Электробезопасность

ПРИВАЛОВ Е. Е.

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

ЧАСТЬ І ЗАЗЕМЛИТЕЛИ

Учебное пособие

Для студентов специальностей:

–Электрификация и автоматизация сельского хозяйства

Ставрополь

2008г

УДК 658.382.3:631.31

Привалов . Часть І. Заземлители: Учебное пособие. - Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2008. – 29с.

Рецензент: кандидат технических наук, доцент

В первой части пособия приведены определения искусственного и естественного заземлителей, зон растекания и нулевого потенциала. Рассмотрено явление стекания тока в землю через одиночные и групповые заземлители электроустановок, даны соотношения для расчета потенциалов и сопротивлений в различных точках зон растекания электрического тока.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности: – Электрификация и автоматизация сельского хозяйства, а также лаборантов, мастеров производственного обучения, аспирантов и преподавателей.

УДК 658.382.3:631.31

© Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2008

Введение

Заземлитель - проводящая часть (совокупность проводящих частей) находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Искусственный заземлитель - заземлитель выполненный для заземления электроустановки.

Естественный заземлитель - сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей и используемая для заземления электроустановки.

Заземляющий проводник - проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников электроустановки.

Зона нулевого потенциала - часть земли вне зоны влияния заземлителя, электрический потенциал которой равен нулю.

Зона растекания - зона земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала. Термин «земля» это земля в зоне растекания тока.

Замыкание на землю - случайный электрический контакт между токоведущими частями действующей электроустановки и землей.

Напряжение на заземляющем устройстве - напряжение, возникающее при стекании тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в заземлитель и зоной нулевого потенциала.

Сопротивление заземляющего устройства – отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.

Заземляющие устройства должны соответствовать требованиям государственных стандартов, правил устройства электроустановок, строительных норм и правил, а также обеспечивать нормальные условия для безопасной работы (быта) людей, эксплуатационные режимы работы и защиту электроустановок.

1 Стекание тока в землю через одиночный заземлитель

Стекание электрического тока в землю происходит через проводник случайно (преднамеренно) контактирующего с землей. Причинами стекания тока с проводника в землю являются:

·  замыкание токоведущей части электроустановки на заземленный корпус оборудования;

·  падение провода линии электропередачи на землю;

·  использование земли в качестве провода электроустановки.

Результатом стекания тока является резкое снижение потенциала (напряжения относительно земли) токоведущей части электроустановки до значения:

(1)

где IЗ - ток, стекающий в землю, A; R3 - сопротивление заземлителя растеканию тока, Ом.

Явление стекания тока в землю повышает безопасность, поэтому его используют как меру косвенной защиты людей от поражения током при работе в электроустановках. Одновременно возникает и отрицательное явление – возникновение опасных для человека потенциалов на заземлителе и на поверхности земли вокруг заземляющего устройства. Разности потенциалов в цепи электрического тока заземлителя и вокруг заземляющего устройства могут быть очень большими и представлять серьезную опасность для людей (животных) в нормальных и аварийных режимах работы электроустановок различного напряжения.

Значения потенциалов на заземлителях электроустановок и их разностей в зонах растекания тока зависят от многих факторов: значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов; удельного сопротивления грунта вокруг заземлителя и сопротивления заземляющего устройства.

1.1 Распределение потенциалов по поверхности земли

Стекание электрического тока с заземляющего устройства электроустановки в землю приводит к возникновению на заземлителе и вокруг него опасных для человека (животного) потенциалов. Рассмотрим случаи стекания тока в землю через шаровой (полушаровой), стержневой и дисковый заземлители. Считаем, что земля вокруг заземляющего устройства однородна (обладает в любой точке одинаковым удельным сопротивлением). Оценка распределения потенциалов на примере шарового заземлителя позволяет упростить математические выкладки и наглядно их продемонстрировать.

1.1.1 Шаровой заземлитель на большой глубине в земле

Рассмотрим потенциалы вокруг заземлителя, и как меняется величина потенциала при удалении или приближении к заземляющему устройству. Найдем уравнение потенциальной кривой. Погрузим шаровой заземлитель радиусом r (м) в однородную землю на большую глубину, чтобы исключить влияние поверхности земли. Через изолированный проводник и шар в землю стекает ток I3 (А).

