Исследование напряжения прикосновения и шага

Цель работы

1 Ознакомиться с условиями возникновения и опасностями прикосновения и шага в сетях электрического тока.

2 Исследовать закон распределения потенциала в грунте вблизи заземлителя, определить величины напряжения прикосновения и шага тока.

 

Общие сведения

 

При пробое изоляции и стекании электрического тока в землю возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. В действительных же условиях уже на расстоянии 20 м от места замыкания слой земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, и потенциал земли на расстоянии более 20 м от места замыкания тоже практически равен нулю.

Изменение потенциала на поверхности земли зависит от вида заземлителя, грунта и расстояния до места замыкания.

При полушаровом заземлителе, расположенном на поверхности земли, изменение потенциала в зависимости от расстояния от него (Х, м) описывается уравнением

, (27)

где I ₃ - ток замыкания, А;

- удельное электрическое сопротивление грунта, Ом м.

Потенциал самого заземлителя в соответствии с формулой (27) будет равен:

, (28)

Ввиду того, что сопротивление проводов, соединяющих корпус оборудования с повторным заземлением R _п, незначительно, считают, что потенциал заземлителя равен потенциалу корпуса относительно земли, следовательно, напряжения корпуса и заземлителя относительно земли равны между собой, т.е. U _к.з =U _з.з.

С учетом вышесказанного уравнение (28) можно записать в виде

. (29)

При прикосновении к корпусу оборудования, находящегося под напряжением, руки человека окажутся под потенциалом корпуса , а ноги - под потенциалом основания , на котором он стоит.

Разность потенциалов между точками, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения U _пр:

. (30)

Заменив в выражении (30) его значением из формулы (29) и его значением из формулы (27), получим:

. (31)

В выражении (31) первый множитель согласно формуле (29) представляет собой напряжение корпуса U _к.з или заземлителя U _з.з относительно земли, второй множитель обозначим .

Подставив эти значения в выражение (31), получим напряжение прикосновения в поле растекания заземлителя любой конфигурации:

. (32)

Напряжение прикосновения с учетом падения напряжения в дополнительных сопротивлениях пола R _пол и обуви R _об определяется по формуле

, (33)

где - коэффициент, учитывающий падение напряжения в сопротивлениях основания (пола) и обуви,

. (34)

Анализ уравнений (31)...(34) показывает, что при нахождении человека на расстоянии Х=Х₃ от заземлителя напряжение прикосновения равно нулю (). При Х 20 м становится равным 1, а напряжение прикосновения – равным максимальному значению, т.е. напряжению корпуса (заземлителя) относительно земли (U _пр= U _к.з). С увеличением сопротивления пола (основания) и обуви напряжение прикосновения снижается. При R _пол =R _осн= напряжение прикосновения U _пр стремится к нулю.

Человек, находящийся в поле растекания тока, оказывается под напряжением шага U _ш, если его ноги расположены в точках с разными потенциалами, т.е.

. (35)

С учетом выражения (27) и при ширине шага a, м, уравнение (35) примет вид

. (36)

Подставив из уравнения (29) значение первого множителя, равное U _з.з или U _к.з (напряжение заземлителя или корпуса оборудования относительно земли), и обозначив

,

получим напряжение шага:

, (37)

где - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой растекания тока в земле.

Напряжение шага, как напряжение прикосновения, зависит от сопротивления основания R _оcн и обуви R _об. Влияние этих сопротивлений учитывается коэффициентом

. (38)

Окончательное напряжение шага определяется выражением

. (39)

Анализ уравнений (36) и (39) показывает, что наибольшее напряжение шага возникает при Х=0, т.е. когда человек одной ногой стоит на заземлителе, а другая находится на расстоянии ширины нормального шага (0,8 м). При Х> 5...10 м коэффициент напряжения шага , следовательно, и напряжение шага тоже стремится к нулю (). С увеличением сопротивлений оснований R _осн и обуви R _об коэффициентом уменьшается, что приводит к снижению напряжения шага.