Ответ: Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным.
В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем. Кроме того, одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется также одиночным заземлителем, или заземляющим электродом, или просто электродом, а заземлитель, состоящий из нескольких параллельно соединенных электродов, называется также групповым или сложным заземлителем.
Причинами стекания тока в землю являются: замыкание токоведущей части на заземленный корпус электрического оборудования, падение провода на землю, использование земли в качестве провода и т. п. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала (т. е. напряжения относительно земли) заземлившейся токоведущей части до значения, равного произведению тока, стекающего в землю I з, А, на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути,т.е. сопротивление заземлителя растеканию тока, Rз, Ом: Фз=Iз*Rз.
Это явление, весьма благоприятное по условиям безопасности, используется как мера защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических нетоковедущих частях, которые с этой целью заземляются. Однако наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части при стекании тока в землю возникают и отрицательные явления, а именно появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю. Возникающие при этом разности потенциалов отдельных точек цепи тока, в том числе точек на поверхности земли, могут достигать больших значений, представляющих собой опасность для человека.
Напряжение прикосновения при одиночном и групповом заземлителе.
Ответ:
Напряжение прикосновения Uпр – разность потенциалов между двумя точками токоведущей цепи, в кот. включен человек.
Uпр=I h *R h (где Ih – ток походящий по пути рука – нога, R h – сопротивление тела человека). В области защитных заземлений, занулений и т.п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя φз, В, а другая - потенциал основания в том месте, где стоит человек, φос, В.
В этом случае напряжение прикосновения будет:Uпр= φз- φос= φз*α 1, где α1 - коэффициент, называемый коэффициентом прикосновения, учитывающим форму потенциальной кривой.
Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе: Пусть мы имеем оборудование, например электродвигатели, корпуса которых заземлены с помощью одиночногозаземлителя (электрода) (рис. 14.4).При замыкании на корпус одного из этих двигателей (молниеобразной стрелкой) на заземлителе и на всех присоединенных к нему металлических частях, в том числе на корпусах двигателей, появится потенциал Uпр.
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 (случай 1), характеризуется отрезком АВ и от формы потенциальной кривой и расстояния (х) между человеком и заземлителем: чем дальше от заземлителя находится чел-к, тем больше Uпр. Безопасный случаи: При наименьшем значении х, т.е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 3).
Напряжение прикосновения при групповом заземлителе: Поля растекания токов электродов группового заземлителя накладываются одно на другое, все точки поверхности на участке между электродами имеют потенциалы, отличные от 0. Поэтому в любом месте этого участка U пр <φз, α1<1.
Как и в случае одиночного заземлителя, Uпр=0 и a=0 тогда, когда человек, касаясь заземленного предмета, стоит непосредственно на электроде, входящем в состав группового заземлителя.
Напряжение шага.
Ответ: Напряжение шага – напряжение между 2-мя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на кот. одновременно стоит чел-к. Напряжение шага зависит от формы потенциальной кривой, т. е. от типа заземлителя, и изменяется от некоторого максимального значения до нуля с изменением расстояния от заземлителя (рис. 1).
Максимальные значения U ш - (длина шага 0,8м) будет при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой - на расстоянии шага от него. Объясняется это тем, что потенциал вокруг заземлителей распределяется по вогнутым кривым и, следовательно, наибольший перепад оказывается, как правило, в начале кривой.
Рисунок 1 - Шаговое напряжение при одиночном заземлителе.
Наименьшие значения U ш - будет при бесконечно большом удалении от заземлителя, а практически за пределами поля растекания тока, т. е. дальше 20 м. В этом месте U ш » 0 . На расстояниях, меньших 20 м, U ш будет иметь промежуточное значение, зависящее от типа заземлителя.
Напряжение шага при групповом заземлителе:
Рисунок 2 Шаговое напряжение при групповом заземлителе.
В пределах площади, на которой размещены электроды группового заземлителя, напряжение шага меньше, чем при одиночном заземлителе, но также изменяется от некоторого максимального значения до нуля при удалении от электродов (рис. 2).
Отекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.
При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения ф3 (В), равного произведению тока, стекающего в землю I3 (А) на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути R3 (Ом):
φ= I3R3 (25)
Это явление, весьма благоприятное по условиям безопасности, используется как мера защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических токоведущих у частях, которые с этой целью заземляют. Однако наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части при стекании тока в землю возникают и отрицательные явления, а именно, появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места отекания тока в землю, что может представлять опасность для жизни человека.