Рисунок 1 – Шаровой заземлитель, погруженный в землю на большую глубину

Учитывая, что земля вокруг заземлителя однородна, ток в ней растекается от поверхности шара равномерно и симметрично во все стороны, а плотность тока будет уменьшаться по мере удаления от заземлителя. На расстоянии x (м) от центра шара плотность тока (А/м2)

(2)

В объеме земли вокруг шарового заземлителя возникает поле растекания тока. В реальных условиях уже на расстоянии 20м от заземлителя электроустановки сечение слоя земли такое большое, что плотность J = 0. У шарового заземлителя малого радиуса поле растекания ограничено объемом сферы радиусом r = 20м. Поле растекания тока в проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное постоянное (переменное с частой 50Гц) электрическое поле. Напряженность поля Е (В/м) связана с плотностью тока (закон Ома в дифференциальной форме) соотношением

(3)

В этом случае линии напряженности электрического поля совпадают линиями плотности тока и с условными радиусами заземлителя. Напряженность электрического поля

, (4)

где dU – падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx. Определим потенциал любой точки слоя dx, например, точки С, который равен

, (5)

где

(6)

Решив определенный интеграл, получим уравнение потенциальной кривой заземлителя

(7)

Минимальный потенциал имеет точка, отстоящая от заземлителя на расстояние x = ∞. Область нулевого потенциала начинается на расстоянии 20м от заземлителя. В этом случае потенциал всех точек на поверхности земли вокруг заземлителя равен нулю.

Максимальный потенциал шарового заземлителя будет при расстоянии x = r (поверхность заземлителя). Потенциал шарового заземлителя

(8)

1.1.2 Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли

На практике заземлители электроустановок погружают в землю на небольшую глубину, и поверхность оказывает влияние на электрическое поле, искажая линии растекания тока от шарового заземлителя.

Для потенциалов всех точек на поверхности земли около заземлителя, например, точки D (рисунок 2):

(9)

а уравнение потенциальной кривой для точек на поверхности земли вокруг заземлителя

(10)

или подставив (9) получим

(11)

Максимальный потенциал заземлителя φ3 будет при расстоянии у = 0 и, следовательно, на поверхности шара (x = r):

(12)

Рисунок 2 - Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли и его зеркальное изображение над землей

На практике 4r2» r , тогда

(13)

Таким образом, нулевой потенциал имеет в земле точка, отстоящая от заземлителя на расстоянии примерно 20м. Потенциал всех точек на поверхности земли в этом месте и дальше от заземлителя равен нулю. Максимальный потенциал образуется непосредственно на поверхности заземлителя заглубленном в землю и на поверхности земли в месте стекания тока с заземляющего устройства электроустановки.

1.1.3 Шаровой заземлитель на поверхности земли

Рассмотрим шаровой заземлитель расположенный на поверхности земли, где центр шара находится на уровне земли (рисунок 3).Такой заземлитель называют полушаровым заземлителем.

Рисунок 3 – Растекание тока в земле и распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Уравнение потенциальной кривой на поверхности земли заземлителя получим из выражения (11), приняв расстояние t = 0:

(14)

В этом случае плотность тока в земле на расстоянии x от центра полушара

. (15)

Потенциал заданной точки А на поверхности земли, отстоящей от центра полушара на расстоянии x равен падению напряжения в земле на участке от x до ∞

Потенциал заземлителя при радиусе заземлителя r = x определяют как

(16)

Разделив (14) на (16), получим

(17)

Обозначив φ3r = k, получим уравнение равносторонней гиперболы:

(18)

Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы (рисунок 3), уменьшаясь от максимального значения до нуля по мере удаления от заземлителя электроустановки.

Пример 1. На воздушной линии электропередачи напряжением 10кВ повреждена изоляция фазного провода. Возникло короткое замыкание фазы на металлическую конструкцию опоры линии, что вызвало постоянное стекание тока замыкания в землю IЗ = 20А.

