При дії електричної дуги виділяється тепло, яке можна визначити за формулою:
Q = I2×R×t, Дж |
(7/3) |
де І – сила струму,А; R – опір провідника, Ом; t – час проходження току, с. Ураження людини струмом виникає при замиканні електричного ланцюга через тіло людини. Це відбувається у випадку доторкання людини в мережу
(схема 7.1). |
U |
А |
|
||
|
Uлл |
Б |
|
|
В |
|
R- опір організму |
|
|
R- опір взуття |
220 |
|
R- опір підлоги |
|
Rп
Схема 7.1. Схема включення організму людини
в мережу, Rп – перехідний опір.
.
При однофазному включенні в мережу з заземленою нейтраллю людина попадає під фазну напругу, яке в 1,73 рази менше лінійного, і зазнає дії струму, величина якого визначається величиною фазної напруги установки і опору тіла людини.
Таким чином, в чотирьохпровідній трьохфазної мережі з заземленою нейтраллю ланцюг струму, що проходить через людину, включає опір його тіла, опір підлоги, взуття і заземлення нейтралі джерела току (трансформатора і ін.):
Iф = |
U л |
, А |
(7.4) |
1,73(RТ + Rвзут . + Rпідл + Rзаз ) |
де Uл – лінійна напруга, В; Rт- опір тіла, Ом; Rвзут. – опір взуття, Ом; Rпідл. –опір підлоги, Ом; Rзаз.- опір заземлення нейтралі (перехідний), Ом. З (7.4) маємо:
I люд = |
|
|
U л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rізол. |
|
, А |
(7.5) |
|||
|
|
3Rлюд + |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
3 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Норма опору ізоляції проводу Rіз =1000 U Ом, де U – напруга в мережі, В. Крім розглянутого, можливі наступні випадки вмикання людини в мережу:
1) Однофазне вмикання людини в мережу струм через людину визначається за формулою:
Iф = |
U ф |
, А |
(7.6) |
|
Rr + Rзаземл .обл . |
||||
|
|
|
2) Однофазне вмикання людини в мережу, а друга фаза пробиває на землю, при чому, заземленої нейтралі немає:
Ir = |
U л |
, А |
(7.7) |
|
Rr + Rоб , + Rлюд + Rпер. |
||||
|
|
|
3)Однофазне включення тіла людини в мережу, а рукою доторкається до заземленого обладнання:
Ir = |
|
U л |
|
, А |
(7.8) |
|
|
|
|||
|
Rор + Rзаз .обл . + Rлюд + Rтрубизаз .. |
|
|||
4) Якщо тіло людини підключено до обох фаз одночасно: |
|
||||
|
Ir = |
U л |
, А |
(7.9) |
|
|
Rор |
||||
|
|
||||
Для енергосистем напруженням до 1000 В, напруга доторкання дорівнює 40 В при замиканні струму на землю у 10 А, тоді норма опору згідно ГОСТу
складає: |
|
R3 = Uдот./Iзам. = 40/10 = 4 Ом. |
(7.10) |
При падінні проводу на землю або в місцях розташування заземлювачів електроустановок і громозахисних устаткувань, земля може опинитися під напругою. Різниця потенціалів між двома точками, відстань між якими 0,8 м, доторкання в цих місцях називається шаговою напругою.
Припустимо, що струм стікає з одиночного провода, що упав на землю і доторкається землі своєю напівсферичною поверхнею S. Так як поверхня кола
S1 = 4pх2, то розтікання по напівсфері перерізу проводу визначається:
S = 2pх2,
де х – радіус сферичної поверхні.
Отже напруга на цій ділянці землі буде дорівнювати:
U = I |
ρl |
= I |
ρl |
(В), |
S |
2πx2 |
(7.11)
(7.12)
де r -питомий опір грунту, Ом×см; l – довжина ділянки розтікання струму, см. Для безпечної роботи людини з електрообладнанням, його заземляють.
Заземлення буває, надземне або переносне, тимчасове або підземне на глибині 0,8-0,85 м (це глибина не промерзання грунту по Україні).
