Тема № 2 «Защита от поражения электрическим током», лекция № 5 «Групповые заземлители»

Ставропольский государственный аграрный университет

Электроэнергетический факультет

Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛЕКЦИИ

по учебной дисциплине «ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ»

для студентов специальностей:

110302.65 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

110300.62 - «АГРОИНЖЕНЕРИЯ»

140211 – «ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ»

140200 – «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА»

ТЕМА № 2 Защита от поражения электрическим током

ЛЕКЦИЯ № 5 Групповые заземлители

Ставрополь 2010г.

Учебные и воспитательные цели:

ЗНАТЬ характер распределения потенциалов по поверхности земли вокруг группового заземлителя;

ЗНАТЬ порядок построения потенциальной кривой заземлителя;

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ о сопротивлении группового заземлителя растеканию тока по поверхности земли.

ВРЕМЯ: 90 мин.

Учебно-методическое обеспечение

Комплект учебной литературы по дисциплине.

Плакаты и стенды по теме № 2.

Распределение времени лекции

Введение 5мин

1.  Распределение потенциала по поверхности земли 30мин

2.  Потенциал группового заземлителя 25мин

3.  Сопротивление и коэффициент

использования заземлителя 25мин

Заключение 5мин

Содержание лекции

Введение

В ПУЭ глава 1.7 даны определения по основным типам заземлителей. Рассмотрим их по пунктам.

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

1.7.27. Эквивалентное удельное сопротивление земли с неоднородной структурой - удельное электрическое сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой.

1.7.28. Заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

1.7.29. Защитное заземление - заземление, выполняемое в целях электробезопасности.

1.7.30. Рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).

1.7.56. Требуемые значения сопротивления заземляющих устройств при стекании с них токов замыкания на землю и токов утечки должны быть обеспечены при наиболее неблагоприятных условиях в любое время года. При определении удельного сопротивления земли в качестве расчетного следует принимать его сезонное значение, соответствующее наиболее неблагоприятным условиям.

Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю.

1 Распределение потенциала по поверхности земли

По условиям безопасности обслуживающего персонала у заземления должно быть сравнительно малое сопротивление, обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода) или применения нескольких параллельно соединенных электродов - группового заземлителя. Используя так заземлитель, можно выровнять потенциал на территории, где размещаются заземляющие электроды, что в ряде случаев играет решающую роль в обеспечении безопасности обслуживающего персонала.

Распределение потенциала на поверхности земли. При бесконечно больших расстояниях между электродами группового заземлителя (обычно более 40м) поля растекания токов вокруг них практически не взаимодействуют. В этом случае потенциальные кривые от каждого электрода взаимно не пересекаются (рисунок 1), причем потенциалы электродов равны независимо от их размеров.

Рисунок 1 - Потенциальные кривые и поля растекания тока группового заземлителя при расстояниях между электродами s ≥ 40м

Однако при разных размерах электродов токи, протекающие через них, различны по значению, а их потенциальные кривые имеют разную форму. При расстояниях между электродами группового заземлителя менее 40м поля растекания токов накладываются одно на другое, в результате потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют суммарную потенциальную кривую 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.

Потенциальная кривая группового заземлителя. Простой групповой заземлитель, состоящий из двух одинаковых половинок шаровых электродов, показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Суммарная потенциальная кривая группового заземлителя, состоящего из двух одинаковых половинок шаровых электродов

Кривая получена сложением потенциальных кривых обоих электродов. Поскольку электроды одинаковы и находятся в одинаковых условиях, ток, стекающий в землю, распределяется между ними поровну и, следовательно, их потенциальные кривые идентичны.