Определить потенциалы опоры линии и металлического забора, ближайшая стойка забора находится на расстоянии x = 3м от опоры. Удельное сопротивление однородной земли ρ = 150 Ом м.

Решение. Предполагая, что металлический фундамент опоры линии, через который ток стекает в землю, можно принять за полушар радиусом x = 0,2м, находим потенциал металлического забора:

= (20·150)/(2·3,14·3) = 159В.

Потенциал опоры

= (20·150)/(2·3,14·0,2) = 1595В.

Таким образом, а аварийных режимах работы воздушных линий электропередач выше 1кВ величины потенциалов наведенные на металлическом заборе и опоре линии очень опасны для человека и животного.

1.1.4 Стержневой заземлитель у поверхности земли

Определим, как распределяются потенциалы вокруг стержневого вертикального заземлителя круглого сечения длиной l, и диаметром d погруженного в землю так, что верхний конец заземлителя находится на уровне земли (рисунок 4).

Рисунок 4 - Стержневой заземлитель

Разделим заземлитель по длине на бесконечно малые участки длиной dy и приравняем их элементарным шаровым заземлителям диаметром dy. С каждого участка заземлителя в однородную землю стекает ток

(19)

и возникают элементарные потенциалы dφ.

Определим потенциал элементарного шарового заземлителя dy в точке А на поверхности земли, отстоящего от оси стержневого заземлителя на расстоянии x

(20)

Подставив (19) и величину m из (9) получим

(21)

Интегрирование уравнения (21) по всей длине стержневого заземлителя (от 0 до l) дает уравнение потенциальной кривой

(22)

Если потенциал заземлителя определяется при x = 0,5d, и при этом величина 0,5d << l, то первым слагаемым под корнем можно пренебречь. Тогда уравнение потенциальной кривой заземлителя

(23)

1.1.5 Дисковый заземлитель на поверхности земли

Заземлитель представляет собой круглую пластину диаметром D лежащую на земле (рисунок 5).

Распределение потенциала на поверхности земли вдоль радиуса диска

(24)

Потенциал дискового заземлителя при x = 0,5D равен

(25)

Потенциальная кривая заземлителя любой формы на относительно большом для него расстоянии приближается к потенциальной кривой полушарового заземли

Таким образом, на поверхности шарового, стержневого и дискового заземлителей образуются эквипотенциальные поверхности с потенциалом максимальной величины. За поверхностью заземлителя любой формы потенциал уменьшается по закону гиперболы от максимума до минимума и на расстоянии свыше 20м от заземлителя практически равен нулю.

Рисунок 5 - Распределение потенциала на поверхности земли вокруг дискового заземлителя

1.2 Сопротивление заземлителя растеканию тока

Проходя через заземляющее устройство в землю, электрический ток преодолевает сопротивление заземлителя растеканию тока. Сопротивление растеканию состоит из трех слагаемых:

·  сопротивления самого заземлителя;

·  переходного сопротивления между заземлителем и грунтом;

·  сопротивления грунта.

Два первых слагаемых по сравнению с третьим малы и ими можно пренебречь. В результате, под сопротивлением заземлителя понимают сопротивление грунта растеканию тока, стекающего в землю.

1.2.1 Сопротивление растеканию тока шарового заземлителя

Определим сопротивление шара погруженного в землю на большую глубину (рисунок 1). Слой грунта сферической формы элементарной толщиной dx, отстоящего от центра заземлителя на расстоянии x, можно рассматривать линейный проводник длиной dx и сечением 4πx2 . Слой обладает элементарным сопротивлением dR равным

(26)

Сопротивление току, стекающему с заземлителя радиусом r, оказывает вся масса земли, начиная с участков прилегающих к шаровому заземлителю. Поэтому общее сопротивление растеканию тока

(27)

1.2.2 Сопротивление растеканию тока стержневого заземлителя

Стержневые, дисковые, полосовые и т. п. заземлители широко применяются в электроустановках различных напряжений, но их сопротивление определяется более сложным путем. В соответствии с законом Ома сопротивление растеканию тока заземлителей

(28)

Таким образом, уравнения для расчета сопротивлений растеканию тока заземлителей можно получить из формул параграфов 1.1.1 – 1.1.5, разделив каждое из них на ток IЗ.

Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20м от заземлителя практически равна нулю, можно считать, что сопротивление стекающему с одиночного заземлителя току оказывает объем земли в виде полусферы с радиусом 20м. Однако, при различных формах и размерах заземлителя сопротивление этого объема земли различно, хотя сопротивление металлического электрода при этом не учитывается.

1.2.3 Определение сопротивления растеканию тока с заземлителей

Между соотношениями, характеризующими электростатическое поле в диэлектрике, и соотношениями, характеризующими стационарное электрическое поле постоянных токов и переменных токов 50Гц в проводящей среде, существует формальная аналогия. На этом основан метод электростатической аналогии, позволяющий при одинаковой конфигурации проводящих тел решать задачи электрического поля различных токов, пользуясь типовыми решениями задач электростатики.

На основе метода электростатической аналогии получают формулы для расчета сопротивлений растеканию тока типовых заземлителей, сопротивлений земли между электродами заземляющих устройств и т. п. Сопротивление заземлителя получают путем замены емкости C на величину проводимости 1/R и диэлектрической проницаемости ε на величину удельной проводимости 1/ρ. Замены параметров позволяют вычислять сопротивления растеканию тока типовых заземлителей по формуле

(29)

где R - сопротивление заземлителя растеканию тока в однородной среде с удельным сопротивлением ρ (Ом м);

С - емкость рассматриваемого заземлителя в однородной среде с диэлектрической проницаемостью ε (Ф/м).

Для расчета сопротивлений растеканию тока типовых заземлителей используют известные в электростатике формулы, определяющие емкости:

·  уединенного проводника, расположенного в безграничном пространстве;

·  уединенного проводника, расположенного вблизи бесконечной непроницаемой плоскости;

·  между уединенным проводником и расположенной вблизи бесконечной проводящей плоскостью;

·  между двумя проводниками (конденсаторная емкость).

Рисунок 6 - Полушаровой заземлитель, расположенный у поверхности земли

Сопротивление растеканию шарового заземлителя радиусом r погруженного в землю на большую глубину найдем, используя формулу для емкости уединенного шара

(30)

Заменим в (30) емкость на проводимость и проницаемость на удельную проводимость заземлителя, в результате получим сопротивление

(31)

Сопротивление растеканию полушарового заземлителя радиусом r получим с использованием метода зеркального отображения (рисунок 6), полагая, что воздушное пространство над поверхностью земли заполнено средой с таким же, как у земли, удельным сопротивлением ρ (шар находится в однородной безграничной среде). Действительный заземлитель является половиной шара и емкость его в 2 раза меньше, а сопротивление растеканию в 2 раза больше, чем у целого шара. Сопротивление растеканию тока для полушарового заземлителя

(32)

Таким образом, можно получать расчетные формулы сопротивлений растеканию тока стержневых и дисковых заземлителей, а также сопротивлений протеканию тока между электродами.

2 Групповые заземлители

Известно, что заземление это преднамеренное электрическое соединение точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю.

По условию безопасности персонала электроустановок заземление должно обладать очень малым сопротивлением, выполнить которое можно двумя путями. Первый путь – увеличение геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода), второй – применение параллельно соединенных электродов (группового заземлителя). Второй путь экономичнее первого, прежде всего по затрате металла на электроды и, что особенно важно, позволяет выровнять потенциалы на территории электроустановки и обеспечить высокую безопасность персонала.

2.1 Распределение потенциала заземлителя по поверхности земли

При очень больших расстояниях между электродами группового заземляющего устройства (более 40м) поля растекания токов вокруг электродов практически не взаимодействуют. Ток растекания каждого заземлителя протекает по отдельному объему земли, по которому токи других электродов не растекаются. Вокруг каждого заземлителя возникают самостоятельные потенциальные кривые, не пересекающиеся ни в одной точке объема земли. Потенциалы всех электродов заземляющего устройства равны, даже если заземлители разного размера. В результате, через электроды протекают разные по значению токи растекания и их потенциальные кривые имеют неодинаковую форму (рисунок 7).