1) |
Надземне (рис.7.2а). |
Rтр .сист . = 0,366 |
ρ |
lg |
4l |
, |
Ом. |
(7.13) |
|||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
d |
|
|
|||
|
|
|
æ |
ρ |
|
2l |
|
|
|
4t + e ö |
|
|
|||||
2) |
Підземне (рис.7.2б). |
Rтр .сист . = 0,366 |
ç |
|
lg |
d |
+ 0,5lg |
|
|
|
÷ , |
Ом. |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
(7.14) |
|
è l |
|
|
|
|
4t - e ø |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
2lп |
|
|
||||
3) |
Опір з’єднувальної смуги (рис.7.2в) |
Rтр.сист . = 0,366 |
|
lg |
,Ом. |
|
|||||||||||
|
|
b × h |
|
||||||||||||||
(7.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
lтр |
|
h |
t |
h |
|
|
b |
||
|
L |
|
|
|
|
lтр |
|
|
|
|
|
|
lп |
|
a |
|
L |
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
б
Рис.7.2 Види заземлювачів |
Рис.7.2.в . Сполучена смуга |
а) надземне; б) підземне |
|
У формулах (7.13-7.15) r – питомий опір грунту, Ом×см; l – довжина заземлення (труби), см; d – діаметр труби, см; t – відстань від поверхні землі до середини труби заземлення, см; lп– довжина смуги, см; b – ширина смуги, см; h – глибина закладення полоси, см.
Тому дійсний опір розтікання струму складає:
R.роз.стр. = Rтр.заз.×hсез., Ом |
(7.16) |
де hсез – коефіцієнт сезонності за довідником “Правила пристроїв електроустановок (ПУЕ)”.
Число заземлювачів визначаємо за формулою:
n = Rтр.заз. /(Rзаз.нейт.×hекран.), шт, |
(7.17) |
де Rзаз.нейт–опір заземляючого устаткування, по нормам–4Ом; .hекран – коефіцієнт екранування, що враховує взаємний вплив заземлювачів на величину їх результуючого опору (ПУЄ).
Відстань між заземлювачами:
L = 2l, cм. (7.18) Довжина смуги Lп, яка об’єднує заземлювачі, визначається за формулою
|
|
|
Lп = 1,05×L. |
(7.19) |
|||||
Загальний опір розтікання струму по всьому заземлюючому пристрою |
|||||||||
визначається за формулою: |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
Rз.об |
£ |
|
|
|
|
|
|
||
ηекр .труб |
× n + |
ηекр .смуг , |
(7.20) |
||||||
|
|
||||||||
|
|
|
Rтр .сис . |
Rсм. |
|
|
|
||
R3заг.£ 4 Ом,
де .hекран.тр. – коефіцієнт екранування для труб; Rтр.сис. – опір розтікання струму в трубчатих заземлювачах з врахуванням коефіцієнта сезонності, Ом; п – число
трубчатих заземлювачів; .hекран.смуг.- коефіцієнт екранування смуги; Rсмуг.- опір розтікаючого струму в з’єднувальній смузі з врахуванням коефіцієнта
сезонності, Ом.
7.2. Приклади розв’язання типових задач
Приклад 7.1. Визначити силу струму, який пройде крізь тіло людини при дії електричного струму різних ланцюгів (дво-, однофазовий з заземленою нейтраллю, однофазовий з ізольованою нейтраллю).
Вихідні дані. Лінійна напруга електромережі Uл1 = 380 В. Опір тіла людини Rл = 10000 Ом. Опір справної ізоляції Rіз = 380000 Ом. Опір ізоляції погіршеної якості R¢¢із = 10000 Ом.
Рішення. При двофазовому підключенні людини до електромережі (найбільш небезпечному) сила струму проходить кріз тіло людини і визначається за формулою:
Іл = Uл/ Rл = 380/10000 = 0,038 А = 38 мА.
Потрібно мати на увазі, що опір тіла людини в залежності від зовнішніх умов коливається в широких межах – мокра підлога, вологі руки можуть знизити опір до 1000 Ом і небезпека ураження зростає.
При однофазовому дотику людини до електромережі з заземленою нетраллю сила струму:
Іл2 = Uл/(RлÖ3) = 380/(10000Ö3) = 0,022 А = 22 мА.
При однофазному дотику до ізольованої нейтралі з ізоляцією низької якості сила струму, що проходить крізь тіло людини:
І л3 = |
|
U л |
|
|
|
|
= |
|
380 |
|
= 0,017А = 17мА |
|
||
Rл |
|
|
|
R¢¢ |
10000×1,73 + |
10000 |
. |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
3 + |
|
із |
|
|
1,73 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При дотику до робочої ізоляції крізь тіло людини пройде струм силою:
І л4 = |
|
U л |
|
|
|
|
= |
|
380 |
|
= 0,016А = 16мА |
|
||
Rл |
|
|
|
R¢¢ |
10000×1,73 + |
380000 |
. |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
3 + |
|
із |
|
|
1,73 |
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Приклад 7.2. Визначити з якою силою струм пройде крізь тіло людини яка стоїть на землі і доторкнулася до однофазного електричного ланцюга.
