4. Оформление отчета по лабораторной работе

Отчет оформляется индивидуально каждым студентом и должен держать:

• наименование работы;

• цель работы;

• программу работы;

• принципиальные схемы используемых методов измерения сопротивления заземляющих устройств;

• таблицы результатов измерений;

• вывод по каждому пункту программы.

5. Контрольные вопросы

1. Какие основные требования предъявляются к заземляющим устройствам?

2. Каковы наибольшие допустимые значения сопротивлений заземляющих устройств по ПУЭ?

3. С какой целью производится контроль заземляющих устройств?

4. Каков порядок и периодичность испытания заземляющих устройств?

5. Какие существуют методы и средства измерения сопротивления заземляющих устройств?

6. В чем заключается метод амперметра-вольтметра?

7. Каковы принципы работы измерителя сопротивления типа МС-07 (или МС-08) и порядок проведения измерений?

8. Каковы принципы работы измерителя сопротивления заземления типа М416 и порядок его использования при проведении измерений?

9. Как влияет место расположения зонда на результаты измерения сопротивления заземляющих устройств?

10. Каковы рекомендуемые при проведении измерений расстояния между испытуемого заземлением, вспомогательным заземлением и зондом?

Литература

1. Привила устройства электроустановок. М: Энергоатомиздат, 1987.

2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Охрана труда на железнодорожном транспорте/Под ред. Ю.Г. Сибарова. М.: Транспорт, 1981.

Лабораторная работа №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА»

(Доцент Павленко Ю. В.)

5.1. Цель работы:

Исследовать явления, возникающие при растекании электрического тока в земле, и условия возникновения напряжения прикосновения и шага.

5.2 Программа работы

5.2.1. Изучить явления, возникающие при растекании электрического тока в земле, условия возникновения напряжения прикосновения и шага, их зависимость от различных факторов.

5.2.2. Исследовать распределение потенциалов поверхности земли в зоне растекания тока. Построить потенциальную кривую, проанализировать её характер и сделать выводы.

5.2.3. Исследовать зависимость напряжения прикосновения от расстояния между человеком и заземлителем. Построить графики и сделать выводы.

5.2.4. Исследовать зависимость напряжения шага от расстояния между человеком и местом замыкания на землю. Построить графики и сделать выводы.

5.2.5. Оформить отчет по лабораторной работе.

5.3 Описание Универсального лабораторного стенда (улс)

5.3.1. Устройство и принцип работы УЛС

работа проводится на УЛС по электробезопасности. Он представляет собой моделирующее устройство, которое состоит из базового блока и комплекта сменных панелий для различных лабораторных работ.

Для выполнения данной работы используется сменная панель «Напряжение прикосновения и шага». Она устанавливается сверху базового блока и фиксируется на нем при помощи двух направляющих штырей. Электрическое соединение панели с базовым блоком осуществляется штепсельным разъемом, одна часть которого смонтирована на базовом блоке, а другая – на сменной панели.

Лабораторный стенд позволяет моделировать замыкание на землю и измерять потенциалы поверхности земли в зоне растекания тока.

Принципиальная электрическая схема сменной панели изображено на её передней стенке. Там же расположены органы управления, имеющие следующие назначение:

- кнопка СЕТЬ – для подачи напряжения на модель электрической сети (щ подаче напряжения на сменную панель сигнализирует загорание расположенного рядом с кнопкой светодиода);

- переключатель U СЕТИ – для задания величины напряжения, подаваемого на модель электрической сети;

- кнопочный переключатель «ρ грунта» - для задания вида грунта и значения его удельного электрического сопротивления в соответствии с таблицей 5.1

Таблица 5.1

Номер кнопки	Вид грунта	Удельное электрич. сопротивление, Ом*м
1	Песок	700
2	Суглинок	100
3	Глина	40
4	Чернозем	20

- тумблер «замыкание» - для замыкания фазного провода на корпус заземленной электроустановки.

При включении тумблера»Заземление» ток стекает в землю через одиночный заземлитель R₃ . Сила стекающего тока измеряется расположенным на панели миллиамперметром.

Напряжение прикосновения, а также потенциалы различных точек поверхности земли в зоне растекания тока измеряются отдельным выносным вольтметром, для подключения которого на панели имеются соответствующие гнезда. Наиболее удаленная точка земли на панели стенда расположена от заземлителя R₃ на расстоянии 42 см, что соответствует 20м в реальных условиях. Символом «┴» обозначена точка земли с нулевым потенциалом, расположенная вне зоны растекания тока.