Характер распределения потенциалов на поверхности земли, т. е. изменение величины потенциала при изменениях расстояния до заземлителя, можно оценить, рассмотрев случай отекания тока I3 (А) в землю через наиболее простой заземлитель — полушар радиусом r (м) (рис. 64).
Рис. 64. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя
Для упрощения считаем, что земля во всем своем объеме однородна, т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением р (Ом-м). В этом случае ток в земле будет растекаться во все стороны по радиусам полушара и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя. На расстоянии х от центра полушара плотность тока (А/м2) будет
j=I3/2пx2
В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое «поле растекания тока». Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, и поле растекания можно считать распространяющимся лишь на расстояние 20 м от заземлителя.
При постоянном токе, а также при переменном токе с частотой 50 Гц поле растекания тока можно рассматривать как стационарное электрическое поле. Поэтому
На основании этого легко определить потенциал любой точки на поверхности земли, например точки А, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии х (см. рис. 64). Он равен падению напряжения в грунте на участке от х до бесконечности, т. е.
, (26)
где dU падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx:
Потенциал точки А по выражению (26)
Минимальный потенциал, т. е. φ = 0, будет иметь точка, лежащая в бесконечности, т. е. при х = ∞. Практически область нулевого потенциала на поверхности земли начинается обычно на расстоянии 20 м от заземлителя.
Максимальный потенциал будет при наименьшем значении х, т. е. непосредственно на заземлителе (х = r):
, (28)
Решив совместно уравнения (27) и (28), получим
, (29)
Заменив произведение постоянных φ3г на К, получим уравнение равносторонней гиперболы
φ=K*1/x
Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения φ3 до нуля по мере удаления от заземлителя (см. рис. 64).
Для вертикального стержневого заземлителя уравнение потенциальной кривой имеет следующий вид:
где l — длина заземлителя, м,
Максимальный потенциал, т. е. потенциал стержневого заземлителя, будет при наименьшем значении х, т. е. при х = 0,5 d:
здесь d — диаметр заземлителя, м.
Сопротивление заземлителя растеканию тока. Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением растекания. Оно имеет три слагаемых: сопротивление самого заземлителя, переходное сопротивление между заземлителем и грунтом и сопротивление грунта.
Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому ими пренебрегают и под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.
Сопротивление растеканию любого заземлителя R3 (Ом) определяется по выражению (25) как частное от деления потенциала заземлителя φ3 (В) на ток J3 (А), протекающий в землю через заземлитель.
Так, например, сопротивление растекания одиночного полушарового заземлителя, потенциал которого определяется выражением (28), будет:
Формулы для вычисления сопротивлений некоторых заземлителей приведены в табл. 14.
По условиям безопасности заземление должно обладать относительно малым сопротивлением. Поэтому в практике применяется, как правило, групповой заземлитель, т. е. заземлитель, состоящий из нескольких параллельно включенных одиночных заземлителей (электродов).
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 вокруг каждого одиночного заземлителя возникают самостоятельные потенциальные кривые, взаимно не пересекающиеся. При одинаковых размерах, а следовательно, при одинаковых сопротивлениях одиночных заземлителей R0 сопротивление группового заземлителя Rгp будет:
Rгp = R0/n
где п — количество одиночных заземлителей.
При малых расстояниях между электродами (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют суммарную потенциальную кривую (рис. 65).
Рис. 65. Потенциальная кривая Группового заземлителя и поле растекания тока при расстоянии между электродами S < 40 м
Полезная информация:
Стекание электрического тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.
Для упрощения дальнейших рассуждений считаем, что земля во всём своём объёме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным электрическим сопротивлением (ρ, Ом · м). В этом случае ток будет растекаться во все стороны одинаково по радиусам полушария (рис. 7).
Рис. 7. Схема образования напряжения шага
а) – общая схема; б) – растекание тока с опорной поверхности ног человека.
А, Б – опорные точки ног человека; З – точка замыкания на землю; U з – напряжение замыкания;
U ш – напряжение шага; а – ширина шага; φ – электрический потенциал; x – радиальное расстояние от точки замыкания на землю
В объёме земли, где проходит ток, возникает так называемое «поле растекания тока», имеющее полусферическую конфигурацию. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в реальных условиях уже на расстоянии 20-ти м от точки замыкания сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается настолько большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. На поверхности земли при этом возникает неравномерное электрическое (для постоянного тока) или электромагнитное (для переменного тока) круговое поле с максимумом потенциала (φ, В) в точке замыкания на землю.
