БЖД-доп_лекцияСМА

Безопасность жизнедеятельности. Лекция № 6 8

Явления при стекании тока в землю. Напряжение прикосновения и шага. Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте (случайном или преднамеренном) с землей. Если контакт с землей осуществлен преднамеренно, то проводник называется заземлителем, или электродом. При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части (вследствие чего снижается опасность поражения током) до значения _з (В), равного произведению тока I_з, стекающего в землю, на сопротивление R_з (Ом), которое этот ток встречает на своем пути от заземлителя к бесконечно удаленной точке, имеющей нулевой потенциал:

_з =I_з * R_з .

Сопротивление R_з называется сопротивлением заземлителя растеканию тока. Оно состоит из трех слагаемых: сопротивления самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом и сопротивления грунта. Две первые части малы по сравнению с третьей, ими пренебрегают, под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока при данной форме заземлителя.

При стекании тока в землю возникают и отрицательные явления: появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю.

Рис 1 Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Характер распределения потенциалов на поверхности земли можно оценить, рассмотрев случай стекания тока Iз (А) в землю через наиболее простой заземлитель – полушар радиусом r (м) (рис.1). Считаем, что земля во всем своем объеме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением  (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 будет равна  (А/м²).

В объеме земли, где проходит ток, 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 столь большим, что плотность тока здесь практически равна 0. Следовательно, поле растекания можно считать существующим лишь на расстоянии до 20 м от заземлителя.

При постоянном токе и 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  соотношением  = Е/, являющимся законом Ома в дифференциальной форме. На основании этого можно определить потенциал любой точки на поверхности земли, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии х м. 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

dU = Edx =   dx = .

Тогда потенциал точки А будет

.

Минимальный потенциал будет иметь точка, теоретически находящаяся в бесконечности. Практически – на расстоянии 20 м от заземлителя.

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

_з = I_з/(2  r).

Подставив значение потенциала заземлителя в выражение для потенциала некоторой точки, получим

 = _з r/х.

Заменив произведение постоянных _зr на к, получим уравнение равносторонней гиперболы  = к/х.

Напряжение прикосновения Uпр (В). Это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, т.е. падение напряжения в сопротивлении тела человека R_h (Ом). Uпр = R_h I_h, где I_h – ток, проходящий через тело человека по пути рука – ноги, А.

В устройствах защитных заземлений, занулений и т.п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя _з , а другая – потенциал основания в том месте, где стоит человек _ос. В этом случае напряжение прикосновения будет

Uпр = _з - _ос = _з (1 - _ос/_з ) = _з , где  - коэффициент прикосновения.

Пусть корпуса электродвигателей заземлены с помощью одиночного заземлителя (рис.2). 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 з. Поверхность земли вокруг заземлителя также будет иметь потенциал, изменяющийся по кривой, зависящей от формы заземлителя.

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

Напряжение прикосновения характеризуется отрезком АВ и зависит от формы потенциальной кривой и расстояния х между человекам, прикасающимся к заземленному оборудованию, и заземлителем: чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше Uпр, и наоборот. Так, при расстоянии х= напряжение прикосновения имеет наибольшее значение Uпр=з, альфа = 1. Это наиболее опасный случай прикосновения. При х=min человек не подвергается воздействию напряжения, хотя и находится под потенциалом _з .

Напряжение шага Uш (В) – напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. При этом длина шага а принимается равной 1 м.

Uш = _х - _х+а.

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

U_ш = R_h I_h, где ток проходит через человека по пути нога-нога.

Uш=_з , где  - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Напряжение шага при одиночном заземлителе (рис.3) определяется отрезком АВ, длина которого зависит от типа заземлителя. Максимальными значения Uш и  будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, т.е. когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой – на расстоянии шага о него. Наименьшими эти значения будут при бесконечно большом удалении от заземлителя.

Рис 3 Напряжение шага при одиночном заземлителе

Средства и способы защиты от поражения электрическим током

Для обеспечения защиты от поражения электрическим током в электроустановках должны применяться технические способы и средства защиты.

1. Изоляция токоведущих частей и проводов

2. Обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряже­ни­ем, для случайного прикосновения (применение ограждений, размещение на высоте).

3. Использование малых напряжений (в помещениях с повышенной опасностью поражения током и в особо опасных помещениях).

4. Защитное заземление (рис. 4) – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения людей электрическим током при замыкании на корпус. Принцип действия – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования. Применяется в трехфазных трехпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Рис. 4 Принципиальная схема заземления

1 - заземляемое оборудование; 2 - заземлитель защитного заземления; R_З – сопротивление растеканию тока защитного заземления.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ), сопротивление защитного заземления в любое время года не должно превышать следующих нормируемых значений:

4 Ом – в установках напряжением до 1000 В;

10 Ом – в установках напряжением до 1000 В, если мощность источника тока 100 кВА и менее;

0,5 Ом – в установках напряжением выше 1000 В при больших токах замыкания на землю.