Рассмотрим участок между электродами, т. е. кривые φ1, и φ2, которые в системе прямоугольных координат φ, где расстояние x с ординатой, проходящей через центр левой полусферы (рисунок 2), выражаются следующими уравнениями:

(1)

(2)

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

Искомое уравнение потенциальной кривой на участке между заземлителями определяется суммированием уравнений (1) и (2):

(3)

Потенциал группового заземлителя. Поскольку электроды группового заземлителя связаны между собой электрически, они имеют одинаковый потенциал, являющийся потенциалом группового заземлителя φГР. Следовательно, потенциал каждого электрода группового заземлителя состоит из собственного потенциала, обусловленного стеканием через него тока, и потенциалов, наведенных другими электродами:

(4)

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(В), который определяется из уравнения потенциальной кривой этого 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 (1):

(5)

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 2, один полушаровой заземлитель наводит на другом потенциал

(6)

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. Иначе говоря, каждый электрод, входящий в состав группового заземлителя, имеет потенциал, равный потенциалу группового заземлителя φГР (рисунок 3).

Рисунок 3 - 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

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 (4) может быть записано в виде

(7)

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 (4) принимает вид

(8)

где n - количество электродов (2 или 3).

При бесконечно больших расстояниях между электродами (больше 40м) каждый из них находится вне полей растекания тока с других электродов (см. рисунок 1). 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:

(9)

или

(10)

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

(11)

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

Сопротивление группового заземлителя растеканию тока. При очень больших расстояниях между электродами группового заземлителя (более 40м) сопротивление всей группы заземляющих электродов, описывается равенством

(12)

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

R∞ = R0 /n.

При расстояниях между электродами меньше 40м происходит взаимодействие полей растекания тока, в результате чего на общих участках земли, по которым проходят токи, стекающие с нескольких электродов, увеличивается плотность тока и, следовательно, на этих участках возрастает падение напряжения. Это явление, равноценное уменьшению сечения земли, по которому проходит ток от заземлителя, приводит к увеличению сопротивления растеканию как отдельных электродов, составляющих групповой заземлитель, так и заземлителя в целом. Иначе говоря, при уменьшении расстояния между электродами до 40м и менее сопротивление группового заземлителя увеличивается, а проводимость соответственно уменьшается, что может быть представлено следующими соотношениями:

где RГР - действительное сопротивление растеканию тока группового заземлителя при данном размещении его электродов (Ом);

R∞ - наименьшее сопротивление растеканию тока группового заземлителя (Ом) (т. е. при расстояниях между его электродами более 40м);

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

Таким образом, сопротивление группового заземлителя в общем случае описывается уравнением

(13)

При равенстве сопротивлений всех электродов уравнение примет вид

(14)

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

(15)

Коэффициент η может быть выражен отношением соответствующих потенциалов группового заземлителя

(16)

или с учетом (4) и (9)

(17)

Для частного случая, когда групповой заземлитель состоит из одинаковых электродов, размещенных по вершинам правильного многоугольника, уравнение (17) имеет вид

(18)

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 s уменьшается взаимодействие полей единичных заземлителей, в результате чего коэффициент η возрастает; при s ≥ 40м проводимость заземлителей используется полностью и тогда η = 1. С увеличением количества заземляющих электродов и при неизменном s повышается взаимодействие полей и, следовательно, снижается коэффициент η.

Для защитного заземления обычно 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.

Для данного случая сопротивление группового заземлителя определяется из равенства

(19)

ВЫВОДЫ.

Таким образом, по условиям безопасности обслуживающего персонала у заземления должно быть сравнительно малое сопротивление, обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода) или применения нескольких параллельно соединенных электродов - группового заземлителя. Используя так заземлитель, можно выровнять потенциал на территории, где размещаются заземляющие электроды, что в ряде случаев играет решающую роль в обеспечении безопасности обслуживающего персонала.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

3.  Охрана труда: межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. – М.: ИНФА – М, 2011. – 154с.

4.  Межотраслевая инструкция по оказанию первой помощи при несчастных случаях на производстве. – М: Изд-во НЦ ЭНАС, 20с.

5.  Правила устройства электроустановок (ПУЭ). – М.: Энергосервис, 2011. – 608с.

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

Методические указания составил

доцент кафедры электроснабжения ___________________

Учебно-методический комплекс «Электробезопасность» рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования».

Протокол №_____ от_______ _______ ______2010г.___

(число) (месяц) (год)