Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе

Поскольку целью лабораторной работы является исследование опасностей вследствие стекания тока в землю, то будем рассматривать напряжение прикосновения для человека, стоящего на проводящей поверхности (земля, бетонный или плиточный пол, сырые доски и т.п.) и касающегося заземленного корпуса двигателя и. Рассмотрим ситуацию, когда внешние проводящие элементы электрооборудования (корпус, станина и т.п. заземлены с помощью общей шины заземления на одиночный заземлитель, так, как это показано на рис. 3). При замыкании токоведущих частей на корпус одного из этих двигателей на заземлителе и всех присоединенных к нему металлических частях, в том числе на корпусах исправных двигателей, появится потенциал  _з. Поверхность земли вокруг заземлителя также будет иметь потенциал, изменяющийся по кривой, зависящей от формы и размеров заземлителя.

Напряжение прикосновения для человека, касающегося заземленного корпуса двигателя и стоящего на земле (см. случай 3 на рис. 3), определяется отрезком АВ и зависит как от формы потенциальной кривой, так и от расстояния х между человеком и заземлителем (чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U_пр и наоборот).

Рис. 3 Напряжение прикосновения при одиночном:

1 — потенциальная кривая: 2 — кривая, характеризующая изменение U_пр при изменении х.

 При одиночном полушаровом заземлителе радиусом r потенциал любой точки на поверхности земли вокруг заземлителя описывается уравнением (3), поэтому напряжение прикосновения составит:

(9)

(10)

Коэффициент прикосновения α равен:

α = 1 – r/x (10)

При х  , а практически при х  20 м (случай 1 на рис. 3) отношение r/x → 0, поэтому напряжение прикосновения и коэффициент прикосновения будут иметь максимальные значения:  U_пр = φ_з ; ₁ = 1. По мере приближения человека к заземлителю U_пр и заземлителю уменьшаются и достигают минимальных значений когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 2 на рис. 3), Uпр = 0 и 1 = 0.

Это безопасный случай, т.к. человек не подвергается воздействию напряжения, хотя он и находится под потенциалом заземлителя з.

При одиночном стержневом вертикальном заземлителе с заземлителя стекает ток I₃. Найдем выражение для расчета потенциала точек на поверхности земли и потенциала заземлителя.

Разбиваем заземлитель по длине на бесконечно малые участки каждый длиной dy и диаметром dy т.е. дисковые элементарные заземлители.

С каждого такого участка в землю стекает ток, который обуславливает возникновение элементарного потенциала dφ, в некоторой точке земли.

dIз = , (11)

Рассмотрим точку А на поверхности земли, отстоящую от оси заземлителя на расстоянии х.

Потенциал этой точки будет равен

dφ = , (12)

Учитывая, что m = , и заменяя dIз его значением из формулы (11), получаем:

dφ = , (13)

Проинтегрировав это уравнение по всей длине заземлителя (от 0 до l), получим искомое уравнение для потенциала точки А, т. е. уравнение потенциальной кривой

dφ = = , (14)

Потенциал заземлителя φ₃ будет максимальным, будет, при х = 0,5d т. е.

φз = , (15)

Здесь 0,5 d << l, следовательно, первым слагаемым под корнем можно пренебречь. Тогда это уравнение примет вид:

φз = , (16)

На рис. 2.3 показана потенциальная кривая заземлителя с вертикальным трубчатым электродом с отношением размеров l : d = 50.

Рис. 4 - Распределение потенциала на поверхности земли вокруг заземлителя с вертикальным трубчатым электродом с размерами l : d = 50 (l = 2,5м; d = 0,05м)

Заземлитель с протяженным трубчатым электродом на поверхности

У этого вида заземлителя, находящегося на поверхности земли и заглубленного так, что его продольная ось совпадает с поверхностью земли, изменения потенциальной кривой различны в различных направлениях.

Рис. 5 - Распределение потенциала на поверхности земли вокруг заземлителя с протяженным трубчатым электродом:

а) потенциальная кривая вдоль оси заземлителя;

б) потенциальная кривая в плоскости, перпендикулярной оси заземлителя и пересекающей его в середине;

в) эквипотенциальные кривые на поверхности земли вокруг протяженного заземлителя.

Наиболее резко потенциал падает вдоль оси заземлителя (на концах заземлителя), а поперек оси - по линии, проведенной через его середину снижение потенциалов происходит более плавно.

Уравнение потенциальных кривых этого заземлителя имеют следующий вид:

а) вдоль оси заземлителя (по оси х),

φх = , (17)

где l и d – длина и диаметр сечения заземлителя.

б) поперек оси заземлителя (по оси у),

φу = , (18)

Потенциал заземлителя будет при наименьшем значении х, т. е. при х = 0,5l, если φз вычисляется по (17), или при наименьшем значении у, т. е. при у = 0,5 d, если φз вычисляется из (18), т. е

φз = , (19)

Эквипотенциальные линии на поверхности земли вокруг протяженного заземлителя приближаются по форме к эллипсам, а на большом расстоянии от заземлителя они переходят в окружности (рис.5 в)

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземленной или изолированной нейтралью и выше 1000 В с изолированной нейтралью не должны превышать значений [5], указанных в табл. 2.

Таблица 2

Род тока	Нормируемая величина	Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока t , с
		0,01-0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	Св. 1,0
Переменный 50 Гц	U , B	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
	I , мА	650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	6
Постоянный	U , B	650	500	400	350	300	250	240	230	220	210	200	40
	I , мА												15

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения при аварийном режиме производственных электроустановок с частотой тока 50 Гц, напряжением выше 1000 В, с глухим заземлением нейтрали не должны превышать значений, указанных в табл. 3.

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме бытовых электроустановок напряжением до 1000 В и частотой 50 Гц не должны превышать значений, указанных в табл.4.

Таблица 3

Продолжительность воздействия t , с	Предельно допустимое значение напряжения прикосновения U , В
До 0,1	500
0,2	400
0,5	200
0,7	130
1,0	100
1 < t ≤ 5	65

Таблица 4

 

Продолжительностьвоздействия t, с	Нормируемаявеличина		Продолжительностьвоздействия t, c		Нормируемаявеличина
	U, B	I, мА			U, B	I, мА
От 0,01 до 0,08	220	220		0,6	40	40
0,1	200	200		0,7	35	35
0,2	100	100		0,8	30	30
0,3	70	70		0,9	27	27
0,4	55	55		1,0	25	25
0,5	50	50		Св. 1,0	12	2
Примечание - Значения напряжений прикосновения и токов установлены для людей с массой тела от 15 кг.

Выравнивание потенциалов.

Если заземлитель состоит из двух полусферических элек­тродов, то картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 6. Поля растекания зазем­лителей накладываются друг на друга, и любая точка поверх­ности грунта между электродами имеет значительный потен­циал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.

Рис. 6 Кривые распределения потенциалов

группового заземлителя

Для снижения напряжений прикосновения и шага заземлители распо­лагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга, что приводит к выравниванию потенциалов за счет наложе­ния полей растекания. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 7).

Рис. 7 Заземлитель с выравниванием потенциалов:

вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как напряжения прикосновения и шага могут быть снижены до безопасных величин и как следствие - опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соеди­ненные с заземлителем (см. рис. 8).

Рис. 8 Кривая изменения потенциала за пределами контура

I – без выравнивания; II – с выравниванием

При этом спад потенци­алов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.