Если в этой ситуации человек будет радиально шагать к точке замыкания на землю по её поверхности, то его ноги при каждом шаге будут оказываться под всё бульшей разностью потенциалов (см. рис. 7а).
Напряжением шага называется напряжение между двумя точками на поверхности земли, расположенными на расстоянии 1 м одна от другой (принимается равным длине шага человека), обусловленное растеканием тока замыкания на землю.
Основной путь тока при этом пролегает через ноги и тазобедренную часть тела, где расположены гонады – одна из важнейших составляющих половой системы человека. Указанное обстоятельство, кроме рассмотренных выше негативных факторов воздействия на человека электрического тока, нарушает нормальное состояние репродуктивной функции организма. Действие электрического тока в этой ситуации может усугубиться тем, что из-за судорожных сокращений мышц ног, возможно падение человека, после чего цепь тока замыкается на его теле через другие жизненно важные органы (мозг, сердце, лёгкие и др.). Кроме того, рост человека, который больше ширины шага, обусловливает бульшую разность потенциалов (напряжение, приложенное к телу).
Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем . Одиночные заземлители различаются формой, размерами и способами осуществления контакта с землей.
Распределение потенциалов на поверхности земли (потенциальная кривая) имеет свои особенности для:
шарового заземлителя, находящегосяся в земле на большой глубине;
шарового заземлителя вблизи поверхности земли;
полушарового заземлителя;
стержневого заземлителя;
дискового заземлителя.
Потенциальная кривая заземлителя любой формы на относительно большом от него расстоянии (по сравнению с размерами заземлителя) приближается к потенциальной кривой полушарового заземлителя и описывается уравнением, В (х – расстояние от заземлителя, м):
Важно отметить также и то, что потенциал земли на расстоянии свыше 20 м от заземлителя любой формы, как и в случае полушарового заземлителя, при небольших токах, стекающих с заземлителя, можно считать практически равным нулю .
В. Сопротивление растеканию тока одиночного заземлителя
Сопротивление заземлителя растеканию тока. Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением растекания.
Оно имеет три слагаемых:
сопротивление самого заземлителя;
переходное сопротивление между заземлителем и грунтом (т. е. контактное сопротивление между поверхностью заземлителя и прилегающими к ней частицами земли);
сопротивление грунта.
Два первых слагаемых по сравнению с третьим малы, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.
Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20 м от заземлителя практически равна нулю, можно считать, что сопротивление стекающему току оказывает лишь соответствующий объем земли; для одиночного заземлителя это полусфера радиусом 20 м. Однако при разных формах и размерах заземлителя сопротивление этого объема земли различно.
Поэтому выражения для вычисления сопротивлений растеканию тока одиночных заземлителей различной формы имеют свои особенности:
Сопротивление растеканию тока одиночного шарового заземлителя ;
Сопротивление растеканию тока полушарового заземлителя ;
Сопротивление растеканию тока одиночных заземлителей других типов .
До сих пор, рассматривая явления стекания тока в землю, мы считали, что земля во всем своем объеме однородна , т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ,Омм. . В действительности земля имеет слоистое строение и реально необходимо определять сопротивления заземлителей растеканию тока в многослойных грунтах .
С. Электрические свойства грунтов
Электрическое сопротивление земли
Земля является плохим проводником электрического тока: проводимость ее в несколько миллиардов раз меньше проводимости металлов.
Грунт представляет собой дисперсное пористое тело, состоящее из трех частей: твердой , жидкой (связаннная вода и свободная вода ) и газообразной (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Схематичная структура грунта
1- твердая часть; 2 - связанная вода;
3 - свободная вода;
4 - газообразная часть (воздух, пары воды)
Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением , т. е. сопротивлением куба грунта с ребром длиной 1 м. Единицей объемного удельного сопротивления является Ом на метр (Ом х м).
Значение земли колеблется в широких пределах: от десятков до тысяч Ом на метр. Оно зависит от многих факторов, в том числе от:
влажности ,
температуры ,
рода грунта ,
степени его уплотненности ,
от времени года .
Измерение удельного сопротивления грунта . При проектировании заземляющего устройства необходимо знать грунта в том месте, где будет сооружаться заземление. Пользоваться для этой цели данными таблиц нельзя, так как в них приводятся ориентировочные значения , которые могут отличаться от истинных в десятки и сотни раз.
