Контроль и расчет защитного заземления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российская федерация

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

«Институт Транспортной Техники и Систем Управления»

«Управление безопасностью в техносфере»

Журнал лабораторных работ по дисциплине:

«Безопасность жизнедеятельности»

Выполнили: студенты

гр. УЭМ - 224 подгруппа 2

Принял:

Старший преподаватель Лозовский Евгений Юрьевич

Москва - 2016



Лабораторная работа №1. Исследование электрического поля заземленного электрода и шаговых напряжений

электрический заземление сопротивление напряжение

Цель работы: научиться определять потенциалы точек на поверхности почвы, анализировать закон их изменения, определять шаговые напряжения вблизи одиночного и группового заземлений.

Теоретические сведения

Заземление применяется в электрических сетях для исключения попадания людей или животных под опасное напряжение и представляет собой соединение проводником между частью устройства, которая может попасть под напряжение и с которой возможно соприкосновение человека или животного, и Землей [2]. Такой частью устройства может являться, например, его корпус. Конечная часть заземления -- металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

По мере удаления точки на Земле от места соприкосновения с ней электрода, проще говоря от заземлителя, потенциал точки уменьшается и стремится к нулю, если принимать, как договорились, потенциал Земли равным нулю. Потенциал, близкий к нулю, не опасен для человека, находящегося на Земле. Если же человек находится на недостаточном удалении от места контакта заземлителя с Землей, то ток может проходить через его [человека] ноги.

Напряжение, под которое попадает человек, стоящий на Земле (идущий по Земле) вблизи места стекания тока, называется шаговым и равно разности потенциалов точек соприкосновения его ног с Землей (рис. 2). Чем меньше расстояние между ногами человека, тем меньше это напряжение. Кроме того, если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, то есть потенциал точек их соприкосновения с Землей одинаков, ток через тело человека не проходит. Зона вокруг заземлителя, в которой шаговое напряжение превышает допустимое, называется опасной зоной.

На практике для одиночного полусферического заземлителя безопасным для человека расстоянием от места стекания тока является расстояние 10-20 м. Безопасное расстояние (для одиночного полусферического заземлителя) зависит от напряжения заземлителя и обусловлено диаметром сечения полусферы, проходящей через точку стекания тока и точку соприкосновения человека с Землей (рис. 1): чем больше этот диаметр, тем ближе к нулю потенциал последней точки, тем меньше ток, который может проходить через ноги человека. Если человек находится на расстоянии 10-20 м. от заземлителя, то этот диаметр настолько большой, что потенциал точки соприкосновения человека с Землей пренебрежительно мал.

Потенциал точки, находящейся на расстоянии x от места стекания тока, из связи потенциала и напряженности электрического поля, на основе формулы плотности тока на поверхности Земли в границах полусферы радиуса x (рис. 1) и с учетом закона Ома для плотности тока, напряженности и удельного сопротивления, равен:

Подробный вывод этой формулы приводится в методичке [1].

Таким образом между потенциалом рассматриваемой точки и расстоянием от данной точки до точки стекания тока имеет место быть гиперболическая зависимость (рис. 2). Это связано с тем, что сечение полусферы возрастает пропорционально второй степени ее радиуса (рис. 3).

Сопротивление Земли между точкой заземления и точкой соприкосновения человека с Землей называется сопротивлением растеканию. Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном изотропном грунте, сопротивление растеканию:



откуда напряжение между заземлителем и точкой соприкосновения человека с Землей

Тогда шаговое напряжение из (1) и (2):

где -- коэффициент напряжения шага.

Если на небольшом расстоянии друг от друга расположить два заземлителя одного заземления, то поля растекания наложатся друг на друга, любые точки между заземлителями будут иметь значительный потенциал, но разность между потенциалами этих точек будет невелика. По этому принципу строится контурное заземление, когда несколько заземлителей располагаются на небольшом расстоянии друг от друга. Для дополнительного выравнивания потенциалов внутри контура между заземлителями иногда прокладывают горизонтальные и вертикальные электроды, называемые соответственно полосы и стержни.

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соединенные с заземлителем.

Все рисунки взяты из методички [1].

Экспериментальная часть

Изучение электрического поля на поверхности почвы вблизи заземлителя производилось на учебном стенде. Преподавателем были заданы значения тока и удельного сопротивления грунта, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Электрические параметры установки

I, А	Ом/м
9	80

Допустимое шаговое напряжение принималось равным 100 В, размер шага 1 м.

На первом этапе приводилось измерение потенциалов точек на различном расстоянии от заземлителя с шагом 1 м, они равны напряжению между Землей и соответствующими точками U_ОП. Результаты измерений приведены в таблице 3.

