vesnat.ru страница 1
скачать файл


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)



Кафедра

«Безопасность жизнедеятельности»

Ольга Васильевна Чепульская,

Галина Ивановна ШАТУНОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА И ШАГОВЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ
Методические указания

к учебно-исследовательской работе № 15

для студентов всех специальностей университета


Москва – 2006

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)



Кафедра

«Безопасность жизнедеятельности»


Ольга Васильевна Чепульская,

Галина Ивановна ШАТУНОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА И ШАГОВЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

для студентов всех специальностей университета
по дисциплине

«БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

Москва – 2006


УДК


Ч – 43
Чепульская О. В., Шатунова Г.И. Исследование электрического поля заземленного электрода и шаговых напряжений: Методические указания к лабораторной работе №15. – М.: МИИТ, 2006. – 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), 2006

Учебно-методическое издание
Ольга Васильевна Чепульская,

Галина Ивановна ШАТУНОВА
Исследование электрического поля заземленного

электрода и шаговых напряжений
Методические указания к учебно-исследовательской

работе № 15




Формат 69x84 1/16 Подписано к печати-

Заказ - Объем – 1,5

Изо. №130-06 Тираж - 500




127994, Москва, ул. Образцова, 15. Типография МИИТ






Цель работы – научить студентов определять потенциа­лы точек на поверхности почвы, анализировать закон их из­менения, определять шаговые напряжения вблизи одиночного и группового заземлений.
1. Растекание тока в земле
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 IЗ 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<...<rn.




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  на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоя­нии x от центра заземлителя, определяется как отношение то­ка замыкания на землю IЗ 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.

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 r0 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 RРАС 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. 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).

. (8)
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:

(10)

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Коэффициент напряжения шага Ш зависит от формы и конфигурации заземлителя и 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. 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 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 Ш=0,14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединен­ных полосой, Ш= 0,10.

Нахождение человека в поле растекания тока может при­вести к поражению, если шаговое напряжение UШ превыша­ет допустимое по условиям электробезопасности значение UДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой UШ>UДОП, 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 UШ < UДОП, 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.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Описание установки

Изучение электрического поля на поверхности почвы вблизи заземлителя производится на модели (рис. 8), пред­ставляющей собой бак с жидкостью 4, имитирующей грунт. В жидкость погружен заземляющий электрод 1, моделирую­щий одиночный заземлитель, на который подается напряжение. Так как размеры бака велики по сравнению с размера­ми заземляющего электрода, то в качестве бесконечно уда­ленных точек взят металлический корпус бака 3, потенциал которого принимается равным нулю.




Рис. 7 Кривая изменения потенциала за пределами контура

I – без выравнивания; II – с выравниванием
Чтобы не искажалась картина электрического поля, стенки бака, примыкающие к заземляющему электроду, имеют изоляционные покрытия. Ввиду полной симметрии картины электрического поля на поверхности грунта ограничимся определением потенциалов лишь в одном квадранте координатной системы, что и позво­ляет сделать данная установка. Металлический зонд 2, сое­диненный с милливольтметром, помещается в различные точ­ки на поверхности жидкости, и определяются потенциалы этих точек.

Для измерения тока, стекающего с заземляющего электрода, и потенциалов точек на поверхности жидкости приме­няется измерительная установка, изображенная на рис. 8. Включение установки осуществляется тумблером 1, при этом загорается сигнальная лампочка на панели, вольтметр 2 показывает напряжение U (В), поданное на заземляющий электрод 1, миллиамперметр 6 – величину тока I (мА), сте­кающего с электрода в жидкость.




Рис. 8 Принципиальная схема экспериментальной установки
Тумблер 7 миллиампермет­ра имеет два положения XI и Х2. Если тумблер стоит в по­ложении XI, то полученное по шкале значение равно величи­не тока, если в положении Х2 – величина тока опреде­ляется путем умножения на два полученного по шкале зна­чения.

Милливольтметр 4, один зажим которого присоединен к баку, а другой к металлическому зонду, измеряет потенциа­лы на поверхности жидкости на различных расстояниях от заземляющего электрода. Включение милливольтметра осу­щест­вляется переведением тумблера 5 в положение «Сеть», при этом загорается сигнальная лампочка милливольтметра. Измерения проводятся в положениях 10V или 30V переклю­чателя 3 милливольтметра.

При положении 10V отсчет производится по верхней шка­ле с диапазоном от 0 до 10 В. Если переключатель стоит в положении 30V, то измерения проводятся по нижней шкале, причем измеряемый диапазон – 3 30 В.