Удельное сопротивление однородной земли
Удельное сопротивление однородной земли определяется методом разового (или глубокого) зондирования (иначе этот метод называется методом простого пробного электрода) с помощью контрольного зонда в два этапа. Вначале контрольный зонд - стержневой электрод в виде сплошного стержня или трубы диаметром d =4–5 см с острым наконечником - погружается в землю вертикально до глубины l , м предполагаемого заложения заземлителей так, чтобы верхний его конец возвышался над землей, и замеряется его сопротивление растеканию R изм, Ом.
Затем определяется искомое измеренное удельное сопротивление земли, Ом*м по формуле для расчета стержневого заземлителя :
(2.49)
Для большей точности измерений контрольный зонд погружают в землю не менее чем в трех – четырех местах исследуемой площадки
Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом при повреждении электрической изоляции оборудования, падении на землю оборванного провода и др. 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 проходит через его ноги.
Напряжение между двумя точками электрической цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжением шага или шаговым напряжением.
Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяемой размерами, формой заземлителя и электрическими свойствами грунта.
Для выявления закона распределения потенциалов грунта в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток I З стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r 0 погруженный в однородный изотропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).
Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r r 1 r 2 <...>r n .
Рис. 1 Растекание тока в грунте с полусферического
заземлителя
Поверхности этих сечений соответственно равны:
Ток распределяется по этим поверхностям равномерно, так как грунт однородный и изотропный. Плотность тока d на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоянии x от центра заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I З к площади поверхности полусферы радиусом х:
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)
гдеЕ = dr – напряженность электрического поля.
Потенциал точки А или напряжение этой точки относительно земли равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:
(3)
Подставив в выражение (3) соответствующие значения из выражений (1) и (2), а также значение Е. получим
(4)
Проинтегрировав выражение (4) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки относительно земли, в следующем виде:
(5)
Так как 
, то (5) принимает вид:
Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).
Рис. 2 Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя
Потенциал заземлителя радиусом r 0 или напряжение заземлителя относительно земли:
(6)
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. Причина подобного распределения потенциалов кроется в своеобразной форме проводника (земли), сечение которого возрастает пропорционально второй степени радиуса полусферы (рис. 3).
Ток, стекая с заземлителя, растекается по земле, которая оказывает сопротивление протеканию тока. Сопротивление растеканию тока заземлителя определяется, как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до точки с нулевым потенциалом. Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном изотропном грунте, сопротивление растеканию R РАС имеет вид:
Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли (грунта) лежащие вблизи заземлителя, так как ток протекает здесь по малому сечению. В этих точках имеют место наибольшие падения напряжения.
Рис. 3 Упрошенная модель проводника земли
По мере удаления от заземлителя сечение проводника (земли) увеличивается и сопротивление растеканию тока уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения. На расстоянии 10¸20 м от заземлителя сечение проводника (земли) становится настолько большим, что земля практически не оказывает сопротивления проходящему току. Таким образом, потенциал точек грунта, находящихся на расстоянии 10¸20 м от одиночного полусферического заземлителя, практически равен нулю.
Шаговое напряжение определяется, как разность потенциалов между точками, например А и Б (см. рис. 4).
Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние r
, то ее потенциал, исходя из (5) при полусферическом заземлителе получим в виде:
Точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a. Потенциал точки Б:
Рис. 4 Возникновение шагового
напряжения
Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю. Пусть расстояние от заземлителя до эквипотенциали, на которой находится человек, равно r , тогда шаговое напряжение равно нулю.
Значение шагового напряжения зависит от размера шага. Уменьшение его приводит к снижению шагового напряжения. Шаговое напряжение зависит от напряжения заземлителя:
где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.
Коэффициент напряжения шага b Ш зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно заземлителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше b 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 b Ш = 0. Как видно из выражения для определения коэффициента шага, его значение меньше единицы. Таким образом, шаговое напряжение составляет часть напряжения на заземлителе. Полученное выражение для определения b Ш справедливо только для полусферического заземлителя.
Для другой формы заземлителей, а также для заземлителей, состоящих из нескольких электрически соединенных между собой электродов, распределение потенциалов определяется сложными зависимостями. Следовательно, и коэффициент напряжения шага в различных случаях определяется очень сложными выражениями. Для одиночного протяженного заземлителя длиной l >20 м b Ш =0,14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединенных полосой, b Ш = 0,10.