Тогда потенциалы точек U_Н1 и U_Н2 (U_Н1 -- потенциал ноги, расположенный ближе к заземлителю; U_Н2 - потенциал другой ноги) для каждого шага равны двум соседним значениям U_ОП в таблице 3; шаговое напряжение U_Ш = U_Н1 - U_Н2. Расчет шаговых напряжений приведен в таблице 1. График зависимости шагового напряжения от расстояния до заземлителя приведен на рис. 4.

Таблица 2. Определение опасной зоны

Номер шага	UН1, В	UН2, В	UШ, В
1	56,4	28,4	28
2	28,4	14,3	14,1
3	14,3	9,7	4,6
4	9,7	7,2	2,5
5	7,2	5,9	1,3
6	5,9	4,8	1,1
7	4,8	4,2	0,6
8	4,2	3,8	0,4
9	3,8	3,4	0,4
10	3,4	3,1	0,3
11	3,1	2,9	0,2
12	2,9	2,7	0,2
13	2,7	2,5	0,2
14	2,5	2,2	0,3
15	2,2	2,3	0,1

Таблица 3. Результаты измерений и расчетов

L, см	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
UОП, В	56,4	28,4	14,3	9,7	7,2	5,9	4,8	4,2	3,8	3,4	3,1	2,9	2,7	2,5	2,2	2,3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вывод: при полусферическом типе заземлителя и равной ширине шага, направленного к заземлителю (или от заземлителя), шаговое напряжение гиперболически зависит от расстояния до заземлителя: чем ближе человек находится к заземлителю, тем выше шаговое напряжение; при токе заземлителя 9 А и шаге 1 м шаговое напряжение на расстоянии от 1 м до заземлителя не превышает допустимого.

Лабораторная работа №2 “Контроль и расчет защитного заземления”

Цель работы - ознакомить с принципом действия. Областью применения и конструкцией защитного заземления, научить методам контроля и расчета сопротивления заземляющего устройства



1. Теоретическая часть

При замыкании одной из токоведущих частей электроустановки на ее корпус, выполненный из проводящего материала (метал), он оказывается под напряжением.

Прикосновение к этому корпусу человека (так называемое косвенное прикосновение) приводит к возникновению тока через него I_Ч который может привести к электро-травме.

В целях электробезопасности, в соответствии с Правилами устройств и эксплуатацией, в дальнейшем ПУЭ (1), необходимо проводящий корпус электроустановки заземлить, т.е. выполнить электрическое соединение проводящих частей электроустановки (нормально не находящихся под напряжением) с проводящими частями, находящихся в электрическом контакте с землей и называемыми заземлителем.

Совокупность заземлителя и проводников соединяющих заземлитель с проводящим корпусом электроустановки называют заземляющим устройством.

На рис.1 представлена схема элетроустановки, на корпус которой произошло замыкание токоведущего провода и которого касается человек.

Откуда видно, что при электрическом соединение корпуса электроустановки с заземлителем, происходит параллельное соединение сопротивлений человека R_Ч и заземлителя R_ЗУ,

Тогда, величина тока через человека составит:

I_Ч=(I_ЗR_ЗУ)/R_Ч+R_ЗУ

где I_З- ток замыкания на землю



Рис.1 Схема, замыкания токоведущего провода на корпус электроустановки потребителя

Если поставить условие R_ЗУ «R_Ч, то

I_Ч=I_З/(R_Ч/R_ЗУ)

т.е. защитное заземление уменьшает величину тока через человека в соотношение R_Ч/R_ЗУ раз. При отсутствии заземляющего устройства I_Ч=I_З.

А так как электрическое сопротивление человека принимается величиной постоянной, равной 1000 Ом, то необходимые условия электробезопасности (допустимый ток через человека I_ЧДОП) при установленном значении тока замыкания I_З могут быть достигнуты только при определенном значении R_ЗУ.

Величина тока замыкания в общем случае определяется напряжением и схемой электрической сети, к которой подключена электроустановка. В соответствии с ПУЭ это может быть:

Сеть напряжением выше 1кВ с глухозаземленной или эффективно-заземленной нейтралью;

- сеть напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью;

сеть напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;

сеть напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью.

В сетях с изолированной нейтралью где ток замыкания на землю не зависит от сопротивления заземляющего устройства, защитное заземление наиболее эффективно и является основной технической мерой защиты при косвенном прикосновении.

В сетях с глухозаземленной нейтралью защитное заземление приводит к снижению тока через человека, но необходимых условий электробезопасности можно достичь только при срабатывании максимальной токовой защиты, т.е. автоматическим отключением электропитания поврежденной установки.