Вихідні дані. Напруга змінного струму, в мережі U = 50 В, опір тіла людини Rл = 30000 Ом, опір ізоляції електропроводу, до якого людина доторкнулася, відносно землі R1 = 500000 Ом, опір другого електропроводу відносно землі R2 = 400000 Ом, опір розсіювання струму в землі не враховувати.
Рішення. Складаємо еквівалентну схему включення людини до електричної мережі (схема 7.3), За законом Кіргофа сума струмів, що прямують
до вузлової точки, дорівнює сумі струмів, що прямують від неї. І1R1
Rл
I |
І2R2 |
I |
U |
Рис 7.3 Схема включення людини до однофазового електричного ланцюга.
Для вузла маємо: |
І = І1 + Іл. |
(7.21) |
|||||
|
|||||||
За законом Ома І = U/Rе. Еквівалентний опір визначається за формулою: |
|
||||||
Rе = R2 + (R1R)/( R1 + R2). |
|
||||||
Підставивши значення Rе в формулу для струму одержимо: |
|
||||||
I |
= |
|
U |
|
|
||
R2 + |
R1R2 |
|
(7.22) |
||||
|
|
||||||
|
|
R1 + R2 |
|
||||
Із закону Ома для ділянки ланцюга входить, що струми в паралельних гілках розподіляються обернено прпорційно їх опору:
І1 Іл = Rл/R1, звідки І1 = Іл×Rл / RА.
Підставимо значення І1 в рівняння (7.21) І=І1+І2=(Іл Rл)/R1+Іл=Іл(І + Rл/R1),
І= (Іл×Rл)/R1)/R1.
Зодержаного виразу витікає Іл = ІR1/(R1 + Rл). Замість І підставляємо
його значення з формули (7.22)
I л = |
|
|
UR1 |
|
|
|
|
= |
500× 500000 |
+ 0,0011 |
|
||
(R |
|
æ |
|
+ |
R R |
л |
ö |
500000× 400000+ 30000(500000+ 400000) |
,А (7.23) |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
+ R )ç R |
|
1 |
÷ |
|
|
|
||||||
1 |
ч |
ç |
2 |
|
R + R |
|
÷ |
|
|
|
|
||
|
|
|
è |
|
|
1 |
|
л ø |
|
|
|
|
|
Приклад 7.3. В одному з цехів фабрики, з підвищеною вологістю, погіршилась ізоляція електропроводів. Опір ізоляції першого електропроводу знизився до R1 = 100000 Ом, а другого до R2 = 80000 Ом. Людина яка стоїть на вологій підлозі доторкнулася рукою до оголеного проводу. Визначити силу струму, який пройшов крізь тіло людини. Наскільки цей струм небезпечний для його життя? Вихідні дані: Uс = 120 В. Опір тіла людини Rл = 50000 Ом.
Рішення. Загальний еквівалентний опір розгалуженої мережі:
Re = |
R1Rл |
+ R2 = |
|
100000 × 50000 |
+ 80000 = 113333 |
Ом. |
|
R1 + Rл |
100000 + 500000 |
||||||
|
|
|
|
||||
Сила струму в ланцюзі І =U/ Rе = 120/113333 = 1,05×10-3 А. Сила струму, яка проходить крізь тіло людини:
I A = I |
|
R1 |
= 1,05 ×10−3 |
|
100000 |
= 0,7 ×10−3 A = 0,7 мА. |
R1 |
|
100000 + 500000 |
||||
|
+ Rл |
|
||||
Така сила струму для людини – безпечна.
Приклад 7.4. Відбулося замикання фази С на землю (рис. 7.4). Здійснити аналіз явищ, які можуть виникнути при дотику людини до такої установки. Вихідні дані. Опір заземлення R3 = 4 Ом. Опір людини у вологому приміщенні Rл = 1500 Ом, його взуття Rвз = 400 Ом, підлоги Rп = 100 Ом. Струм з вимірів І3 = 1,5 А (струм замикання на землю фази С). Відстань установки від зазмлення – більше ніж 20 м.
Для зручності малим опором заземлюючих провідників і опором в місці замикання можна знехтувати. Rу – опір ізоляції фази А і В відносно землі.