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.
Рис. 5 Кривые распределения потенциалов
группового заземлителя
Пусть заземлитель состоит из двух полусферических электродов. Картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 5. Поля растекания заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности грунта между электродами имеет значительный потенциал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.
Для снижения шаговых напряжений 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. 6).
Рис. 6 Заземлитель с выравниванием потенциалов:
вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)
Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как шаговое напряжение U Ш U ДОП, т. е. опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соединенные с заземлителем (см. рис. 7). При этом спад потенциалов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
Методические указания к практической работе по курсу
«Безопасность жизнедеятельности»
для студентов всех специальностей
Кемерово 2004
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: освоить методику определения электрического сопротивления заземляющих устройств.
В процессе выполнения работы студенты должны:
– изучить воздействие электрического тока на организм человека;
– ознакомиться с принципом действия заземляющих устройств;
– изучить типы и конструкции существующих устройств для заземления электрооборудования;
– оценить зависимость сопротивления растекания заземляющего устройства от некоторых параметров;
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Среди всех видов производственных травм электротравмы составляют около 11 %, но поражение электрическим током приводит к тяжелым последствиям. Так, среди случаев со смертельным исходом доля электротравм достигает 20–40 %. Большая часть пострадавших переходит на инвалидность. Причем последствия электротравм могут проявляться через много лет после происшествия. В 30 % случаев тяжелые последствия от поражения электрическим током развиваются в первые десять дней, в 15 % – через два месяца, в 35 % – через год и в 20 % проявляются через два года.
Проходя через организм, электроток производит термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие проявляется в интенсивном нагреве тканей, расположенных на пути движения тока. Электролитическое действие тока проявляется в разложении органических жидкостей, изменении движения ионов солей. Механическое действие тока обусловлено электродинамическим эффектом и взрывоподобным образованием пара, приводящим к расслоению и разрыву тканей. Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей.
Электротравмы могут вызвать и различные заболевания. Зачастую после поражения электрическим током фиксируются развитие диабета, заболевания щитовидной железы, половых органов, сердечно-сосудистой системы, провоцируются болезни аллергической природы. Последствием электротравм могут быть неожиданные кровотечения, вегетативные расстройства, поражение центральной нервной системы.
Исход поражения человека электротоком зависит от силы тока и длительности его прохождения через организм, характеристики тока (переменный или постоянный, частота), пути прохождения тока в теле человека. Величина тока, проходящего через организм, зависит от напряжения и площади прикосновения, состояния кожного покрова, физического и психического состояния человека. Переменный ток опаснее постоянного до напряжения 500 В. При более высоком напряжении более опасным становится постоянный ток.
Сопротивление тела человека уменьшается при увеличении воздействующего напряжения. При напряжении 40–45 В наступает пробой кожных покровов, представляющих основное электрическое сопротивление в организме, после чего сопротивление тела человека практически равно сопротивлению внутренних тканей (порядка 1 кОм).
По степени воздействия на человека можно выделить следующие пороговые значения тока: ощутимый, неотпускающий и фибрилляционный. Ощутимый ток, вызывающий ощутимые раздражения, при переменном токе с частотой 50 Гц находится в диапазоне 0,6–1,5 мА. Болевые ощущения фиксируются при величине тока 2,0–2,5 мА. Начало судорог в руках происходит при токе 5,0–7,0 мА. Неотпускающий ток, вызывающий сильные боли и затрудненное дыхание, судорожные сокращения мышц, при которых человек не способен самостоятельно освободиться от токоведущих частей, возникает в диапазоне 20,0–25,0 мА. Паралич дыхания происходит при токе 50,0–80,0 мА. Фибрилляционный ток, значение которого находится на уровне 90–100 мА, приводит к нарушению ритмичных сокращений мышц сердца и возникновению хаотичных сокращений отдельных мышечных волокон с частотой до 700 за минуту, что может вызвать прекращение перекачки крови и гибель организма.
Допустимым считается ток, при котором человек может самостоятельно освободиться от электрической цепи. При длительности воздействия более 10 с – это 2 мА, при контакте от 1 до 10 с – это 6 мА.
2. СВЕДЕНИЯ О ЗАЩИТНОМ ЗАЗЕМЛЕНИИ
2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Любое электрооборудование может оказаться под напряжением при неисправности изоляции токоведущих частей. Причинами нарушения изоляции могут быть механические повреждения, действие химически агрессивной среды, повышение температуры, неправильная эксплуатация электроустановок. Неожиданность неисправности и неподготовленность к ней людей приводит, как правило, к несчастным случаям.