Рис. 9 Измерительные приборы
Установка имеет пантограф, который фиксирует на бума­ге положения точек измерения.
2.2 Порядок проведения работы

1. Тумблером 1 (см. рис. 9) включить установку. При этом на заземляющий электрод подается моделирующее на­пряжение UОЗ = 20 В. Тумблер 7 миллиамперметра 6 по­ставить в положение XI, измерить величину тока I (мА), проходящего через жидкость, и рассчитать ее сопротивление R (0м)



. (11)

Удельное сопротивление грунта  (Ом∙см) определяется: (12)

где r0 = 0,5 см – радиус заземлителя.

Результаты измерений и расчета электрических парамет­ров установки занести в табл. 1.

Таблица 1

Результаты эксперимента


UОЗ, В

I, мА

R, Ом

, Ом∙см
























2. По заданному преподавателем варианту (см. приложение) определить величину допустимого напряжения шага в опыте:



(13)

где UРЗ – напряжение на заземлителе в реальных условиях. В; UДОП – допустимое по условиям электробезопасности ша­говое напряжение, В.

3. Установить переключатель диапазонов 3 милливольт метра 4 в положение 30V и включить прибор тумблером 5. Если отклонение более 10В, то измерения проводить по нижней шкале, не меняя положения переключателя 3. При отклонении менее 10 В необходимо перевести переключа­тель 3 в положение 10V и данные снимать по верхней шка­ле.

Построение эквипотенциальных линий (линий равного потенциала) начинают с точки, потенциал которой Н опреде­ляется выражением:



(14)

где п – порядковый номер точки (см. приложение).

Перемещая зонд вдоль стенки бака, на которой закрепле­на линейка, находят точку с потенциалом и фиксируют ее положение на бумаге иглой пантографа. Находят точки с таким же потенциалом н у другой стенки бака и в плоско­сти квадранта (всего 35 точек), фиксируя их положение на бумаге. Полученные точки соединяют плавной кривой – это эквипотенциальная линия с потенциалом Н.

Потенциал следующей эквипотенциальной линии рассчитывают по формуле:



. (15)

Построение эквипотенциальной линии с потенциалом Н1 проводится аналогично описанному. Сохраняя постоянный интервал по напряжению UДОП.О между соседними эквипо­тенциальными линиями, строят семейство этих линий, закан­чивая построение эквипотенциальной линией с нулевым по­тенциалом.

4. Определить масштаб соотношения модели и натураль­ной земли. Положим, что нулевые потенциалы имеют точки грунта, находящиеся на расстоянии 20 м от заземлителя. Для определения расстояния от заземлителя до точки с нулевым потенциалом в лабораторных условиях перемещаем металли­ческий зонд вдоль стенки бака, на которой закреплена линей­ка, до тех пор, пока стрелка милливольтметра 4 не установит­ся на нуль при положении переключателя диапазонов изме­рения 10V.

По линейке определяется расстояние L (см) от заземлителя до данной точки с нулевым потенциалом, ко­торое соответствует 20 м в реальных условиях. Расчетный шаг человека в реальных условиях принят равным 1,0 м. Тог­да размер шага для графика эквипотенциальных линий с уче­том масштаба пантографа составит:



(16)

5. Замерить напряжения UОП в точках, расположенных на различных расстояниях L от заземлителя, с помощью милливольтметра 4. Произвести пересчет напряжений, полученных в опытных условиях, на их значения в реальных условиях UРП (В):



(17)

Результаты занести в табл. 2.

Реальные значения напряжений UРП занести в табл. 2.

6. По данным табл. 2 построить график распределения по­тенциалов в зависимости от расстояния до заземлителя UРП=f(l), используя данные в соотношении модели и натураль­ной земли (см. п. 4).

Таблица 2

Результаты измерений и расчетов


L, см

0

2

4

6

8

10

15

20

30

40

50

UОП, В


































UРП, В

































7. Научиться определять по графику шаговые напряже­ния и рассчитывать радиус опасной зоны при заданных ус­ловиях. Для этого на графике распределения потенциалов от­ступают от заземлителя на размер шага 1,0 м, определяя по­тенциалы точек UН1 и UН2 (UН1 – потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; UН2 – потенциал другой ноги).

Разность этих потенциалов составляет шаговое напряже­ние. Результирующие данные заносим в табл. 3.

Таблица 3



Определение опасной зоны

Номер шага

UН1, В

UН2, В

UШ, В

1










2









Если полученное шаговое напряжение больше допустимо­го UДОП, то делают следующие шаги до тех пор, пока полученное шаговое напряжение не станет меньше допустимого.

Все данные занести в табл. 3. На графике распределения по­тенциалов показать опасную зону.

8. Определить величину опасной зоны по графику экви­потенциальных линий. Для этого па графике отложить вели­чину шага LГ.Э. Если на величину шага приходится две или больше эквипотенциальных линий, то шаговое напряжение, возникающее при этом, будет больше допусти­мого, следовательно, это опасная зона. Если величина шага будет меньше, чем расстояние между двумя соседними экви­потенциальными линиями, то возникающее шаговое напряже­ние будет меньше допустимого по условиям электробезопас­ности. Опасную зону на графике эквипотенциальных линий заштриховать.

