Растекание тока в земле при замыкании

Зона — растекание — ток

Зона растекания тока — зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю. [1]

В зоне растекания тока ( пространство вокруг заземлителя в радиусе 20 м) между двумя любыми точками на поверхности земли имеется разность потенциалов. [2]

Поэтому из зоны растекания токов замыкания человек должен выходить так, чтобы его шаги были небольшими, в пределах 25 — 30 см, тогда он будет подвергнут наименьшему напряжению и избежит поражения электрическим током. [3]

Поэтому из зоны растекания токов замыкания человек должен выходить так, чтобы его шаги были небольшими, в пределах 25 — 30 см, тогда он будет подвергнут наименьшему напряжению и избежит поражения электри — ческим током. [4]

Потенциалы земли в зоне растекания тока определяются характером изменения напряженности электричес-кого поля, определяемой в свою очередь конструкцией заземляющих устройств и параметрами электрической структуры земли. Очевидно, что потенциал земли при прочих равных условиях убывает по мере удаления от заземлителей. [5]

При этом выходить из зоны растекания тока рекомендуется, перемещаясь прыжками на одной ноге и располагая ступню вдоль линии равного потенциала. [6]

Если человек окажется в зоне растекания тока и будет стоять а поверхности земли, имеющей разные потенциалы в местах, где расположены ступни ног, то на длине шага возникнет напряжение шага, соответствующее разности этих потенциалов. Через тело человека будет проходить электрический ток, опасность которого зависит от его значения. Чтобы исключить попадание человека под Напряжение шага, не следует приближаться к месту повреждения на ( расстояние менее 4 — 5 м в закрытых помещениях и 8 — 10 м яа открытых подстанциях. Только в крайнем случае для ликвидации аварии или для оказания первой помощи пострадавшему можно приблизиться к месту повреждения на меньшее рассто-яние — Лри этом следует использовать защитные средства: боты, галоши, коврики, деревянные лестницы, доски или другие плохо проводящие электрический ток предметы. [7]

Зона растекания тока замыкания землю

Электротравмы в большинстве случаев происходят в режимах однофазного (однополюсного) прикосновения человека к токоведущей части электроустановки или к нетоковедущим металлическим конструкциям, случайно оказавшимся под напряжением вследствие повреждения электрической изоляции. Пожароопасные ситуации также в большинстве случаев возникают в режимах однофазного (однополюсного) замыкания на землю токоведущих частей электроустановки при эксплуатационных повреждениях изоляции. В этих режимах значения токов в цепях «токоведущая часть — земля» или «токоведущая часть — тело человека — земля» определяются параметрами цепей связи токоведущих частей с землей не только через сопротивления утечки, как это указывалось в предыдущей статье, но и через сопротивления замыкания на землю или принятого в проекте электроустановки искусственного заземления токоведущих частей.

Замыкания на землю Согласно Правилам устройства электроустановок (п. 1.7.10) замыканием на землю называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или с землей непосредственно. Вблизи места замыкания на землю формируется зона растекания тока — пространство, на поверхности которого электрические потенциалы отличны от нуля. Понятие об этой зоне — одно из основополагающих в теории электробезопасности. Поэтому рассмотрим его подробнее, взяв в качестве примера линию передачи электроэнергии (ЛЭП). Пусть по какой-либо причине происходит замыкание фазного провода С на опору ЛЭП (увлажненность, загрязнение изоляторов, крылья птицы и пр.). Ток замыкания на землю протекает по контуру: фаза С — опора ЛЭП — земля — сопротивление заземления нейтрали R0 трансформатора ЛЭП — нейтраль 0 трансформатора (рис. 1). Вблизи опоры ЛЭП формируется зона растекания тока (считается, что ее радиус равен 20 м). В этой зоне ток протекает в земле по радиусам во все стороны от фундамента опоры. Поэтому упрощенно поперечное сечение проводящего слоя земли можно принять за полусферу, площадь которой S = 2 p x 2 , где x — расстояние до опоры. То есть по мере удаления от фундамента опоры ток замыкания на землю протекает как бы по проводнику с переменным сечением, увеличивающимся по мере удаления от места замыкания. Наибольшая плотность тока jзам наблюдается вблизи места замыкания (здесь наименьшее сечение проводника — земли). По мере удаления от места замыкания сечение проводника — земли возрастает и поэтому плотность тока jзам = Iзам/2 p x 2 постепенно уменьшается до бесконечно малого значения. Соответственно изменяется и напряженность электрического поля в зоне растекания тока E = r jзам (здесь r — удельное сопротивление грунта) — от максимального значения до нуля. То есть потенциалы электрического поля в зоне растекания тока изменяются от максимального значения j зам в месте замыкания на землю до практически нулевого значения на расстоянии 20 м от места замыкания. Такая закономерность характерна для любых вариантов замыканий на землю (замыкание на опору ЛЭП взято лишь для наглядности).

РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

2.1 Общие сведения

Опасность поражения электрическим током создается напряжением прикосновения или напряжением шага.

Напряжение прикосновения

. Это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Напряжение прикосновения приложено только к телу человека и оно определяется как падение напряжения в теле человека по (2.1)

где Ih – ток через человека, А; Rh – сопротивление человека, Ом.

При однофазном прикосновении, напряжение прикосновения зависит от напряжения на корпусе относительно земли. При двухфазном прикосновении — напряжение прикосновения равно рабочему напряжению сети.

При протекании тока по пути тока нога-нога в зоне вблизи заземлителя создается напряжение шага.

Напряжение шага

или шаговое напряжение – это напряжение между двумя точками, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Ток через человека также зависит от тока замыкания на землю. Для расчета напряжений прикосновения и напряжения шага рассмотрим физические основы их возникновения. Их возникновение объясняется природой растекания тока замыкания на землю.

2.2 Природа растекания тока замыкания на землю

Замыкание на землю может произойти при контакте токоведущей части с заземленным корпусом, пробое изоляции высоковольтного оборудования, падении оборванного провода и ряде других причин.

Заземленный корпус имеет соединение с заземлителем заземляющего устройства. При замыкании на корпус ток проходит через заземлитель на землю, рисунок 2.1. Происходит стекание тока заземления в грунт и вокруг заземлителя создается поле растекания тока. Параметры поля растекания зависят от разных условий. К ним можно отнести форму и размеры заземлителя, состав грунта, влажность грунта, время года и так далее.

Для определения параметров принимаются некоторые допущения и упрощения, с тем чтобы получить общую картину растекания тока.

В качестве заземлителя принимается одиночный заземлитель полусферической формы. Грунт считается однородным с удельным сопротивлением r. Линии тока растекания направлены по радиусам от центра полусферического заземлителя и перпендикулярны его поверхности.

Рисунок 2.1 — Растекание тока замыкания на землю

Если грунт однородный, то ток замыкания равномерно распределяется по его поверхности, с определенной плотностью тока d.

Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы. Точкам каждой сферы соответствует одна и та же плотность тока и напряженность. Такая поверхность называется эквипотенциальной

поверхностью, рисунок 2.1.

Плотность тока по поверхности грунта с удалением от заземлителя снижается, что видно из формулы (2.2)

где – расстояние от центра заземлителя до любой точки «А» поверхности грунта, м; IЗ — ток замыкания, А.

Чем дальше от заземлителя, тем ниже плотность тока. На большом удалении плотность тока практически равна нулю.

Каждая точка грунта имея определенную плотность тока, обладает электрическим потенциалом jА=UА.

Для определения потенциала в точке А, выделим элементарный слой грунта толщиной на расстоянии от заземлителя, разность потенциалов или падение напряжения в этом слое равно (2.3)

где Е – напряженность электрического поля.

Напряженность электрического тока в точке А определится из (2.4)

Потенциал точки jА=UА равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом (2.5). Нулевым потенциалом обладают все точки, плотность тока в которых равна нулю. Подставив в (2.5) формулы (2.2) и (2.4) получим выражение (2.6) для расчета потенциала точки А.

Чтобы определить общую зависимость изменения потенциалов области растекания тока замыкания, учитывается, что и (2.6) примет вид (2.7)

Это гиперболическая зависимость распределения потенциалов в зоне растекания сферического заземлителя, рисунок 2.2. По мере удаления рассматриваемой точки от заземлителя, потенциал снижается и практически достигает нуля. Если расположить исследуемую точку на поверхности заземлителя с радиусом , потенциал будет наибольшим, равным по (2.8)

Растекание тока в земле при замыкании на землю.

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=Ih*Rh (где Ih – ток походящий по пути рука – нога, Rh – 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*α1, 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 Uпр

Растекание тока в земле

2015-05-26 8490
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
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

Рис. 2Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя

Потенциал заземлителя радиусом r

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:

(7)

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. 3Упрошенная 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. 4Возникновение шагового

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 bШ зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно зазем­лителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше bШ 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 bШ = 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 bШ справедливо только для полусферического заземлителя.