Основным защитным мероприятием от поражения электротоком на электроустановках является установка защитного заземления. Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей металлических частей электрооборудования, не находящихся под напряжением в обычных условиях, но которые могут оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции токоведущих частей.
Защитное действие достигается путем снижения напряжения на корпусе электрооборудования за счет стекания тока на землю через заземляющее устройство малого электрического сопротивления. Чем меньше будет сопротивление заземляющего устройства, тем меньше будет напряжение на заземленном корпусе оборудования, что уменьшит величину тока, проходящего через человека. Второй защитный эффект заземляющего устройства может быть обусловлен выравниванием напряжения между оборудованием и землей, на которой находится человек, за счет увеличения потенциала земли в месте стекания тока. Поэтому для предотвращения несчастных случаев от поражения электрическим током перед монтажом заземляющего устройства рассчитывают его параметры из условия снижения величины тока, протекающего через человека, до допустимых уровней.
Защитное заземление применяется во всех электроустановках переменного тока напряжением 380 В и выше и постоянного тока напряжением 440 В и более. В помещениях с повышенной опасностью заземляют электроустановки с напряжением переменного тока 42 В и более, а постоянного тока начиная со 110 В. Во взрывоопасных помещениях заземление применяют независимо от величины напряжения.
Контрольные измерения заземляющих устройств должны проводиться не реже одного раза в год в период наименьшей проводимости. Один раз летом при наибольшем просыхании почвы, а на следующий год – зимой при наибольшем промерзании грунта.
2.2. КОНСТРУКЦИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Конструктивно заземление состоит из заземлителей (электродов) и заземляющих проводников (рис. 1). Заземлители могут быть естественными или искусственными. В качестве естественных заземлителей используют проложенные в земле металлические трубопроводы (за исключением трубопроводов с горючими жидкостями и газами), металлические элементы и арматура железобетонных конструкций зданий и сооружений и т.п. В качестве искусственных заземлителей используются стальные трубы диаметром 25–60 мм с толщиной стенок не менее 3,5 мм, уголковая или полосовая сталь сечением не менее 48 мм 2 , а также прутковая сталь диаметром не менее 10 мм. Длину вертикальных заземлителей (электродов) рекомендуется принимать равной 2,0–5,0 м. Расстояние от поверхности грунта до начала одиночного вертикального заземлителя (заглубление электрода) составляет 0,5–0,8 м.
Электрическая связь между вертикальными заземлителями осуществляется заземляющими магистральными проводниками, изготавливаемыми обычно из полосовой стали сечением не менее 48 мм 2 или стали круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Заземляющие проводники соединяют заземляемые объекты с заземлителями и изготавливаются обычно из стали прямоугольного или круглого сечения. Заземляющие магистральные проводники соединяются с вертикальными заземлителями посредством сварки. Заземляемые объекты соединяются с заземляющим устройством через болтовые соединения или путем сварки.
Заземляющие устройства могут быть выносного или контурного типа. При контурном заземлении (рис. 1) заземлители располагаются равномерно по периметру площадки, на которой находится электрооборудование. Выносное очаговое заземляющее устройство (рис. 2) располагается за пределами площадки, где установлено подлежащее заземлению оборудование. Схема выносного заземляющего устройства при расположении электродов в ряд приведена на рис. 3.
2.3. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Для обеспечения безопасности эксплуатации электрооборудования производят расчет заземляющих устройств уже на стадии проектирования. Электроустановки напряжением до 1000 В при изолированной нейтрали и мощности трансформатора более 100 кВА должны иметь сопротивление защитного заземления не более 4 Ом. При мощности
Рис. 1. Схема контурного заземления электрооборудования:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземляющий магистральный проводник; 7 – заземлитель
Рис. 2. Схема выносного очагового заземления
электрооборудования:
Рис. 3. Схема выносного заземления электрооборудования при расположении электродов в ряд:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземлитель
трансформатора менее 100 кВА сопротивление заземления не должно превышать 10 Ом.
Сопротивление заземлителей растеканию тока зависит от их числа, размеров, удельного сопротивления грунта. Сопротивление одиночного стержневого заземлителя (электрода) определяется по формуле, Ом
(1)
где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м; d – диаметр стержневого заземлителя, м; l – длина стержневого заземлителя, м; h – глубина размещения заземлителя, м
h = 0,5l + h 0 , (2)
где h 0 – расстояние от поверхности грунта до начала одиночного заземлителя, от 0,5 до 0,8 м.
