. , где dU — падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx; это падение напряжения составляет . Тогда потенциал точки А будет

. (2)

Минимальный потенциал, т. е. j = 0, будет иметь точка, лежащая в бесконечности, т. е. при х = ¥. Практически область нулевого потенциала на поверхности земли начинается обычно на расстоянии 20 м от заземлителя.

Максимальный потенциал будет при наименьшем значении х, т. е. непосредственно на заземлителе (х = r):

j_з = I_зr/(2pr). (3)

Решив совместно уравнения (2) и (3) получим j = j_зr/х. Заменив произведение постоянных j_зr на к, получим уравнение равносторонней гиперболы j = к/х. Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения j_з до нуля по мере удаления от заземлителя (см. рис. 1).

Для вертикального стержневого заземлителя уравнение потенциальной кривой имеет вид

, (4)

где l - длина заземлителя, м.

Максимальный потенциал, т. е. потенциал стержневого заземлителя, будет при наименьшем значении х, т. е. при х = 0,5 d:

, (5)

где d - диаметр заземлителя, м.

Сопротивление заземлителя растеканию тока. Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением растекания. Оно имеет три слагаемых: сопротивление самого заземлителя, переходное сопротивление между заземлителем и грунтом, а также сопротивление грунта. Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому ими пренебрегают и под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.

Сопротивление растеканию любого заземлителя R_з (Ом) определяют по выражению (1) как частное от деления потенциала заземлителя j_з (В) на ток I_з (А), протекающий в землю через заземлитель. Так, сопротивление растекания одиночного полушарового заземлителя, потенциал которого рассчитывают по выражению (1) и (3), будет R_з = j_з/I_з = r/(2pr).

По условиям безопасности заземление должно обладать относительно малым сопротивлением, поэтому на практике применяют, как правило, групповой заземлитель, т. е. заземлитель, состоящий из нескольких соединенных параллельно одиночных заземлителей (электродов).

При больших расстояниях между электродами (более 40 м) ток каждого электрода проходит по «своему» отдельному участку земли, в котором токи других заземлителей не проходят. В этом случае потенциальные кривые, возникающие вокруг каждого одиночного заземлителя, взаимно не пересекаются. При одинаковых размерах, а следовательно, при одинаковых сопротивлениях одиночных заземлителей R_о сопротивление группового заземлителя R_гр будет R_гр = R_o/n, где n - число одиночных заземлителей.

При малых расстояниях между электродами (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют непрерывную суммарную потенциальную кривую (рисунок 2). Создается эффект выравнивания потенциала, в результате поверхность земли на участках между электродами приобретает некоторый потенциал. При этом форма суммарной потенциальной кривой зависит от расстояния между электродами, их взаимного расположения, числа, формы и размеров.

Напряжение прикосновения U_пр(В) есть напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или, иначе говоря, падение напряжения в сопротивлении тела человека R_h (Ом): U_пр = I_hR_h, где I_h - ток, проходящий через тело человека по пути рука - ноги, А. В устройствах защитных заземлений, зануления и т. п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя j_з, а другая - потенциал основания в том месте, где стоит человек j_ос.

В этом случае напряжение прикосновения будет

U_пр = j_з — j_ос = j_з (1 — j_ос/j_з) или U_пр = j_з a,

Рисунок 2 - Потенциальная кривая группового заземлителя и поле растекания тока при расстоянии между электродами S < 40 м

где a - коэффициент напряжения прикосновения или просто коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой a = (1 - j_ос/j_з) £ 1. Рассмотрим напряжение прикосновения при одиночном заземлителе. Например, мы имеем оборудование - электродвигатели, корпуса которых заземлены с помощью одиночного заземлителя (рисунок 3).

При замыкании фазы на корпус одного из этих двигателей на заземлителе и всех присоединенных к нему металлических частях, в том числе на корпусах двигателей, появится потенциал j_з. Поверхность земли вокруг заземлителя также будет иметь потенциал, изменяющийся по кривой, зависящей от формы заземлителя.