Рисунок 7 - Потенциальные кривые и поля растекания тока группового заземлителя при расстояниях между электродами s ≥ 40м

При расстояниях между электродами группового заземлителя менее 40м поля растекания токов накладываются одно на другое. В результате потенциальные кривые взаимодействуют между собой, накладываются одна на другую и образуют суммарную потенциальную кривую группового заземлителя. На поверхности земли между электродами заземляющего устройства возникают различные потенциалы, и опасность для персонала электроустановок снижается. Таким образом, форма суммарной потенциальной кривой группового заземлителя зависит от расстояния между электродами, их взаимного расположения, числа, формы и размеров.

2.2 Потенциальная кривая группового заземлителя

Групповой заземлитель, состоящий из двух одинаковых полушаровых электродов расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, показан на рисунке 8.

Рисунок 8 – Суммарная потенциальная кривая группового заземлителя, состоящего из двух одинаковых половинок шаровых электродов

Суммарная кривая растекания токов замыкания получена сложением потенциальных кривых обоих электродов. Поскольку полушаровые электроды одинаковы и находятся в однородной земле, то ток распределяется между заземлителями поровну и их потенциальные кривые полностью идентичны.

Рассмотрим участок между электродами, где потенциальные кривые φ1, и φ2 накладываются одна на другую. Участки распределения потенциалов полушаровых заземлителей выражены уравнениями

; (33)

. (34)

где φ0 - собственный потенциал полусферы (В); r - радиус полусферы (м); s- расстояние между центрами полусфер (м).

Уравнение потенциальной кривой на участке между электродами заземляющего устройства

(35)

2.3 Потенциал группового заземлителя

Электроды группового заземляющего устройства имеют одинаковый потенциал φГР, т. к. связаны между собой электрически. Потенциал каждого электрода состоит из собственного потенциала, обусловленного стеканием через него тока, и потенциалов, наведенных электрическими полями других заземлителей:

(36)

где φ01 = I1R1 - собственный потенциал первого электрода (В); I1 - ток, стекающий через этот электрод в землю (A); R1 - сопротивление его растеканию (Ом); n - количество электродов в групповом заземлителе; φН - потенциал, наведенный на первом электроде одним из соседних. Потенциал φН определяется из уравнения потенциальной кривой данного соседнего электрода с учетом расстояния между электродами. Например, если потенциал наводится полушаровым электродом радиусом r, то его значение на другом электроде любой формы описывается уравнением (33):

(37)

где φ0- собственный потенциал половины шара; х - ближайшее расстояние от центра половины шара до поверхности электрода, на котором определяется потенциал φН.

В случае, показанном на рисунке 8, один полушаровой заземлитель наводит на другом потенциал

(38)

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 φГР. Каждый электрод, входящий в состав группового заземлителя, имеет потенциал, равный потенциалу группового заземлителя φГР (рисунок 9).

Если групповой заземлитель состоит из одинаковых электродов, размещенных по вершинам правильного многоугольника, то у электродов одинаковыми оказываются токи, стекающие через них в землю, а следовательно, и собственные потенциалы φ0, и сумма наведенных на каждом из них потенциалов. В этом случае уравнение (36) имеет вид

(39)

Предположим, что одинаковые электроды группового заземлителя размещены в вершинах равностороннего треугольника. В результате, у них оказываются одинаковыми не только собственные потенциалы φ0, но и потенциалы φН, наводимые каждым на каждом из электродов. Для этих частных случаев уравнение (39) принимает вид

(40)

где n - количество электродов (2 или 3).

Рисунок 9 - Потенциальная кривая группового заземлителя, состоящего из трех одинаковых электродов, размещенных на одной прямой:

φ01 и φ02 - собственные потенциалы электродов (В); φН1 и φН2 - потенциалы, наведенные другими электродами

При расстояниях между электродами больше 40м каждый из них находится вне полей растекания тока с других электродов (см. рисунок 7). Поэтому наведенные потенциалы на электродах отсутствуют, а потенциал группового заземлителя, который в этом случае обозначается φ∞, имеет наименьшее значение, равное значению собственного потенциала электрода, входящего в состав группового заземлителя:

(41)

или

(42)

где I1, I2,…, In - токи, стекающие через электроды (A); Rl, R2,...,Rn - сопротивления растеканию этих токов (Ом).