Для заземлителей из угловой стали предварительно определяют эквивалентный диаметр по формуле
где С – ширина полок уголка, м.
Необходимые для расчета значения удельных сопротивлений грунтов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Количество стержневых заземлителей, необходимых для достижения нормативного сопротивления заземляющего устройства, определяется по формуле
где R D – допустимое (нормативное) сопротивление заземления, Ом; η C – коэффициент сезонности; η I – коэффициент использования (экранирования) в вертикальных заземлителях.
Забитые электроды соединяются металлической полосой сечением не менее 48 мм 2 . Длина полосы для контура равна
L n = 1,05a(N – 1), (5)
а при расположении электродов в ряд
где a – расстояние между электродами, м; N – число электродов, шт.
Численные значения коэффициента сезонности в основном определяются колебанием влажности почвы в течение года и заданы в табл. 2.
Таблица 2
Численные значения коэффициента использования (экранирования) для вертикальных заземлителей (электродов) при их размещении по контуру и в ряд (выносная схема) приведены в табл. 3.
Таблица 3
Сопротивление растеканию электрического тока соединяющей полосы, уложенной в земле, определяется по формуле, Ом
где L – длина полосы, м; b – ширина полосы, м; h – глубина заложения полосы от поверхности земли, м.
Результирующее сопротивление растеканию электрического тока всего заземляющего устройства определяется по формуле
где η p – коэффициент использования (экранирования) горизонтальной соединительной полосы.
Численные значения коэффициента использования горизонтального полосового электрода в зависимости от числа вертикальных электродов, соединяемых им, приведены в табл. 4.
Таблица 4
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Для определения параметров заземляющего устройства, необходимых для получения допустимого электрического сопротивления заземления, обеспечивающего безопасность работающего персонала в случае нарушения изоляции токоведущих частей электроустановки, задается один из вариантов (табл. 5). В табл. 5 приведены вид грунта, порядок расположения вертикальных заземлителей, размеры электродов и расстояние между ними.
2. В соответствии с заданным вариантом выбирается значение удельного сопротивления грунта из табл. 1 и рассчитывается сопротивление одиночного электрода (R 0) по формуле (1). Расстояние от поверхности грунта до начала заземлителя (h 0) принимается равным 0,7 м. Результат заносится в табл. 6.
3. Для расчета необходимого количества вертикальных заземлителей (электродов) применяем метод последовательных приближений. На первом шаге определяют количество электродов по формуле
где R D – допустимое сопротивление заземления, принимается равным 4 Ом.
Коэффициент сезонности (η C) определяется из табл. 2 для месяца, имеющего наименьшее численное значение этого параметра.
На втором шаге, исходя из предварительного числа необходимых электродов (полученных по формуле (9)), по табл. 3 определяют коэффициент использования в вертикальных заземлителях (η I). Полученный коэффициент подставляют в формулу (4) и рассчитывают необходимое число электродов.
Таблица 5
На третьем шаге, по полученному на втором шаге расчета числу вертикальных заземлителей, определяют по табл. 3 уточненный коэффициент использования и вновь рассчитывают требуемое число вертикальных заземлителей по формуле (4). Полученное количество вертикальных заземлителей округляется до целого числа. Коэффициенты сезонности, использования (экранирования) и рассчитанное количество электродов заносятся в табл. 6.
4. По формулам (5) или (6) рассчитывают длину горизонтальной металлической полосы, соединяющей вертикальные электроды. Затем вычисляют сопротивление растеканию тока соединяющей полосы, уложенной в земле, по формуле (7). Значение удельного сопротивления грунта определяют по табл. 1. Ширина стальной полосы равна 12 мм, толщина 4 мм. Глубина заложения полосы от поверхности земли равна 0,7 м. Полученные численные значения также заносят в табл. 6.
5. Результирующее сопротивление растеканию электрического тока всего заземляющего устройства вычисляют по формуле (8). Коэффициент использования горизонтальной соединительной полосы определяют по табл. 4. Полученные значения заносятся в табл. 6.
6. Расчетное сопротивление заземляющего устройства сравнивают с допустимым. Если соблюдается условие R ≤ R D , то заземляющее устройство считается обеспечивающим безопасность эксплуатации электроустановок.