5.3.2. Меры безопасности при работе на УЛС

Так как УЛС сам является электроустановкой, то для обеспечения безопасности при проведении на нем исследований необходимо соблюдать следующие требования:

а) работы на стенде разрешается выполнять только после проведения преподавателем инструктажа по технике безопасности и записи об этом в соответствующем журнале;

б) к работе на УЛС допускаются лица, ознакомленные с его устройством, принципом действия и изучившие настоящее методические указания;

в) перед началом работы тумблер СЕТЬ на базовом блоке, кнопка СЕТЬ на сменной панели и тумблер ЗАМЫКАНИЕ должны находиться в положении ВЫКЛЮЧЕНО;

г) подавать на стенд напряжение можно только после получения от преподавателя разрешения, при этом включающий должен предупредить присутствующих «ВНИМАНИЕ! Подано напряжение!»;

д) все операции, производимые на стенде, должны быть предварительно продуманы, поспешные и неосторожные действия при выполнении лабораторной работы недопустимы;

е) при исчезновении напряжения в питающей сети или при возникновении каких-либо неполадок в стенде, его необходимо выключить и доложить об этом преподавателю;

ж) выполнив лабораторную работу, стенд необходимо выключить и сообщить о завершении работы преподавателю;

з) проводить исследования на стенде в отсутствии преподавателя запрещается.

5.4. Указания к выполнению работы

5.4.1. Явления, возникающие при растекании электрического тока в земле. Условия возникновения напряжения прикосновения и шага.

В практике эксплуатации электрических сетей возможны режимы замыкания на землю, под которым понимают случайное или преднамеренное соединение токоведущих частей либо непосредственно с землёй, либо с заземленными нетоковедущими конструкциями.

Причинами замыкания на землю могут быть: замыкание токоведущей части на корпус электроустановки (рис.5.1), падение электрического провода на землю, использование земли в качеств провода и т.п.

Рис. 5.1 Напряжение прикосновения и шага

Через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей (заземлитель), происходит стекание тока в землю и его последующее растекание по объёму земли, т.е. земля становится участком электрической цепи.

На рис.5.1 показан один из распространенных случаев замыкания на землю. Здесь в результате повреждения изоляции электроустановки 1 произошло замыкание фазного провода на ее корпус, который заземлен, т.е. соединен с заземлителем, обладающим сопротивлением растеканию тока Rз . При этом ток замыкания I_з стекает через заземлитель R_з в землю и растекается по её объёму. Пространство земли вокруг зазем­лителя, в котором наблюдается протекание тока замыкания, называют зоной растекания тока.

Поскольку земля обладает сопротивлением, то растекание тока сопровождается падением напряжения и возникновением потенциалов на заземлителе, в земле вокруг заземлителя и на поверхности земли.

Таким образом, зона растекания тока - это пространство земли, в пределах которого электрический потенциал φ, обусловленный протеканием тока замыкания на землю I_з, отличен от нуля.

Кривая, изображающая распределение потенциалов на поверхности земли в зоне растекания тока, называется ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ КРИВОЙ. В однородном грунте потенциальная кривая имеет вид гиперболы (рис.5.1) и описывается уравнением[6]

где φ - потенциал точки на поверхности земли, В;

X - расстояние точки от заземлителя, м;

ρ - удельное сопротивление -грунта, См.м ;

I₃ - ток замыкания на землю, А „

Максимальный потенциал будет на самом заземлители и соприкасаю­щихся с ним точках земли, а также на корпусах всех электроустановок, соединенных с заземлителем, т.е.

где Uз и Uк - соответственно напряжения заземлителя и кор­пусов электроустановок относительно точки земля с нулевым потенциалом, находящейся вне зоны растекания тока.

По мере удаления от заземлителя потенциалы точек на поверхности земли уменьшаются и на расстоянии 20 м и более практически могут быть приняты равными нулю, т.е. эти точки можно считать находящимися вне зоны растекания тока.

Отличие потенциалов на поверхности земли в зоне растекания тока от нуля является условием возникновения напряжения прикосновения и шага.

Напряжение прикосновения (Uпр) - напряжение между двумя точками электрической цепи, которых одновременно касается человек. На рис.5.1 одной из этих точек является точка прикосновения руки

человека к корпусу электроустановки, находящемуся под напряжением Uк. Другой точкой является точка соприкосновения ног человека с поверхностью земли.

Человек, прикасающийся к корпусу 1, находится в зоне растекания тока и стоит на точке поверхности земли, имеющей потенциал φ₁. Поэтому напряжение прикосновения, под которым окажется этот человек, будет равно

,

где - коэффициент напряжения прикосновения, показывающий какая часть напряжения корпуса приходится на человека.