9. Сделать выводы по результатам проделанной работы.
2.3. Содержание отчета
1. Цель работы.

2. Описание экспериментальной установки и ее схема.

3. Основные определения и расчетные формулы.

4. Таблицы, экспериментальные и расчетные данные.

5. График распределения потенциалов UРП =f(l) и гра­фик семейства эквипотенциальных линий с нанесенными на них границами опасных зон.

6. Выводы


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. При каких ситуациях ток может стекать в землю?

2. Что называется полем растекания тока?

3. Дайте определение шагового напряжения.

4. От чего зависит распределение потенциалов в электрическом поле заземлителя?

5. Как растекается ток с одиночного полусферического заземлителя?

6. Как определяется плотность тока  на поверхности грунта в точке, находящейся на расстоянии r от заземлителя?

7. По какому закону распределяются потенциалы точек в зависимости от расстояния до одиночного полусферического заземлителя?

8. Чем объясняется гиперболический характер распределения потенци­алов в зависимости от расстояния?

9. Как определяется потенциал заземлителя радиусом r0?

10. Что такое сопротивление растеканию тока заземлителя?

11. Как определяется сопротивление растеканию тока одиночного полуcферического заземлителя?

12. Где сопротивление растеканию тока наибольшее и почему?

13. Чему равно сопротивление растеканию тока на расстоянии 1020 м от заземлителя?

14. На каком расстоянии от заземлителя потенциалы точек грунта равны нулю?

15. От чего зависит шаговое напряжение?

16. Как меняется шаговое напряжение с удалением от заземлителя и почему?

17. Как определить шаговое напряжение по графику распределения потенциалов?

18. Что такое эквипотенциальная линия?

19. Чему равно шаговое напряжение при нахождении человека на эк­випотенциальной линии?

20. От чего зависит коэффициент напряжения шага?

21. Как изменяется коэффициент напряжения шага?

22. Может ли быть шаговое напряжение больше, чем напряжение на заземлителе?

23. Какая зона называется опасной?

24. От чего зависит радиус опасной зоны?

25. Как определить опасную зону по графику распределения потенци­алов?

26. Как определить опасную зону по графику эквипотенциальных ли­ний?

27. Что дает выравнивание потенциалов?

28. Какая конфигурация заземлителя позволяет снизить шаговые напряжения?

29. За счет чего можно снизить шаговые напряжения за пределами контурного заземлителя?


ПРИЛОЖЕНИЕ

Варианты заданий

Номер

варианта


UРЗ, В

UДОП, В

Номер точки,

n

1

1500

150

3

2

3000

150

7

3

2000

150

4

4

5000

150

17

5

6000

150

20

6

7500

150

30

7

15000

150

70

8

1000

100

3

9

2000

100

8

10

4000

100

20

11

5000

100

25

12

10000

100

75


Библиография
1. Князевский Б.А. и др. Охрана труда. – М.: Высшая школа, 1982.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках — М.: Энергия, 1979.

3. Чепульская О.В. Исследование электрического поля заземленного электрода и возникновение шаговых напряжений. – МИИТ, 1989.

4. Правила устройства электроустановок. Седьмое издание. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2002. – 176 с.



Содержание


1.

Растекание тока в земле

3

2.

Экспериментальная часть

11




2.1 Описание установки

11




2.2 Порядок проведения работы

13




2.3 Содержание отчета

17

Контрольные вопросы

18

Приложение

19

Библиография

20


скачать файл



Смотрите также:
Исследование электрического поля заземленного электрода и шаговых
192.43kb.
Аномалии естественного электрического поля на оз. Байкал 2007 г. Ю. Ф
128.29kb.
Эффект Холла
185.77kb.
Отчет По лабораторной работе №1. 2 «Исследование электростатического поля методом моделирования в проводящей среде»
61kb.
1. в одной изотропной среде с ε =2 и µ=1 распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны 50 В/м. Найти амплитуду напряженности магнитного поля и фазовую скорость волны
67.05kb.
Пацюк В. И., Рыбакова Г. А., Берзан В. П
130.8kb.
Анализ влияния неоднородности электрического поля на интенсивность обезвоживания нефти
101.7kb.
Исследование тепломасообменных процессов в жидких биологических средах при импульсной гидродинамической переработке
113.29kb.
Отчет По лабораторной работе №11. 2 «исследование гистерезиса ферромагнетиков» Группа: Факультет
103.71kb.
Є. Є. Голдаєвич
92.91kb.
В основу данной программы положены следующие дисциплины: механика, теория поля, электродинамика и механика сплошных сред, квантовая механика, статистическая физика, квантовая теория поля
115.6kb.
Коды рс являются недвоичными циклическими кодами, символы кодовых слов которых берутся из конечного поля gf(q)
28.14kb.