Таблица 6
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое действие на организм человека оказывает прохождение электрического тока?
2. Назовите основные причины электротравматизма?
3. Что называется защитным заземлением?
4. За счет чего достигается защитное действие заземления?
5. Когда применяют защитное заземление?
6. Что применяется в качестве естественных заземлителей?
7. Какие требования предъявляются к устройству заземляющих проводников?
8. От каких параметров зависит сопротивление заземляющих устройств?
ЛИТЕРАТУРА
1. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. – 216 с.
2. Правила устройства электроустановок. – 6-е изд. – СПб.: ДЕАН, 2001. – 928 с.
3. Правила эксплуатации электроустановок потребителей. – СПб.: ДЕАН, 2000. – 320 с.
4. Долина П.А. Справочник по технике безопасности. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 825 с.
5. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьков и др.; Под общ. ред. С.В. Белова. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. – 448 с.
Составители
Вячеслав Алексеевич Портола
Людмила Николаевна Денисова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Методические указания к практической работе по курсу
«Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей
Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным.
В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем. Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем, а заземлитель, состоящий из нескольких параллельно соединенных одиночных заземлителей, называется групповым или сложным заземлителем.
Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе, в земле вокруг заземлителя и на поверхности земли некоторых потенциалов. В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, при шаровом заземлителе малого радиуса, поле растекания можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м.
Рисунок. Полушаровой электрод
Рисунок. Потенциальная кривая одиночного полушарового заземлителя - показывает распределение потенциалов на поверхности земли
Рисунок. Эквипотенциальные линии - линии на поверхности земли с одинаковым потенциалом
Основными характеристиками одиночного заземлителя являются:
- напряжение на заземлителе;
| Конструкция заземлителя | Примечание | |
| I з – ток стекающий в землю, R – радиус шара; ρ – удельное сопротивление земли | ||
 |
||
| D – диаметр диска | ||
 |
l – длина заземлителя; d – диаметр сечения стержневого заземлителя |
- вид потенциальной кривой (потенциалы точек земли в зоне растекания и их изменение в зависимости от расстояния до заземлителя);
| Конструкция заземлителя | Уравнение для определения потенциальной кривой | Примечание |
| Полушаровой у поверхности земли |  |
|
| Стержневой круглого сечения у поверхности земли |  |
l – длина заземлителя |
| Дисковый на поверхности земли |  |
D – диаметр диска |
| Протяженный стержневой круглого сечения лежащий на земле | Вдоль оси заземлителя  |
l – длина заземлителя |
Поперек оси заземлителя  |
- вид эквипотенциальных линий (линий равного потенциала на поверхности земли);
- сопротивление заземлителя и заземляющего устройства;
- напряжения прикосновения и шага.
Рассмотрим физические явления для группового заземлителя.
При бесконечно больших расстояниях между электродами группового заземлителя (на практике можно считать, что более 40 м) поля растекания токов вокруг них практически не взаимодействуют. В этом случае потенциальные кривые каждого электрода взаимно не пересекаются.
Рисунок. Групповой заземлитель стержневого типа круглого сечения у поверхности земли (при «большом» расстоянии между электродами)
Рисунок. Распределение потенциалов на поверхности земли при групповом заземлителе (при «большом» расстоянии между электродами)
При малых расстояниях между электродами группового заземлителя (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые электродов взаимно пересекаются и, складываясь, образуют непрерывную суммарную потенциальную кривую группового заземлителя. Поскольку электроды группового заземлителя связаны между собой электрически, они имеют одинаковый потенциал, являющийся потенциалом группового заземлителя. Следовательно, потенциал каждого электрода группового заземлителя будет состоять из собственного потенциала, обусловленного стеканием через него тока, и потенциалов наведенных другими электродами. В общем случае собственные потенциалы электродов не равны, как не равны и потенциалы, наводимые другими электродами. Однако, сумма собственного и всех наведенных на электроде потенциалов для всех электродов одинакова и равна потенциалу группового заземлителя.
Рисунок. Распределение потенциалов на поверхности земли при групповом заземлителе (синим цветом показаны потенциальные кривые одиночных заземлителей, а красным – потенциальная кривая группового заземлителя)
В результате поверхность земли на участках между электродами приобретает некоторый потенциал. При этом форма суммарной потенциальной кривой зависит от расстояния между электродами, их взаимного расположения, числа, формы и размеров.