Если при этом электроды одинаковы, то и токи, стекающие через них в землю, одинаковы, т. е.

Следовательно, потенциал группового заземлителя

(43)

где R0 - сопротивление растеканию единичного электрода (Ом); IЗ - ток, стекающий в землю через групповой заземлитель (А).

2.3.1 Сопротивление группового заземлителя

При расстояниях между электродами группового заземлителя более 40м сопротивление всей группы заземляющих электродов

(44)

Если электроды одинаковы, а следовательно, одинаковы и их сопротивления растеканию R0, то сопротивление группового заземлителя

(45)

При расстояниях между электродами меньше 40м происходит взаимодействие полей растекания тока и на общих участках земли, по которым проходят токи, увеличивается плотность тока, следовательно, на этих участках возрастает падение напряжения. Это явление приводит к увеличению сопротивления растеканию как отдельных электродов, составляющих групповой заземлитель, так и заземляющего устройства в целом. Таким образом, при уменьшении расстояния между электродами менее 40м сопротивление группового заземлителя увеличивается, а проводимость уменьшается, что определяется следующими соотношениями:

(46)

где Rгр - действительное сопротивление растеканию тока группового заземлителя при данном размещении его электродов;

R∞ - наименьшее сопротивление растеканию тока группового заземлителя при расстояниях между его электродами более 40м;

η - коэффициент, характеризующий уменьшение проводимости заземлителей и называемый коэффициентом использования. Иногда η именуется коэффициентом экранирования.

Сопротивление группового заземлителя в общем случае описывается уравнением

(47)

При равенстве сопротивлений всех электродов уравнение примет вид

(48)

Коэффициент использования группового заземлителя η есть отношение действительной проводимости группового заземлителя 1/ RГР к наибольшей возможной его проводимости 1/ R∞, т. е. при бесконечно больших расстояниях между его электродами

(49)

Коэффициент η может быть выражен отношением соответствующих потенциалов группового заземлителя

(50)

или с учетом (36)

(51)

Для частного случая, когда групповой заземлитель состоит из одинаковых электродов, размещенных по вершинам правильного многоугольника коэффициент равен

(52)

Коэффициент использования зависит от формы, размеров и размещения электродов, составляющих групповой заземлитель, а также от их количества n и расстояния s между соседними электродами. Так, с увеличением расстояния s уменьшается взаимодействие полей единичных заземлителей, в результате чего коэффициент η возрастает; при расстоянии s ≥ 40м проводимость заземлителей используется полностью и тогда η = 1. С увеличением количества заземляющих электродов и при постоянном расстоянии s повышается взаимодействие полей и, следовательно, снижается коэффициент использования η.

Для защитного заземления применяют электроды двух типов - стержневые, забиваемые в землю вертикально, и полосовые, укладываемые в грунт горизонтально, с помощью которых соединяют вертикальные электроды. В отдельных случаях горизонтальные электроды используют как самостоятельные заземлители, т. е. без вертикальных электродов. При использовании вертикальных и горизонтальных заземлителей возникает взаимодействие полей растекания тока вертикальных электродов не только между собой, но и с полями горизонтальных электродов. Однако степень этого взаимодействия различна и учитывается двумя коэффициентами использования - вертикальных ηВ и горизонтальных ηГ электродов. В этом случае сопротивление группового заземлителя определяется из равенства

(53)

2.4 Сопротивление сложного заземлителя

Сопротивление заземлителя в однородной земле выполненного в виде горизонтальной сетки с квадратными ячейками одинакового размера и равномерным размещением вертикальных электродов по контуру заземлителя определяют по формуле

(54)

где А – коэффициент, значение которого равно

при ;

при ;

где tОТН – относительная глубина погружения в землю вертикальных электродов

(55)

tВ – глубина погружения в землю верхнего конца вертикального электрода; S – площадь занимаемая заземлителем; LГ – суммарная длина горизонтальных электродов; lВ – длина вертикального электрода.