Рисунок 3 - Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе: I - потенциальная кривая; II - кривая, характеризующая изменение напряжения прикосновения U_пр при изменении расстояния от заземлителя х.

Напряжение прикосновения характеризуется отрезком АВ и зависит от формы потенциальной кривой и расстояния х между человеком, прикасающимся к заземленному оборудованию, и заземлителем: чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U_пр, и наоборот.

Так, при расстоянии х = ¥, а практически при х = 20 м (точка 1 на рис. 3) напряжение прикосновения имеет наибольшее значение: U_пр =j_з; при этом a = 1. Это наиболее опасный случай прикосновения. При наименьшем значении х, когда человек стоит непосредственно на заземлителе (точка 2 на рис. 3), U_пр = 0 и a = 0. Это безопасный случай - человек не подвергается воздействию напряжения, хотя и находится под потенциалом j_з. При других значениях х в пределах 0-20 м (точка 3 рисунок 3) U_пр плавно возрастает от 0 до j_з, а a от 0 до 1.

Рисунок 4 - Напряжение шага при одиночном заземлителе.

Напряжение шага U_ш (B) есть напряжение между двумя точками в поле растекания тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. При этом длина шага а принимается равной 0,8 м. Таким образом,

U_ш = j_х – j_{х + а,} 6)

где j_х и j_{х + а} - потенциалы точек, на которых стоит человек.

Напряжение шага представляет собой также падение напряжения в сопротивлении тела человека R_h (Ом):

U_ш =I_hR_h, где I_h- ток, проходящий через человека по пути нога - нога, А.

Поскольку j_х и j_{х + а} являются частями потенциала заземлителя j_з, разность их также есть часть этого потенциала, поэтому выражение (4) можно записать так: U_ш = j_зb, где b - коэффициент напряжения шага или просто коэффициент шага, учитывающий форму потенциальной кривой b = (j_х – j_{х +}_a)/j_з < 1.

Напряжение шага при одиночном заземлителе определяется отрезком АВ (рисунок 4), длина которого зависит от формы потенциальной кривой, т. е. от типа заземлителя, и изменяется от некоторого максимального значения до нуля с изменением расстояния от заземлителя. Максимальные значения U_ш и b будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, т. е. когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой - на расстоянии шага от него.

Наименьшие значения U_ш и b будут при бесконечно большом удалении от заземлителя, а практически за пределами поля растекания тока, т. е. дальше 20 м. В этом месте U_ш » 0 и b » 0.

При полушаровом заземлителе радиусом r ( рисунок 4) напряжение шага U_ш = j_з r/х - j_з r/(х + а) = j_з rа/х (х + а), а коэффициент шага b = rа/х (х + а), здесь х - расстояние от центра заземлителя, м.

При х = ¥ (практически при х ³ 20 м) U_ш = 0 и b = 0. Этот результат получим и вблизи заземлителя, если а = 0, т. е. ступни ног человека находятся рядом одна с другой или на одной эквипотенциальной линии, а следовательно, на одинаковом расстоянии от заземлителя (точки с и d на рисунке 4). При наименьшем значении х (при х = r) получим максимальные значения U_ш и b: U_ш = j_за/(х + а) и b = а/(r + а).

При групповом заземлителе в пределах площади, на которой размещены электроды, напряжение шага имеет меньшее значение, чем при одиночном заземлителе, но также изменяется от некоторого максимального значения до нуля при удалении от электродов. Максимальное напряжение шага будет, как и при одиночном заземлителе, в начале потенциальной кривой, т. е. когда одна точка лежит на электроде, а другая — на расстоянии шага от него. Минимальное напряжение шага соответствует случаю, если человек стоит на «точках» с одинаковыми потенциалами, в этом случае U_ш = 0.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 501; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!