Рішення. У випадку доторкання напруга має максимальне значення, якщо людина знаходиться на відстані більше ніж 20 м від заземлення. Однак, і на такій відстані напруга складає, зазвичай тільки частину повної напруги корпуса установки відносно землі. Відбувається це в силу наступної причини. Якщо людина доторкнулась до корпусу установки, то на проміжку від точки К до місця розтікання струму в землю ланцюг замикання розмежовується на дві гілки: перша – опір заземлення R3; друга – опір тіла людини Rл, його взуття – Rвз і Rп – підлоги.
|
А |
|
|
В |
|
к |
С |
|
Rл |
||
|
Rу
|
Р |
|
Rвз |
R |
Rпідл |
|
3 |
Рис. 7.4 Схема замикання фази на землю.
Шлях протікання струму по першій гілці показаний на рис.7.4 суцільною лінією, а по другій - пунктирною.
Рівень падіння напруги в першій і другій паралельних гілках буде однаковим. Проте в другій гілці на людину припадає тільки частина напруги по відношенню до землі, що дорівнює падінню напруги між точками К і Р; інша частина напруги припадає на опір взуття і підлоги (фактор, що діє на будь-якій відстані людини від заземлення).
Опір ділянки на місці замикання:
R = |
R3 (Rл + Rвз + Rп ) |
= |
4(1500 + 400 +100) |
= 4 |
Ом. |
|
R3 + Rл + Rвз + Rп |
;+1500 + 400 +100 |
|||||
|
|
|
|
Результат розрахунку показує, що опір другої гілки, яка враховує людину, мало впливає на загальний опір ланцюга. Напруга на корпусі установки І3R3=1,5×4=6 В. Сила струму в першій гілці:
|
І31 |
= І3 |
|
R3 + Rвз + Rп |
|
= 1,5 |
2000 |
= 1,497 |
А. |
(7.24) |
|
|
R3 |
+ Rл + Rвз + Rп |
2004 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Сила струму в другій гілці: |
|
|
|
|
|
|
|
||||
І32 |
= І з |
|
|
R3 |
= 1,5 |
4 |
= 0,003 А = 3 мА. |
|
|||
R3 + Rл |
+ Rвз + Rп |
2004 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Напруга дотику:
Uл = Iз2Rл = 0,003×1500 = 4,5 В.
У випадку виведення з ладу заземлення (розрив провода, порушення контакту або занадто великий опір заземлення) напруга дотику може набути занадто великого небезпечного значення.
Приклад 7.5. В електромережі U = 380 В, що живиться від одного трансформатора, виникли два замкнення – на корпусі віддалених одна від одного установок А і В. Опір заземлення установок (схема 7.5) Rзаз1 = 1,5 Ом і Rз2 = 4 Ом. На аварійних лініях встановлені легкоплавкі вставки запобіжників, що розраховані на постійний струм 100 А. Визначити напругу відносно землі на заземлених частинах установок А і В.
Рішення. В електромережах з ізольованою нейтраллю відключення при однофазових замиканнях на землю можливо лише частково при достатньому значенні струмів замикання, що забезпечують спрацювання релейного захисту, згоряння плавких вставок та автоматичне відключення.
100 А
В А 
R |
Rз2 |
|
з1 |
Схема 7.5 Подвійне замикання в мережі з ізольованою нейтраллю.
Вустановках з ізольованою нейтраллю необхідно враховувати можливість виникнення довготривалих (невимикаємих) струмів замикання в землю. Небезпечність таких замикань у землю полягає в тому, що за час їх усунення можливе виникнення другого замикання у землю в тій самій електромережі. При цьому на заземлених ділянках можуть виникати небезпечні напруги, зокрема, може виникнути розподіл напруг в мережі замикання. Це підтверджується такими розрахунками.
Вмережі замикання діє міжфазова напруга, тому сила струму замикання дорівнює:
I3 |
= |
U ф |
= |
|
380 |
|
= 69 |
А. |
||
Rзa + Rзб |
1,5 |
+ |
4 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
Отже, легкоплавкі вставки не розплавлюються. Напруга відносно землі на заземлених ділянках установки А: RзаІз = 1,5×69 = 140 В, на заземлених ділянках установки В: ІзRзб = 69×4 = 276 В.
Приклад 7.6. Знайти напругу в момент дотику, якщо людина доторкнулася до зажима однофазного трансформатора промислової частоти (f = =50 Гц), що працює під напругою U = 6 кВ (схема 7.6). Вихідні дані. Ємність та опір відповідно С = 0,03 мкФ, Rмр = ¥. Опір розсіювання струму в землі Rр = =20000 Ом. Опір тіла людини Rл = 20000 Ом.
с
Rп
Рис.7.6 Дотик людини до зажиму однофазного трансформатора.
Рішення.