К такому виду можно привести любой сложный заземлитель, имеющий горизонтальную сетку с различным расположением горизонтальных и равномерным размещением вертикальных электродов. При этом необходимо соблюдать условие: у действительного (приводимого) и квадратного (расчетного) заземлителей должны быть равны площади S, суммарная длина горизонтальных электродов LГ, количество n и длина вертикальных lВ электродов, а также глубина tВ залегания их в земле.

Сопротивление контурного заземлителя в однородной земле в виде горизонтальной прямоугольной решетки из прутков круглого сечения диаметром d, размещенной в земле на глубине t, определяют методом электростатической аналогии, как и в случае одиночных заземлителей.

Применим формулу для расчета емкости Ф между бесконечной непроницаемой плоскостью и параллельной ей плоской прямоугольной решеткой

(56)

где ε - диэлектрическая проницаемость среды, LГ – суммарная длина всех проводников образующих решетку; t - расстояние между решеткой и плоскостью; m - коэффициент, зависящий от конфигурации решетки, соотношения её сторон и числа ячеек.

Заменив в выражении (56) СОП на проводимость и проницаемость ε на удельную проводимость и решив полученное уравнение относительно сопротивления R,определим сопротивление растеканию тока решетки

(57)

Пример. Определить сопротивление растеканию тока с заземлителя, выполненного из прутковой стали диаметром d = 0,02мм в виде горизонтальной решетки м с девятью ячейками со сторонами b = 3м и a = 2м. Глубина погружения решетки в грунт t = 1,5м. Удельное сопротивление земли ρ = 100Ом м.

Решение. Суммарная длина проводников, из которых состоит решетка заземлителя

12·3+12·2=60м

Коэффициент m определяют по справочнику, имея в виду, что отношение сторон ячеек 1,5 и коэффициент m = 8,94. По уравнению (57) находим искомое сопротивление растеканию тока с заземлителя

=5,7Ом.

По условию безопасности персонала электроустановок заземление должно обладать малым сопротивлением, которое можно минимизировать путем увеличения размеров одиночного заземлителя или применением группового заземлителя. Второй путь экономичнее первого и позволяет выровнять потенциалы на территории электроустановки и обеспечить безопасность персонала.

Литература

1.  Правила устройства электроустановок (ПУЭ). – М.: Энергосервис, 2008. – 608с.

2.  Электробезопасность: задачник: Учеб. пособие / Под ред. проф. . – М.: Гардарики, 2003. – 215 с.

3.  Долин техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие. - М: Энергоатомиздат, 19с.

4.  Кужеков пособие по электрическим сетям и электрооборудованию. – Ростов на Дону: Феникс, 200с.

5.  , , Привалов в сельском хозяйстве. Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2006. – 131с.

6.  Е, , . Электробезопасность. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2006. – 81с.

7.  Охрана труда: межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. – М.: ИНФА – М, 2003. – 154с.

Оглавление

Введение. 3

1 Стекание тока в землю через одиночный заземлитель. 4

1.1 Распределение потенциалов по поверхности земли. 5

1.1.1 Шаровой заземлитель на большой глубине в земле. 5

1.1.2 Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли. 7

1.1.3 Шаровой заземлитель на поверхности земли. 9

1.1.4 Стержневой заземлитель у поверхности земли. 11

1.1.5 Дисковый заземлитель на поверхности земли. 12

1.2 Сопротивление заземлителя растеканию тока. 13

1.2.1 Сопротивление растеканию тока шарового заземлителя. 14

1.2.2 Сопротивление растеканию тока стержневого заземлителя. 14

1.2.3 Определение сопротивления растеканию тока с заземлителей. 15

2 Групповые заземлители. 17

2.1 Распределение потенциала заземлителя по поверхности земли. 18

2.2 Потенциальная кривая группового заземлителя. 19

2.3 Потенциал группового заземлителя. 20

2.3.1 Сопротивление группового заземлителя. 23

2.4 Сопротивление сложного заземлителя. 26

Литература. 28