ФГБ ОУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

В.М. Пономарев

А.В. Волков

О.И. Грибков

Г.И. Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ПОЛЕ ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА.

Методические указания

к учебно-исследовательской работе № 15

для студентов всех специальностей университета

Москва – 2014

ФГБ ОУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

Пономарев Валентин Михайлович

Андрей Владимирович Волков

Олег Игоревич Грибков

Галина Ивановна Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА. НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

для студентов всех специальностей университета

по дисциплине

«БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

Москва – 2014

УДК 621.316:656.2

П – 46

Пономарев В.М., Волков А.В., Грибков О.И., Шатунова Г.И. Исследование электрического поля заземленного электрода. Напряжения прикосновения и шаг. Методические указания к лабораторной работе №15. – М.: МГУПС (МИИТ), 2014. – 22 с.

Приведены теоретические основы растекания тока в земле, описание экспериментальной установки и порядок проведения работы, подтверждающий описанные закономерности.

Предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех специальностей университета.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2014

Цель работы – исследовать распределение потенциалов в поле растекания тока на проводящей поверхности, рассчитывать напряжения шага и определять безопасные зоны, изучить распределение напряжений прикосновения при аварийном режиме работы электроустановок, разрабатывать технические и организационные мероприятия по обеспечению безопасности применения защитного заземления.

1. Растекание тока в земле

Чаще всего поражения человека электрическим током происходит в результате замыкания электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение. В том случае, если причиной несчастного случая является появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, – на корпусах, кожухах, ограждениях и т. п. говорят об опасности косвенного прикосновения. Напряжение на таких частях относительно земли (напряжение прикосновения) [1] может появиться как результат: повреждения изоляции токоведущих частей электрооборудования (вследствие механических воздействий, электрического пробоя, естественного старения и т. п.); падения провода, находящегося под напряжением, на конструктивные части электрооборудования; замыкания фазы сети на землю.

В этих случаях ток сте­кает в землю через электрод, который контактирует с грун­том. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток частично проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками в поле растекания тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (1м) [1], на которых одновременно стоит человек, называется напряжени­ем шага.

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяе­мой размерами, формой заземлителя и электрическими свой­ствами грунта.

Наиболее просто закон распределения потенциалов определяется для случая, когда ток I_З стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r₀ погруженный в однородный изо­тропный грунт с удельным электрическим сопротивлением  (рис. 1).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r<r₁<r₂<...<r_n.

Рис. 1 Растекание тока в грунте с полусферического

заземлителя

Плотность тока  на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоя­нии x от центра заземлителя, определяется [2] как отношение то­ка замыкания на землю I_З к площади поверхности полусфе­ры радиусом х:

(1)

Для определения потенциала точки А, лежащей на по­верхности радиусом X. выделим элементарный слой толщи­ной dx (см. рис. 1). Падение напряжения в этом слое:

dU=Edx , (2)

где Е =  – напряженность электрического поля.

Проинтегрировав выражение (1) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки отно­сительно земли, в следующем виде:

(3)

Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место ги­перболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).

Потенциал заземлителя радиусом r₀ или напряжение заземлителя относительно земли:

(4)

Заземлитель обладает наибольшим потенциалом. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потен­циал, чем дальше они находятся от заземлителя. В пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Экспериментально доказано, что в результате обрыва провода ЛЭП и замыкания его на землю сопротивление зоны растекания тока зависит от вида грунта. Ориентировочно считают: при замыкании на щебень сопротивление зоны растекания тока равно 10 кОм, на асфальт — 1 кОм, на сырую землю — 100 Ом. 

Напряжение шага.

Напряжение шага определяется, как разность потенци­алов между точками проводящей поверхности при наличии на ней поля растекания электрического тока, например между точками А и Б (см. рис. 2).

. (5)

Рис. 2 Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя

При полусферическом заземлителе точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину a шага человека. Потенциал точки Б:

(6)

напряжение шага получим в виде:

(7)

По мере удаления от заземлителя на­пряжение шага уменьшается. Если ноги человека находятся на оди­наковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю.

Напряжение шага можно выразить через напряжение на заземлителе следующим образом:

(8)

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Коэффициент напряжения шага _Ш зависит от формы и конфигурации заземлителя и от положения относительно зазем­лителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше _Ш и, следовательно, больше шаговое напряжение. Человек, находящийся вне поля растекания то­ка (на расстоянии 10–20 м от заземлителя), не попадает под действие шагового напряжения, так как _ш = 0.

Нахождение человека в поле растекания тока может при­вести к поражению, если шаговое напряжение U_Ш превыша­ет допустимое по условиям электробезопасности значение U_ДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой U_Ш>U_ДОП, на­зывается опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от на­пряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта. Так для железнодорожных путей при обрыве контактного провода (27,5 кВ) опасной считается зона на расстоянии менее 8 м от лежащих на земле оборванных проводов [4].

Работник должен выходить из опасной зоны мелкими шагами, не превышающими длину стопы.