Сила струму в ланцюзі визначається за формулою Ома для змінного струму: І = U/Z, де U – робоча напруга трансформатора; Z – опір всього ланцюга. Опір всього ланцюга розраховується за формулою:
Z = |
(Rp + Rл ) |
2 |
+ |
|
|
1 |
|
, |
(7.25) |
|
|
ω |
2 |
с |
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
де w - кутова частота. Реактивний опір конденсатора визначається за формулою Хс = 1/wс=1/2pfс, отже
I = |
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(7.26) |
||
(Rp + Rл ) |
|
+ ç |
1 |
÷ |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
2 |
æ |
ö2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ç |
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
è |
2πfc ø |
|
|
|
|
Напруга дотику
U пр = IRл = |
|
6000 × 20000 |
|
|
|
» 3000 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ö2 |
||||
|
|
(20000 + 20000) |
2 |
æ |
|
1 |
|
В. |
|
|
|
|
+ ç |
|
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
2π ×50 |
× 0,03×10−6 |
|
|
|||
|
|
|
|
è |
ø |
|
|
||
Приклад 7.8. В електромережі з напругою 380/220 В з заземленою нейтраллю відбулося замикання на землю. Опір діючого заземлення Rз = 4 Ом. Опір розтікання в місці замикання R1 = 12 Ом (це відповідає найменшому значенню, крім випадку замикання на металеву конструкцію великої напруги). Людина знаходилась на відстані Х = 4 м від точки замикання, розмір кроку а=0,8 м. Питомий опір грунта при розтіканні струму r = 3×104 Ом×см. Визначити напругу кроку, дії якої піддається людина, котра стоїть на землі.
Рішення. Сила струму однофазового замикання на землю
I з = |
|
|
Uф |
= |
|
|
380 |
=13,7 |
А. |
(7.27) |
|
|
|
(Rp + Rл ) |
|
|
(4 +12) |
||||||
3 |
3 |
||||||||||
|
|
|
|
|
Напруга кроку визначається за формулою:
Uпр = |
І р ρа |
|
= |
13,7 ×3×10 |
4 × 0,8 |
@ 27 |
В. |
|
2π × х × (х |
+ а) |
2π × 4 × (400 + 80) |
||||||
|
|
|
|
|||||
Приклад 7.9. Розрахувати діюче і захисне заземлення (рис.7.7). Вихідні дані. Для захисту від небезпечного переходу напруги 6600 В в мережу з напругою 380 В нейтраль мережі нижчої напруги заземлена через пробивний запобіжник. Мережа кабельна трьохпровідна, довжина мережі Ll = 20 км. Грунт
– глина. Діюче заземлення здійснюється за допомогою труб довжиною l = 300 см та діаметром d = 5 см, розміщених в ряд. Відстань між трубами а = 21 см, ширина з’єднаної залізної смуги в = 1,2 см, заглиблення смуги (до середини смуги) h = 80 см, площа перерізу смуги – 48 мм2.Коефіцієнт сезонності для діючого заземлення hс = 1,2.
Захисне заземлення виконано із тих самих труб, розміщених в ряд. Відношення відстані між трубами до їх довжини а = 1, коефіцієнт сезонності hс2 = 1,2.
Діючі заземлення в установках, що працюють з напругою до 1000 В у трьохпровідних мережах, нормально ізольованих від землі, захист нормального переходу більшої напруги в мережу меншої напруги здійснюється через пробивний запобіжник нейтралі мережі меншої напруги. Опір діючого пробивного запобіжника повинен задовольняти наступній умові: R0 £ 125/Іl, де 125 В – допустима напруга на діючому заземленні в мережі меншої напруги, що виникає при пошкодженні і проходженні крізь заземлення струму однополюсного замиканння із мережі з більшою напругою; Іl – струм однополюсного замикання в мережі меншої напруги, для кабельних ліній знаходиться із спрощеної формули:
|
6600 |
Іl =(U×Ll)/10, |
(7.28) |
де U – напруга в мережі, |
довжина мережі, км. |
|
|
l1=20 км |
380 |
Проби |
Магістрал |
|
|
вний |
|
|
|
ь |
|
|
|
запобі- |
|
|
|
заземленн |
|
|
|
гач |
|
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
48 мм2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Робоче заземлення |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Захисне заземлення |
|
а |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Рис.7.7. Діюче та захисне заземлення.
Значення сили струму однополюсного замикання
Іl =(6,6×20)/10 = 13,2 А; R0 £ 125/13,2 = 9,4 Ом.