Заземлители могут быть как естественными так и искусственными.

В качестве естественных заземлителей используют, находящиеся в земле металлические предметы различного назначения как например;

водопроводы и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов или смесей;

подземные металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений;

металлические оболочки, проложенных в земле кабелей (алюминиевые оболочки не допускается использовать, так как алюминий в почве окисляется, окись алюминия является изоляцией);

рельсовые пути магистрального не электрофицированного транспорта.

Искуственные заземлители изготавливают из черной или оцинкованной стали без окраски.

Выбор параметров и конструкций заземляющих устройств (размеров, способов расположения его элементов) определяется видом и типом электроустановки, а также требованиями ПУЭ.

Для переносных, передвижных электроустановок заземлйтели выполняются в виде одного или группы вертикальных, либо горизонтальных электродов. На территории стационарных электроустановок заземлители сооружаются в виде заглубленных сеток, уложенных в земле на глубине 0,5 - 0,8 м и вертикальных электродов.

2. Расчетная часть

Типовые конструкции комбинированных заземлителей и их стандартные размеры приведены в таблице 1.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншеи глубиной 0,7 - 0,8 м, после чего уголки или трубы заглубляют специальными механизмами - копрами, гидропрессами. Стальные стержни диаметром 10-12 мм, длиной 4 - 4,5 м ввертывают в землю с помощью специальных приспособлений.

Таблица 1.Конструктивные особенности заземлителей

Тип	Материал
	Уголок 40404 мм, полоса 440 мм: С = 3 м; l = 2,5 м С = 3 м; l = 3 м С = 6 м; l = 2,5 м С = 6 м; l = 3 м Круглая сталь d = 1020 мм, полоса 440 мм: С = 3 м; l = 2,5 м С = 3 м; l = 3 м С = 5 м; l = 2,5 м С = 5 м; l = 3 м С = 3 м; l = 5 м С = 5 м; l = 5 м
	Уголок 40404 мм, полоса 440 мм: С = 3 м; l = 2,5 м С = 6 м; l = 2,5 м С = 7 м; l = 3 м Круглая сталь d = 1020 мм, полоса 440 мм: С = 2,5 м; l = 2,5 м С = 2,5 м; l = 3 м С = 5 м; l = 2,5 м С = 5 м; l = 3 м С = 6 м; l = 5 м
	Уголок 40404 мм, полоса 440 мм: С = 5 м; l = 2 м С = 5 м; l = 3 м С = 7,5 м; l = 2 м С = 7,5 м; l = 3 м Круглая сталь d = 1020 мм, полоса 440 мм: С = 5 м; l = 2 м С = 5 м; l = 3 м С = 7,5 м; l = 2 м С = 7,5 м; l = 3 м С = 5 м; l = 5 м С = 7,5 м; l = 5 м
	Уголок 40404 мм, полоса 440 мм: С = 6 м; l = 3 м

Для рассчёта необходимы так же данные приведенные в следующих таблицах 2,3,4,5,6

- характеристика установки (тип, вид оборудования, рабочие напряжения, суммарная мощность генераторов или трансформаторов, питающих данную сеть, режим нейтрали сети. Способы её заземления и т.п.);

- удельное электрическое сопротивление земли на участке размещения заземлителя, полученное непосредственным измерением по методике, приведенной ниже, и характеристика погодных условий во время измерений. При невозможности проведения измерений необходимо знать тип земли и степень её неоднородности в зависимости от глубины. Следует определить признаки климатической зоны, в пределах которой сооружается заземлитель;

- вид форма, размеры, материал электродов и заземляющих проводников, предназначенных для сооружения искусственного заземляющего устройства.



Таблица 2.Коэффициенты сезонности К для однородной земли

Климатическая зона	Влажность земли во время измерения её сопротивления	Климатическая зона	Влажность земли во время измерения её сопротивления
	повышен- ная	нормаль- ная	малая	повышен- ная	нормаль- ная	малая
Вертикальный электрод длиной 3 м	Горизонтальный электрод длиной 10 м
I	1,9	1,7	1,5	I	9,3	5,5	4,1
II	1,7	1,5	1,3	II	5,9	3,5	2,6
III	1,5	1,3	1,2	III	4,2	2,5	2,0
IV	1,3	1,1	1,0	IV	2,5	1,5	1,1
Вертикальный электрод длиной 5 м	Горизонтальный электрод длиной 50 м
I	1,5	1,4	1,3	I	7,2	4,5	3,6
II	1,4	1,3	1,2	II	4,8	3,0	2,4
III	1,3	1,2	1,1	III	3,2	2,0	1,6
IV	1,2	1,1	1,0	IV	2,2	1,4	1,12