Таким образом, человек, прикасающийся к корпусу электроустанов­ки в зоне растекания тока, сказывается не под полным корпусным на­пряжением, а лишь под его частью (на рис.5.1 α₁=0,5),

Человек, прикасающийся к корпусу 2, находится вне зоны расте­кания тока и стоит на точке поверхности земли с нулевым потенциалом. Поэтому для него напряжение прикосновения будет равно

т.е. этот человек окажется под полным корпусным напряжением ( α₂=1).

Из изложенного следует, что напряжение прикосновения зависит от величины напряжения на корпусе электроустановки и расстояния между человеком и заземлителем. По мере удаления человека от заземлителя величина и опасность напряжения прикосновения возрастают, т.к. коэффициент о*- увеличиваетея от 0 вблизи заземлителя до 1 вне зоны растеканвя тока.

В целях уменьшения опасности напряжения прикосновения ПУЭ [ 1 ] предписывают производить выравнивание потенциалов поверхности земли в рабочей зоне, для чего используются контурные заземляющие устрой­ства, или в земле прокладываются продольные и поперечные выравнивающие проводники.

Находясь в зоне растекания тока, человек может одновременно стоять ногами на точках поверхности земли с разными потенциалами, что создает опасность его поражения шаговым напряжением.

Напряжение шага, ( U_ш) — напряжение между двумя точками земли в зоне растекания тока, находящимися одна от другой на рас­стоянии шага человека.

На рис.5.1 одна нога изображенного слева человека стоит на точке поверхности земли с потенциалом φ_х . Вторая нога находится на расстоянии шага “а” jn первой и стоит на точке поверхности земле с потенциалом φ_(х+а) . В результате этого человек оказывается под напряжением шага, равным

где ρ - удельное сопротивление грунта,Ом.м ;

I₃- ток замыкания на землю, А ;

X - расстояние ближней ноги человека от места замыкания на землю,м ;

а - величина шага человека, м;

U₃ - напряжение на заземдителе, 3 ;

Β=U_ш/U₃ - коэффициент напряжения шага.

Из приведенного вырэження следует, что величина шагового напряжения зависит от I₃, величины шага человека и расстояния до места замыкания на землю. По мере удаления от места замыкания на землю величина напряжения шага уменьшается и на расстоянии 10-20 м оно практически уже не представляет опасности.

По этой причине запрещается, приближаться к месту замыкания на землю или к лежащему на земле проводу на расстояние менее 8 метров, [3,4,5].

Кроме того, в производственных условиях, с целью снижения шаго­вых напряжений, которые особенно высоки при больших токах замыкания на землю I₃ , необходимо производить выравнивание потенциалов. Для этого за пределами заземляющих контуров, и в первую очередь, в местах проходов и проездов, в землю на различной глубине укладываются дополнительные стальные полосы.

5.4.2. Исследование распределения потенциалов поверхности земли в зоне растекания тока

Для проведения исследования необходимо на стенде смоделировать замыкание на землю, растекание тока в земле и измерить потенциалы различных точек поверхности земли в зоне растекания тока. Эксперимент проводится в следующей последовательности:

- получать от преподавателя номер варианта задания в соответствии с таблицей 5.2:

Таблица 5.2

№ варианта задания		I	2	3	4	5	6	7	8	9	10	II	12
мо де ль
	№ кнопки "ρ грунта"	1	2	3	4	4	2	3	4	3	3	4	2
	U сети	20	18	14	10	6	20	18	14	10	20	18	14
Напряжение реального заземлителя U3, В		380	440	520	660	820	480	540	380	720	220	380	440

- нажать кнопку "ρ грунта", соответствующую варианту задания;

- поставить переключатель "U сети" в положение соответствующее варианту задания;

- включить на ,базовом блоке тумблер "Сеть", а на сменной панели нажать кнопку ’’Сеть’’ (о готовности стенда к работе сигнализирует загорание лампочки на базовом блоке и светодиода на панели);

- включением тумблера "Замыкание" произвести замыкание фазы А на заземленный корпус I электроустановки, т.е. смоделировать cтека­ние тока в землю через заземлитель R₃;

- выносным вольтметром измерить потенциалы φ_мод различных точек модели поверхности земли (удаленных от заземлителя на расстояния L_мод=0,3,6, 9... 42 см) относительно точки земли с нулевым потенциалом, обозначенной символом «┴»;

- произвести перерасчет измеренных на модели потенциалов φ_мод на соответствующие им потенциалы поверхности земли φ в реальных условиях:

Результаты эксперимента занести в таб5.3

Таблица 5.3

модель	Lмод	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27	30	33	36	39	42
	Φмод
Реальные условия	X, м	0	1,4	2,8	4,3	5,7	7,1	8,6	10	11,4	12,8	14,3	15,7	17,1	18,6	20
	φ, в

По данным таблицы5.3 построить график потенциальной кривой , проанализировать её характер и сделать выводы.