Опір розтікання струму труби:
RT = |
ρ |
ln 4l = |
1×104 |
ln |
4 × 300 |
= 25 Ом, з урахуванням коефіцієнта сезонності: |
|
2πl |
2π ×300 |
5 |
|
||||
|
d |
|
R¢т = Rт = 25×1,2 = 30, Ом. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Необхідна кількість заземлених труб з врахуванням взаємного |
||||||
екранування: |
|
|
|
nhек = R¢т/Rз, |
(7.29) |
||
|
|
|
|
|
|
||
де n – кількість труб; hек – коефіцієнт використання труб, який враховує їх екрановану взаємодію; R¢т – опір розсіюванню струму труби з врахуванням
коефіцієнта сезонності; Rз – опір заземлюючого пристрою nhет =30/9,4 = 3,2 для відношення а/l = 2l/l = 2 і умовно прийнятої кількості труб 3,2, коефіцієнт екранування hек = 0,88; n1=3,2/0,88 = 3,6 (приймаємо 4 шт).
Довжина смуги, з’єднуючої труби ln1 = 1,05аn1=1,05×6×4@ 25 м. Опір розтікання з’єднувальної смуги площею перерізу 48 мм2:
R¢ |
= |
ρ |
ln |
2ln21 |
= |
1×104 |
|
ln 2 × 25002 |
= 7,5 Ом, |
(7.30) |
|
|
|
|
|||||||
n1 |
|
2πl |
h0 × bc |
2π × 2500 |
1,2 ×80 |
|
|
|||
|
|
|
|
|||||||
Опір розтікання струму всього заземлюючого пристрою:
R31 |
= |
|
|
|
1 |
|
= |
|
|
1 |
= 5 |
Ом, |
(7.31) |
|
|
ηen |
+ |
nηe.T |
|
0,91 |
+ |
4 × 0,88 |
|||||||
|
|
|
R |
n1 |
|
R |
|
|
9 |
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де hеп – коефіцієнт використання лінії, прийнятий 0,9; Rп1 – опір розтікання однієї лінії без врахування екрануючої дії труб заземлення.
Захисне заземлення. Для захисту від небезпеки при переході напруги 380 В на металеві конструкції частини обладнання при нормальних умовах, що не знаходяться під напругою, додається захисне заземлення. Опір розтіканню струму захисного заземлення повинно бути не більше Rз = 4 Ом. З цієї умови визначається кількість труб заземлюючого пристрою nh¢¢ек = Rм/Rз= 25/4 = 6,25. При умовній кількості труб 6,25 і відношенню а/l = l/l = 1 коефіцієнт взаємного екранування труб дорівнює 0,62. Отже
n2 = 6,25/0,62 = 10 шт. Довжина з’єднувальної лінії ln2 = 1,05×аn = 1,05×3×10 = 32 м.
Опір розтікання струму з’єднувальної лінії з урахуванням коефіцієнта сезонності
R¢ |
= |
ρ |
ln |
2ln22 |
= |
1×104 |
|
ln 2 × 32002 |
= 6 Ом. |
|
|
|
|
||||||
n2 |
|
2πl |
|
hс × bc |
2π × 3200 |
1,2 ×80 |
|
||
|
|
|
|
||||||
Коефіцієнт використання з’єднувальної лінії h¢еп=0,62,
Rп2=R¢п2×hс2=6×1=6 Ом .
Опір розтікання захисного заземлення всього пристрою:
R3 |
= |
|
|
1 |
|
= |
|
|
1 |
= 2,8 |
Ом. |
(7.32) |
|
ηen |
+ |
nηe.T |
|
0,62 |
+ |
10 × 0,62 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
R |
n2 |
|
R |
|
|
6 |
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отриманий опір розсіювання струму всього захисного пристрою Rе2 = 2,8 Ом, при допустимому Rз = 4 Ом. Тобто можна зменшити кількість труб, а отже, знизити витрати на пристрій заземлення.
Приклад 7.10. Розрахувати параметри заземлення швейного цеху фабрики.
Вихідні дані. Живлення безпосередньо від генератора напругою 525 В через декілька повітряних ліній. Грунт ділянки, на якій розташовано фабрику, суглинок. Опір заземлюючого приладу не повинен перевищувати Rз =4 Ом. Заземлювачі – сталеві труби довжиною 3 м, діаметром 5 см. (рис.7.8). Опір розтікання струму (за результатами контрольних вимірювань) одиничного
заземлювача – труби Rп.вим=4 Ом; опір відрізока заземлених магістралей (шин) довжиною lз = 10 м, прокладених в землі на глибині 0,5 м Rlп.вим=400 Ом; надійних і природних заземлювачів (водопроводу та ін.) Rп.вим= 6 Ом. Періоду
випробувань передувало сильне випадання опадів. Питомий електричний опір підлоги в цеху r = 150×104 Ом×см. Довжина заземляючих магістралей, що підлягають укладці в грунт (за планом заводу) Lз.п. = 222 м. Кліматичний розрахунок коефіцієнту (коефіцієнт сезонності) для одиничного заземлювача – труби при глибині укладки 0,5…0,8 м hс1=2, для природних заземлювачів hс1=3. Найменший опір розтіканню обірваного оголеного проводу, що впав на землю Rр = 10 Ом.