Таблица 3. Ориентировочные значения удельных электрических сопротивлений различных видов земель и воды

Вид земли и воды	, Омм
Кокс, коксовая мелочь	2 - 5
Торф	10 - 30
Садовая земля	20 - 60
Чернозем	10 - 50
Гранит	1000 - 1200
Каменный уголь	100 - 150
Известняк пористый	150 - 200
Глины пластинчатые	3 - 80
Глины полутвердые	40 - 80
Сланцы графитовые	10 - 100
Аргилиты	10 - 60
Мел	20 - 100
Алевриты	100 - 300
Суглинок пластинчатый (лажный)	5 - 40
Суглинок полутвердый (слабовлажный)	50 - 150
Суглинок лесовидный (водонасыщенный)	50 - 150
Пахотная земля, смешанный грунт	20 - 180
Почва	10 - 300
Супесь водонасыщенная (текучая)	20 - 60
Супесь влажная (пластинчатая)	100 - 200
Супесь слабовлажная (твердая)	200 - 400
Мергели глинистые	10 - 100
Мергели	100 - 250
Мергели известковые	250 - 400
Лесс	200 - 300
Песок при глубине залегания вод менее 5 м	300 - 700
Песок при глубине залегания вод 6 - 10 м	500 - 1500
Известняк плотный	1000 - 2000
Скальные породы	1000 - 3000
Гравий, щебень	4000 - 7000
Вода:
морская	0,2 - 1
речная	10 - 100
прудовая	40 - 50
грунтовая	20 - 70

Таблица 4.Формулы для расчета сопротивления одиночных заземлителей, размещенных в однородном грунте

Тип заземлителя	Схема	Формула	Условия применения
Стержневой круглого сечения (трубчатый) или уголковый у поверхности земли			l >>d; для уголка с шириной полкиb d = 0,95b
То же в земле			l >>d; t0 0,5 м; для уголка с шириной полкиb d = 0,95b
Протяженный на поверхности земли (стержень, труба, полоса, кабель и т.п.)			L >>D; для полосы шириной b d = 0,5b
То же в земле			L >>D; L >> 4t; для полосы шириной b d = 0,5b
Кольцевой на поверхности земли			D >>d; для полосы шириной b d = 0,5b
То же в земле			D >>d; D >>2t; для полосы шириной b d = 0,5b
Круглая пластина на поверхности земли			-
Пластинчатый в земле (пластина поставлена на ребро)			2t0 a

Таблица 5. Коэффициенты использования _в вертикальных электродов без учета влияния полосы связи и их количество n

а/l	При размещении в ряд	При размещении по контуру
	в n	n	в	в n	n	в
1	1,70	2	0,85	2,76	4	0,69
	2,34	3	0,78	3,66	6	0,61
	2,92	4	0,73	5,50	10	0,55
	3,50	5	0,7	9,40	20	0,47
	3,90	6	0,65	16,40	40	0,41
	5,90	10	0,59	23,40	60	0,39
	8,10	15	0,54	36,00	100	0,36
	9,60	20	0,48	-	-	-
2	1,82	2	0,91	3,12	4	0,78
	2,61	3	0,87	4,38	6	0,73
	3,32	4	0,83	6,80	10	0,68
	4,05	5	0,81	12,60	20	0,63
	4,62	6	0,77	23,20	40	0,58
	7,40	10	0,74	33,00	60	0,55
	10,50	15	0,70	52,00	100	0,52
	13,40	20	0,67	-	-	-
3	1,88	2	0,94	3,4	4	0,85
	2,73	3	0,91	4,8	6	0,80
	3,56	4	0,89	7,6	10	0,76
	4,35	5	0,87	14,2	20	0,71
	5,10	6	0,85	26,4	40	0,66
	8,10	10	0,81	38,4	60	0,64
	11,70	15	0,78	62,0	100	0,62
	15,20	20	0,76	-	-	-

Таблица 6.Коэффициенты использования _г горизонтального электрода, соединяющего вертикальные электроды

а/l	Число вертикальных электродов
	2	4	6	8	10	20	30	40	50	60	70	100
При расположении электродов в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,67	0,62	0,42	0,31	-	0,21	-	-	-
2	0,94	0,89	0,84	0,79	0,75	0,56	0,46	-	0,36	-	-	-
3	0,96	0,92	0,88	0,85	0,82	0,68	0,58	-	0,49	-	-	-
При расположении по контуру
1	-	0,45	0,40	0,36	0,34	0,27	0,24	0,22	0,21	0,20	0,20	0,19
2	-	0,55	0,48	0,43	0,40	0,32	0,30	0,29	0,28	0,27	0,26	0,23
3	-	0,70	0,64	0,60	0,56	0,45	0,41	0,39	0,37	0,36	0,35	0,33

3.Экспериментальная часть.