5.4.3. Исследование напрякения прикосновения

Для исследования напряжения прикосновения используется модель растекания тока в земле, собранная для п.5.4.2.

Порядок исследования следующий:

- сохранив модель и условия эксперимента по п.5.4.2, измерить на­пряжение прикосновения U_пр.мод при нахождении человека в точках, удаленных от заземлителя на рвостояния L_мод = 0,3, 6, 9... 42 см, для чего последовательно подключать выносной вольтметр между корпусом электроустановки и соответствующими точками модели поверхности земли;

- произвести перерасчет измеренного на модели напряжения прикос­новения U_пр.мод на соответствующие ему значения напряжения при­косновения U_пр в реальных условиях:

- вычислить значения коэффициента напряжения прикосновения при различном удалении человека от заземлителя:

где U_k =U₃ - напряжение на заземлителе и корпусе заземленной электроустановки относительно точки земли с нулевым потенциалом, принимаемое согласно варианта задания (табл5.2). Результаты эксперимента занести в тебл5.4

Таблица 5.4.

модель	Lмод	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27	30	33	36	39	42
	Unp.мод
Реальные условия	X, м	0	1,4	2,8	4,3	5,7	7,1	8,6	10	11,4	12,8	14,3	15,7	17,1	18,6	20
	Unp, в
	α

По данным табл5.4 построить графика зависимостей U_пр =f(x)

Проанализировать полученные зависимости и сделать выводы о их характере и влиянии удаления человека от заземлителя на опасность поражения током.

Приняв по ГОСТ 12.1.038-82 предельно допустимый уровень напря­жения прикосновения равным U_пр.доп. =36 В (при продолжительности воздействия свыше 1 с), показать на графике границу опасной зоны, в которой U_np >U_np.доп.

5 4.4. Исследование напряжения шага

Ц _ш =

При исследовании напряжения шага используются результататы эксперимента по п.5.4.2

Для этого необходимо:

- по графику потенциальной кривой φ=f(x) построенному в соответствии с данными табл5.3, последовательно определить потен­циалы ближней φ_x и дальней φ_(х+а) ног человека, шагающего от заземлителя с величиной шага α=0,8м(или 1м)

- вычислить значения напряжения шага

;

- вычислить значения коэффициента напряжения шага

,

где U₃ - напряжение на заземлителе, принимаемое в соответствии с вариантом задания (табл5.2).

Таблица 5.2

№ шага	Расстояние ног от заземлителя,м		Потенциалы ног, В		Напряжение шага Uш , В	β
	Л	(х+a)	Φx	φ(x+a)
1	0	0,8
2	0.8	16
3	1.6	2,4
4	2.4	3,2
5	3,2	4,0
6	4,0	4,8
7	4,8	5,6
8	5,6	6,4
9	6,4	7,2
10	7,2	8,0

По данным табл5.2 построить графики зависимостей U =f(№ шага) и β=f(№ шага).

Проанализировать полученные зависимости и сделать выводы о их характере. Обосновать требование 4,5 о недопустимости прибли­жения человека к месту замыкания на землю на расстояние ближе 8 м.

5.4.5 Оформление отчета по лабораторной работе

Отчет оформляется индивидуально кадым студентом и должен содержать:

- наименование работы;

- цель работы;

- порядок работы;

- таблицы результатов измерений и графики полученных зависимостей;

- анализ результатов исследований и выводы по каждому пункту программы.

5.5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое замыкание на землю и по каким причинам оно возникает?

2. Что такое зона растекания тока и чем она характеризуется?

3. Что такое потенциальная кривая, каков её характер и каким уравнением она описывается?

4. Что такое напряжение прикосновения и от чего оно зависит?

5. Как изменяются напряжение прикосновения при удалении от заземлителя

6. Что такое коэффициент напряжения прикосновения, от чего он зависит и в каких пределах изменяется?

7. Какими способами достигается уменьшение напряжения прикос­новения?

8. Что такое напряжение шага, от чего оно зависит и каковы условия его возникновения?

9. Как изменяется напряжение шага при приближении к месту замыкания на землю?

10. Что такое коэффициент напряжения шага, от чего он зависит и в каких пределах изменяется?

11. Какими способами достигается уменьшение напряжения шага?

12. Как должен поступать человек, оказавшийся вблизи места замыкания на землю?

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