Шаговое напряжение.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

__________________________________________________________

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

К.Б. Кузнецов

З.И. Ивашова

Шаговое напряжение и напряжение прикосновения

Екатеринбург 2001

Цели работы:

1.Изучение распределения потенциалов на поверхности земли в поле растекания тока на различных грунтах, а также шаговых напряжений в зависимости от расстояния до места замыкания на землю.

2.Изучение опасности однополосного прикосновения к токоведущим частям в трехфазной сети с изолированной нейтралью в зависимости от сопротивления изоляции фаз относительно земли и сопротивления человека.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В процессе эксплуатации электрических установок человек может быть поражен электрическим током в результате попадания под шаговое напряжение или напряжение прикосновения. Эти напряжения возникают на частях, доступных прикосновению, и на поверхности земли, как правило, при аварийных режимах работы электрических установок.

Опасность поражения электрическим током среди прочих опасностей отличается тем, что человек не в состоянии без специальных приборов обнаружить наличие напряжения дистанционно, как, например, движущие части, раскаленные объекты, открытые люки, неогражденные края площадки, находящиеся на высоте и т.п. Оно обнаруживается лишь после поражения человека электрическим током. Поэтому необходимо иметь четкое представление о шаговом напряжении и напряжении прикосновения, чтобы предусмотреть защитные меры, полностью обеспечивающие безопасность персонала, обслуживающего электроустановки.

Шаговое напряжение.

При возникновении контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом электрооборудования, на корпусе относительно земли появляется потенциал. Корпус имеет электрическую связь с замедлителем, поэтому можно считать, что потенциалы корпуса и заземлителя равны, и заземлитель, в данном случае, будет являться точкой замыкания на землю.

Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение, находящихся под напряжением частей электроустановки с землей. Место, где в землю стекает ток, называется точкой замыкания на землю. Точкой замыкания на землю может быть заземлитель или попавший на землю провод.

Ток, стекая с заземлителя в землю, растекается по значительному ее объему. Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Форма заземлителя может быть очень сложной и электрические свойства грунта, как правило, неоднородны, поэтому закон распределения потенциалов вблизи заземлителя определяется сложной зависимостью. С цвелью упрощения изображения электрического поля и анализа его допустим, что ток стекает в землю через одиночный заземлитель полушаровой формы, уложенный в однородном грунте (рисунок 1). В этом случае линии растекания тока в земле будут радиальными.

Плотность тока δ на расстоянии х от центра заземлителя определяется как отношение тока замыкания на землю I_з к площади поверхности полушара с радиусом х:

Для определения потенциала в точке А выделим в поле растекания тока элементарный слой dх. Падение напряжения dU в этом слое равно

,

где Е = δ ρ – напряженность электрического поля;

ρ – удельное сопротивление грунта.

В бесконечно удаленной точке (х =∞) плотность тока, напряженность электрического поля и потенциал равны нулю.

Потенциал земли в точке А, находящейся на расстоянии χ от центра заземлителя, определяется

(1)

где I₃ – ток замыкания на земле, который определяется при рассмотрении полной цепи замыкания, А;

ρ – удельное сопротивление грунта, Ом· м;

х – расстояние от центра заземлителя до определяемой точки, м.

Рисунок 1 – Гиперболический закон изменения потенциалов точек земли

Из выражения (1) видно, что потенциал точек на поверхности грунта уменьшается с удалением от места замыкания на землю и в пределе стремится к нулю. Область поверхности грунта, потенциал которой равен нулю, называется электротехнической землей.

Опытная кривая распределения потенциалов (рисунок 2), полученная непосредственными измерениями у трубчатого заземлителя, имеет примерно такой же вид, как и у заземлителя полушаровой формы.

Из кривой (рисунок 2) видно, что поверхность заземлителя имеет максимальный потенциал. На расстоянии 1 м от моста стекания тока в землю потенциал снижается на 68 %. В конце десятого метра снижение достигает 92%, а на расстоянии 20 метров потенциал точек земли практически равен нулю.

То есть сопротивление току замыкания на землю оказывает объем грунта радиусом 20 метров, находящийся в поле растекания тока. За пределами электрического поля грунт представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления протеканию электрического тока. Практически «земля» в электрическом смысле начинается с расстоянием = 10-20 м от заземлителя.

Рисунок 2 – Характер распределения потенциалов в земле при стекании тока с трубчатого заземлителя.

Если человек попадает в зону растекания тока, то его ноги могут касаться разных потенциалов. Точки поверхности земли, расположенные дальше от заземлителя, имеют меньший потенциал. Следовательно, существует на ширине шага (d =0, 8 м) в поле растекания тока существует разность потенциалов. Эту разность потенциалов и называют шаговым напряжением.

Величина шагового напряжения зависит от ширины шага α и расстояния χ до места замыкания на землю. Шаговое напряжение на различном расстоянии от точки замыкания (рис.1) можно определить следующими выражениями:

(2)

(3)

Из выражения (2) видно, что если х₁ < х_2, следовательно, по мере удаления от места замыкания опасность шаговых напряжений уменьшается.

Шаговое напряжение на расстоянии от 20 м от места практически не представляет опасности. При шаге, равном 0, 8 м, интенсивная судорога может возникнуть в случае, если шаговое напряжение равно 100÷ 150 В. В результате судороги ног человек может упасть на землю и при этом за счет увеличения расстояния между точками земли, которых теперь он будет касаться руками и ногами, может возрасти разность потенциалов. Ток в этом случае будет протекать по более опасному пути «руки-ноги». Совокупность этих факторов может привести к стремительному поражению человека электрическим к током.

Для предупреждения поражения током при случайном попадании в зону растекания тока следует покидать её так, чтобы по возможности свести разность потенциалов на ногах к нулю. Устранить опасность поражения шаговым напряжением можно с помощью диэлектрической обуви.