Как было показано ранее, сопротивление растеканию тока одиночного полушарового заземлителя равно

Rз = /(2  r).

Для вертикального стержневого заземлителя уравнение потенциальной кривой имеет вид

_з = I_з/(2  l) ln ,

где l – длина заземлителя, м.

Таким образом, сопротивление одиночного заземлителя R_з зависит от удельного сопротивления грунта и геометрических параметров заземлителя и вследствие этого не всегда удовлетворяет условию безопасности

R_з< R_н,

поэтому на практике применяют, как правило, групповой заземлитель, т.е. заземлитель, состоящий из n параллельно включенных одиночных электродов (рис. 5).

Рис 5 Потенциальная кривая группового заземлителя и поле растекания тока при расстоянии между электродами S < 40 м

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 (сопротивлениях) сопротивление группового заземлителя Rгр будет равно Rгр = R0/n.

При малых расстояниях между электродами (менее 40 м) поля растекания токов накладываются друг на друга, а потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют суммарную потенциальную кривую. В этом случае на общих участках земли, по которым проходят токи нескольких электродов, увеличивается плотность тока, что приводит к увеличению сопротивления растеканию заземлителей. Поэтому сопротивление группового заземлителя Rгр выражается зависимостью Rгр = R0/n, где  - коэффициент, характеризующий уменьшение проводимости заземлителей и называемый коэффициентом использования группового заземлителя (к-том экранирования).

Типы заземляющих устройств

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. Различают два типа заземляющих устройств: выносное (сосредоточенное) и контурное (распределенное). Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Недостаток – отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего коэффициент прикосновения, вследствие чего коэффициент прикосновения  = 1 и напряжение прикосновения равно потенциалу заземленных конструкций з (В).

U_пр = I_зR_з= _з, где I_з – сила тока замыкания на землю, А; R_з – сопротивление заземляющего устройства, Ом.

Поэтому данный тип заземляющего устройства применяют лишь при малых значениях тока замыкания на землю, когда потенциал заземлителя не превышает допустимого напряжения прикосновения. Преимущество – возможность выбора места размещения электродов с наименьшим сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низинах).

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что его одиночные заземлители размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределяют по всей площадке по возможности равномерно. Безопасность при контурном заземлителе обеспечивается выравниванием потенциала на защищаемой территории путем соответствующего размещения одиночных заземлителей. В результате этого можно уменьшить коэффициенты прикосновения и шага до значений, при которых напряжение прикосновения и шаговое напряжение не будут превышать заранее заданных допустимых значений.

Внутри помещений выравнивание потенциала происходит естественным путем через металлические конструкции, трубопроводы и т.д.

Различают заземлители искусственные и естественные, вертикальные и горизонтальные. Последовательное включение заземляемого оборудования не допускается.

5. Зануление (рис. 6) – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом. Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабочего проводника, который также соединен с глузозаземленной нейтральной точкой источника тока, но предназначен для питания током электроприемников.

Рис. 6 Принципиальная схема зануления

1 - корпус потребителя электроэнергии; 2 - аппараты защиты потребителя от токов короткого замыкания (плавкие предохранители, автоматы и т.п.); Ф - фазный провод;0_защ - нулевой защитный провод; Ro - сопротивление заземления нейтрали источника тока; Rn - сопротивление повторного заземления нулевого защитного провода; Iкз - ток однофазного короткого замыкания.

Поскольку нейтраль заземлена, зануление можно рассматривать как специфическую разновидность заземления.

Принцип работы зануления: при пробое фазной цепи электроприбора на зануленный корпус фактически происходит короткое замыкание «фаза-ноль». Сила тока в цепи при этом увеличивается до очень больших величин, что вызывает быстрое срабатывание аппаратов защиты (автоматические выключатели, плавкие предохранители), которые быстро отключают линию, в которую включен неисправный прибор. При замыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключается, если ток однофазного короткого замыкания I_кз удовлетворяет условию I_З   к * I_Н, где I_Н – номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А; к - коэффициент кратности тока.

Для автоматических выключателей к = 1,25 – 1,4.

Для плавких предохранителей к = 3.

В схеме зануления необходимы 3 конструктивных элемента: нулевой защитный проводник, обладающий низким сопротивлением для обеспечения высокого значения тока короткого замыкания; заземление нейтральной точки источника тока для организации заземления поврежденного оборудования через нулевой проводник до срабатывания защиты; повторное заземление нулевого проводника для обеспечения защиты при обрыве нулевого проводника зануленных корпусов электроустановок, расположенных за местом обрыва.

6. Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током.

7. Выравнивание потенциалов. Метод снижения напряжения прикосновения шага между точками электрической цепи, к которым возможно одновременное прикосновении или на которых может одновременно стоять человек. Как самостоятельная мера не применяется. В землю укладываются стальные полосы в виде сетки по всей площади, занятой оборудованием. В помещениях с заземлением или занулением все металлические конструкции и трубопроводы присоединяются к сети заземления (зануления).

8. Блокировка, предупредительная сигнализация, знаки безопасности, электрозащитные средства.