Рішення. Опір одиничного заземлювачатруби Rт=hст×R1.вим=2×20=40 Ом. Опір розтікання струму з’єднувальних заземлюючих магістралей:
Rn =ηс.в. × Rп.вим . |
10 |
ηе.п. = 3,400 |
10 |
× 0,65 = 35 Ом, |
|
222 |
|||
|
lз.п. |
|
||
де hе.п. дорівнює коефіцієнту використання (взаємного екранування) з’єднувальних зазeмлюючих смуг у стержневих заземлювачів. При однорядному розміщенні заземлювачів із відношення а/l = 1 і n = 10 приймаємо коефіцієнт екранування hе.п = 0,65.
Опір розтікання струму природних заземлювачів Rl=hс1×R1.вим=3×6= 18 Ом. Необхідна провідність заземлювачів – труб визначається із виразу:
1/Rс = 1/Rз-1/Rп-1/Rl,
де Rс – опір здійсненого заземлення; Rз - опір розтікання струму заземлюючого пристрою; Rп–опір розтікання струму з’єднувальних магістралей; R1.-опір розтікання струму природного заземлення. Тоді:
1/Rс=1/4-1/35-1/18=0,16,
звідси Rс=6 Ом.
Остаточна кількість труб розраховується за формулою:
n =Rl/(Rchе.п.) = 40/(6×0,65) = 10,2 , |
(7.33) |
приймаємо n = 11 шт.
а
l
Рис.7.8 Схема для визначення розтікання струму у заземлювачах
Прийнявши, що заземлювачі із малим опором розтікання струму (водопровід) приєднані до пристрою заземлення, перевіримо його ефективність на випадок замикання на землю при обриванні одного із проводів повітряної лінії. Оскільки за умовою найменший опір розтікання струму проводу, що впав Rр = 10 Ом, пробивання на корпусі дає заземленому обладнанню напругу дотику, яка визначається за формулою:
U лот = L1 L2U |
3 = L1L2 |
|
|
|
|
Uф R3 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
, |
(7.34) |
||||||||
|
|
(R3 + Rдот ) |
||||||||||||
3 |
||||||||||||||
де L1 – коефіцієнт доторкання, приймаємо для виносного заземлення L1 = 1; L2 |
||||||||||||||
– коефіцієнт доторкання, який визначається за формулою: |
|
|||||||||||||
L2 = |
|
1 |
|
= |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
ρ |
|
|
150 ×104 |
= 0,37 |
|
(7.35) |
|||||||
1+ |
|
|
|
1+ |
|
|
|
|
|
|
||||
88R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
88 ×104 |
|
|
|
|
|
|||||||
У формулах (7.34), (7.35) r - питомий опір розтікання струму, Ом×см; R2 – опір тіла людини електричному струму, Ом; U3 – повний потенціал заземлення (напруга відносно точки землі, яка знаходиться безпосередньо у місці замикання); Uф – фазна напруга мережі, В; R3 – необхідний опір за умовами безпеки; Rп – найменше розтікання струму в проводі, що впав на землю.
Тоді:
U дот = 0,37 × |
|
525 × 4 |
= 32 |
В. |
|||
|
|
×(10 |
+ 4) |
||||
3 |
|||||||
|
|
|
|
||||
7.3 Захист від статичної електрики.
На підприємствах легкої промисловості при зіткненні поверхонь двох твердих тіл, а також при промазуванні клеєм деталей взуття й експлуатації систем вентиляції утворюються і накопичуються заряди статичної електрики.
Напруга, що виникає між пластинами конденсатора, обчислюється за формулою: U = Q/C, В, де Q – електричний заряд на одній із пластин, Кл; С – ємність конденсатора, мф. Накопичена енергія визначається за формулою, Дж: Е = 1/2С U2.
Мінімальна енергія для загоряння паро- і газоповітряних вибухонебезпечних сумішей – 0,009…7 МДж, для пилоповітряних вибухонебезпечних сумішей – 10… 250 МДж. При різниці потенціалів 3 кВ іскровий заряд може запалити майже всі пальні гази, а при 5 кВ – пил, який загоряється.