Усвоить назначение, принцип действия, область применения защитного заземления. Разобраться с устройством естественных и искусственных заземлителей, заземляющих проводников.

Изучить компенсационный метод измерения сопротивления растеканию тока заземлителей. Ознакомиться с принципиальной схемой и правилам пользования прибором М-416.

Собрать последовательно схемы для измерений сопротивлений R_x, R_z и R_в, выполнить измерение этих величин прибором М-416, полученные результаты занести в отчет по лабораторной работе.

Rx, Ом

Rz, Ом

Rв. Ом

4.По исходным данным, которые задаются преподавателем, выполнить расчет защитного заземления методом коэффициентов использования.

Rx = 4 Ом

Rz = 44 Ом

Rв = 102 Ом

3) В результате измерения величин R_x, R_z и R_в, с помощью прибора М-416 у нас получились следующие значения:

Rx = 8*5=40 Ом

Rz = 9*5=45 Ом

Rв = 4,7*20=94 Ом

4) Рассчет защитного заземления методом коэффициентов использования.

№	вертикальный электрод	горизонталь- ный электрод	расстояние между электрод. а, м	грунт	клима- тичес-кая зона	располо- жение
3	круглая сталь d = 10 мм длина l = 3 м; tо = 80 см.	полоса 440 мм; b = 40 мм	5	садовая земля	IV	в ряд

Наибольшее допустимое значение сопротивления R_доп, Ом, заземляющего устройства. для электроустановок напряжением до 1 кВ R_доп = 10 Ом при помощи генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее;

Удельное сопротивление грунта

= 40*1,1=44 Ом

_г = 40 - удельное сопротивление грунта, принимаемое в зависимости от грунта

К= 1,1 - климатический коэффициент (коэффициент сезонности), учитывающий влияние климатической зоны и влажности грунта на его сопротивление.

Сопротивление R_в, Ом, одиночного вертикального электрода по расчетным зависимостям, приведенным в таблице 4.

Тип заземлителя	Схема	Формула	Условия применения
Ввземле			l >>d; t0 0,5 м; для уголка с шириной полки b d = 0,95b

Сопротивление R_в

Из таблиц определили:

а/l	При размещении в ряд
	в n	n	в
2	1,82	2	0,91
	2,61	3	0,87
	3,32	4	0,83
	4,05	5	0,81
	4,62	6	0,77

n=2 ; _в=0,91

С учетом схемы размещения заземлителя в грунте находим длину L, м, горизонтального проводника связи

-при расположении электродов в ряд

L= 1.05*(n-1)*a=1.05*(2-1)*5= 5,25 м

Удельное сопротивление грунта горизонтального проводника

= 40*1,5=60 Ом

Сопротивление R_г Ом, одиночного вертикального электрода

Тип заземлителя	Схема	Формула	Условия применения
Протяженный на поверхности земли (стержень, труба, полоса, кабель и т.п.) в земле			L >>D; L >> 4t; для полосы шириной b d = 0,5b

Сопротивление R_г Ом, одиночного вертикального электрода

Коэффициенты использования _г горизонтального электрода, соединяющего вертикальные электроды

а/l	Число вертикальных электродов
	2	4	6	8	10	20	30	40	50	60	70	100
При расположении электродов в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,67	0,62	0,42	0,31	-	0,21	-	-	-
2	0,94	0,89	0,84	0,79	0,75	0,56	0,46	-	0,36	-	-	-
3	0,96	0,92	0,88	0,85	0,82	0,68	0,58	-	0,49	-	-	-



_г=0,94

Определяем результирующие сопротивления, Ом, искусственного группового заземлителя



Вывод

Защитное заземление уменьшает величину тока через человека в соотношение R_Ч/R_ЗУ раз. При отсутствии заземляющего устройства I_Ч=I_З.А так как электрическое сопротивление человека принимается величиной постоянной, равной 1000 Ом, то необходимые условия электробезопасности (допустимый ток через человека I_ЧДОП) при установленном значении тока замыкания I_З могут быть достигнуты только при определенном значении R_ЗУ. Поэтому необходимо что бы заземляющая конструкция не была слишком дорогой в изготовлении, но в тоже время понижала ток проходящий через тело человека до допустимых значений



Использованная литература

1. Электробезопасность: методические указания к лабораторным работам / Лозовский Е. Ю., Глинчиков Д. Ю.

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Заземление

Размещено на Allbest.ru

...