Лабораторная работа 4 исследование напряжений прикосновения и шага

Цель работы – исследовать параметры напряжения прикосновения и напряжения шага в зоне растекания тока замыкания на землю и определить опасные зоны.

Теоретические положения

Рассмотрим распределение потенциала вдоль поверхности грунта на примере простейшего заземлителя полусферической формы (рис. 1).

Рис. 1. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Примем, что земля однородна и ток растекается равномерно и симметрично. При постоянном токе и токе промышленной частоты 50 Гц поле растекания тока можно считать стационарным.

Для этого случая применим закон Ома в дифференциальной форме: , гдеЕ – напряженность электрического поля растекания тока в грунте с удельным сопротивлением ρ.

Плотность тока δ в земле на расстоянии χ от центра полушара определяется как отношение тока замыкания I₃ к площади поверхности полусферы 2πх²: .

Для определения потенциала поверхности с радиусомх выделим элементарный слой толщиной dx. Падение напряжения в этом слое - . Отсюда

.

Максимальное значение потенциала будет при х = r:

.

Минимальное значение потенциала φ_х=0 будет иметь точка х = ∞.

Как следует из приведенных выше выражений потенциал вдоль поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону двухсторонней гиперболы:

. (1)

В реальных условиях уже при расстоянии от заземлителя x ≥ 20 метров плотность тока в грунте мала за счет большой поверхности стекания тока и можно считать – = 0.

Напряжением прикосновения U_пр называется разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, которых одновременно касается человек. Для человека, который стоит за земле и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса (рис. 2) напряжение прикосновения определяется разностью между потенциалом корпуса (заземлителя) φ_з, которого касается рука человека и потенциалом точки поверхности земли φ_х, на которой находятся ноги человека.

(2)

где - коэффициент напряжения прикосновения.

Таким образом, напряжение прикосновения зависит от тока замыкания в землю I_з, удельного электрического сопротивления грунта, геометрии заземляющего устройства и расстояния х человека от места замыкания (заземлителя).

Чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U_пр и наоборот. Так, при х≥20 м (случай 1 на рис. 2) потенциал основания φ_х ≈ 0 и U_пр=φ_з, а коэффициент α=1. Это наиболее опасный случай прикосновения.

При наименьшем значении х, т.е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 2 на рис. 2) и коэффициент напряжения прикосновения α = 0. Это безопасный случай.

Рис. 2. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе: I – потенциальная кривая; II – кривая, характеризующая изменение напряжения прикосновения U_пр при изменении расстояния от заземлителя х

При нахождении человека на грунте вблизи заземлителя или провода, с которого стекает ток I_з (рис. 3), он оказывается в поле растекания тока и попадает под напряжение шага.

Напряжение шага – это разность потенциалов между двумя точками цепи тока замыкания, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

, (3)

где - коэффициент напряжения шага (0≤β≤1).

Наибольшие значения U_ш и β будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой – на расстоянии шага а от него (случай 1 рис. 3).

Наименьшие значения U_ш и β будут за пределами поля растекания тока при х ≥ 20 м (случай 3 рис. 3).

Напряжения прикосновения и шага определяют падение напряжения в теле человека – I_h R_h.

Рис. 3. Напряжение шага при одиночном заземлителе

Применяемые приборы и оборудование

Работа проводится на моделирующем стенде, на котором приведена электрическая схема.

Измерение исследуемого напряжения проводится цифровым вольтметром.

Порядок проведения эксперимента

Задание 1.

A. Замерить распределение потенциала вдоль поверхности земли.

1. Включить стенд.

2. По указанию преподавателя замкнуть одну из фаз(А, В, С), для чего фазу(А, В, С) соединить с точкой "а". Затем с помощью вольтметра замерить распределение потенциала вдоль поверхности земли, для чего один из проводов вольтметра включить в точку 4 (20 метров), а другой провод включить последовательно в точки (0,6 м; 2 м; 6 м; 8 м; 12 м; 16; 20 м).

Б. По полученным данным построить зависимость распределения потециала вдоль поверхности земли. Определить по формуле (1) потенциал заземлителя ₃, если x = 0,6 м; значение (_осн взять на расстоянии 2 м). Нанести данную точку на построенную зависимость  = f(x).

Задание 2.

f-^ тт" - г

А. Рассчитать зависимость коэффициента напряжения шага  от расстояния.

Б. По формуле (3) и данным п.1 определить напряжение шага в точках (0,6 м; 2 м; 4 м; 6 м; 8 м; 12 м; 16 м; 20 м). Расстояние а = 0,7 м. Построить зависимость U_ш от расстояния до точки замыкания.

Проанализировать зависимости U_ш = f (x),  = f (x).

В. По данным пункта 2-Б рассчитать ток, протекающий через человека в точках (0,6; 2; 4; 6; 8; 12; 16; 20 м ), приняв R_h=1000 Ом.

Сделать вывод: в какой точке человек может самостоятельно освободиться от действия тока и построить зависимость I_h= f (x).

Задание 3.

А. Рассчитать графически (или по формуле 4.2) напряжение прикосновения, построить полученную кривую U_np = f (x).

Б. Рассчитать зависимость коэффициента напряжения прикосновения  от расстояния.

В. Проанализировать зависимости U_np = f (x); =f (x).

Г. Определить ток, протекающий через человека, в зависимости от расстояния, приняв сопротивление человека равным R_h = 1000 Ом.

Сделать вывод и построить зависимость I_h= f (x).