При роботі на пресах ПВГ-18-0 (розруб деталей взуття) виникає потенціал зарядів статичної електрики на таких матеріалах:
Гума пориста, марки ВШ-2 |
- 15Ч103В; |
Шкіра для низу взуття |
- 0,3Ч103В; |
Картон марки П-1 |
- 0,1Ч103В. |
Приклад 7.11. Розрахувати |
заземляючий пристрій для зняття зарядів |
статичної електрики з машин взуттєвого виробництва.
Вихідні дані. Діаметр труб d = 60 мм; заглиблення h = 0,7 м; довжина труб l = 2 м, питомий опір грунту r = 1×102 Ом×см; стрижні з’єднані між собою сталевою смугою 40х4 мм, коефіцієнт сезонності Кс = 1,2, коефіцієнт
екранування hе = 0,6.
Рішення. Опір розтікання струму для однієї вертикальної труби
RTP = 0,366 |
ρ æ |
2l |
+0,5 lg |
4t +l ö |
= 0,366 |
1×10 |
2 æ |
2 ×2 |
+0 ? 5 lg |
4 ×1,7 + 2 ö |
= 36 |
Ом, |
|||
|
çlg |
d |
|
÷ |
|
çlg |
|
4 ×1,7 -2 |
÷ |
||||||
|
|
2 |
0,06 |
||||||||||||
|
l è |
|
4t -l ø |
|
è |
|
ø |
|
|
||||||
t = h + 0,5l = 0,7 + 0,5×2 = 1,7 м.
Кількість трубчастих заземлень
n = |
RTP × Kc |
= |
36×1,2 |
= 18 . |
|
4 ×0,6 |
|||
|
Rηe |
|
||
Довжина сполученої смуги з 18 труб, що розташовані з інтервалом 6 м: ln = 1,05×an = 1,05×6×18 = 113,4 м.
Опір сполученої смуги:
Rn = 0,366 |
ρ |
|
2ln2 |
1×10 |
2 |
2 ×113,4 |
2 |
|
Ом. |
|
|
lg |
|
= 0,366 |
|
lg |
|
|
= 19 |
||
l |
|
2 |
0,04 × 0,7 |
|||||||
|
|
ln |
|
|
|
|||||
Результуючий опір системи заземлення, Ом:
Rрез = |
RTP × Rп |
= |
36 ×1,9 |
= 1,8 Ом. |
|
RTP + Rп |
36 + ×1,9 |
||||
|
|
|
Приклад 7.12. Розрахувати захисний пристрій для двох машин (нейтралізація зарядів статичної електрики) при роздвоєнні шкіри.
Рішення. Для вибору засобів нейтралізації зарядів статичної електрики необхідно визначити значення заряду струму, необхідного для компенсації зарядів, що виникають при роздвоєнні шкіри: Jр = sbv, де s – поверхнева щільність заряду на пластині, Кл/см; в – ширина матеріалу; v – швидкість подачі матеріалу.
Поверхнева щільність заряду smах = Еmах×e0, де Еmах – напруга поля наелектризованої пластини Еmах дорівнює 10 кВ/см; e0 – діелектрична постійна – 8,86 ×10-11 см-1, тоді:
smах = Еmах ×e0 = 10×8,66×10-11 А/см2.
Сила розрядного струму Iр = smах×v = 8,86×10-10×12 = 1,06×10-8 А/см. Внаслідок малого значення розрядного струму стікання зарядів з робітника не відбудеться через токонепровідну підошву, чи взуття, наявності підставок, що мають опір 500 Ом і вище. Для стікання зарядів з робітника його опір не повинен перевищувати 1 МОм, тому для нетралізації зарядів двострічкової машини встановлюють індукційний іонізатор з вістрями (рис. 7.9).
3 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
5
1 |
4 |
80
43
а |
б |
в |
Рис. 7.9 Індукційний нейтралізатор
На рис.7.9. а – з дерев’яним власником; б – зі стрижнями з струмопровідної гуми; в – з еластичним кріпленням голок; 1 – голка; 2 – власник; 3 – кріплення нейтралізатора і заземлення; 4 – струмопровідна гума; 5
–пружина.
Віндукційному нейтралізаторі, з’єднаному з землею, для іонізації повітря використовують тільки електричне поле самої зарядженої поверхні. На індукційному нейтралізаторі, розташованому над наелектризованою поверхнею, індуцірується заряд протилежної полярності. На кінцях голок при
цьому створюється велика напруженість електричного поля, що викликає