Исследование эффективности защитных мер от воздействия напряжения шага

Оценить условия возникновения напряжений шага и эффективность защиты от опасности поражения с помощью сложных заземляющих контуров.

Напряжением шага называется обусловленное током замыкания на землю напряжение между точками земли и пола, на которые человек может наступить одновременно.

Такое явление наблюдается при замыкании электрического тока на землю или на заземлённый металлический корпус электроустановки, так как растекающийся в земле ток образует от заземлителя или места замыкания зону растекания по радиальным направлениям во все стороны и в глубину земли. Это напряжение уменьшается по мере удаления от места замыкания, а на расстоянии, равном примерно 20 м , будет близким к нулю.

Если на графике по вертикальной оси отложить напряжение в вольтах, а по горизонтальной - расстояние от заземлителя в метрах, то кривая распределения в зоне растекания тока будет иметь крутой спад вблизи заземлителя и тем более пологую форму, чем выше проводимость грунта.

Величина напряжения шага Uш определяется по формуле:

Uш=Jз∙ρ∙d/2πx(x+d),

Где J3 - ток замыкания на землю, А;

d - величина шага, (0,8 – 1,0 м);

х - расстояние от центра заземлителя до рассматриваемой точки на поверхности земли, м

ρ - удельное сопротивление грунта, см, м.

Напряжение уменьшается при удалении человека от заземлителя.

Кривые распределения напряжения в зоне растекания тока

Сила тока, проходящего через тело человека, когда он находится под воздействием шагового напряжения Uш, определяется по следующей формуле:

Jчел=Uшаг/(Rш+Rчел)= Uшаг/(6+ Rчел), А

Где Rчел - сопротивление тела человека, (1000 Ом)

Rш - Сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее удельного сопротивления поверхности грунта (ρп), площади ступни ног (680 см2) и длины шага (0.8 м).

Величина Uш обычно принимается равной 6ρп (сопротивлением обуви пренебрегаем).

С целью предупреждения опасного воздействия напряжения шага на человека производится выравнивание потенциалов в зоне растекания тока путём устройства сложных заземлителей в виде замкнутого контура, охватывающего всю территорию защищаемого объекта.

Сложный заземляющий контур представляет собой совокупность горизонтальных и вертикальных заземлителей (стальные полосы профильное железо и т.п.), закопанных на определённую глубину.

Расчёт заземляющего контура строится в зависимости от принятой величины тока замыкания, удельного сопротивления грунта, защищаемой площади, находящейся под электрооборудованием и т. п. и сводится к определению размеров заземляющего устройства с целью доведения величины сопротивления его до нормируемых значений.

Описание моделирующего устройства УШН-1

Устройство УШН-1 представляет собой лабораторный стенд, в котором смонтирована схема, позволяющая моделировать и демонстрировать замыкание электрического тока за землю в линиях электропередачи (ЛЭП) напряжением 6000 В и 35000 В.

На мнемопанели стенда показывается путь прохождения тока, световым сигналом имитируется короткое замыкание на металлическую опору ЛЕН, изображается графически распределение потенциалов в земли и изменение величины напряжений шага при различных расстояниях человека от места замыкания тока и др.

При появлении опасности поражения предупредительная надпись «опасно». Переключателем защита включается в схему сложный контур для выравнивания напряжения, действие которого можно наблюдать на мнемосхеме и по показаниям приборов.

На панель стенда выведены следующие выключатели и переключатели:

СЕТЬ - включение питающего напряжения;

ЗАЩИТА - попеременное включение заземляющих контуров различных по величине сопротивлений; 6 кВ и 35 кВ - выбор номинального напряжения линии электропередачи;

Uш - выбор места нахождения человека от заземлителя;

Uчел - включение для производства замера силы тока, проходящего через человека; напряжение шаг защита заземляющий

Jкз - включение для определения силы тока короткого замыкания.

ПРОБОЙ (кнопка) - осуществление имитации замыкания высоковольтной линии на металлический корпус опоры.

Порядок проведения работы

1. После ознакомления с описанием работы и устройства стенда проверить соответствие стенда исходному состоянию: выключатели “сеть” и “защита” должны находиться в положении выключено (вниз) и “0”, переключатель “6 кВ и 35 кВ” – в нейтральном положении; Uш – в положении “2”, Iчел-Iкз в положении Iкз.

2. Подготовить протоколы 1 и 2 для записи результатов наблюдений, после чего с разрешения преподавателя подключить стенд к питающей сети напряжением 220В.

3. Включить выключатель “сеть”. При этом на мнемопанели высвечивается изображение высовольтной воздушной линии электропередач.

4. По указанию преподавателя поставить переключатель “6 кВ и 35 кВ” в одно из фиксируемых положений.

5. Нажать кнопку “пробой” – на мнемопанели демонстрируется растекание тока в земле при замыкании воздушной линии на опору и высвечивается кривая распределения потенциала в зоне растекания тока. Амперметр показывает величину тока замыкания.

6. Установить переключатель в положение I чел для фиксации показаний миллиамперметра.

7. Поставить переключатель Uш последовательно в положение 2, 4, 6 и т.д. (это будет соответствовать удалению человека от места замыкания, м) и записать в протокол 1 по показаниям миллиамперметра силу тока, проходящего через человека, а по показаниям вольтметра – величину напряжения шага.

8. Поставить переключатель “защита” в положение 0,5 Ом, затем 10 Ом. На световой панели появится изображение контура заземления и исчезнет сигнал “опасно”. Записать в протокол показания вольтметра.

9. Увеличить с помощью переключателя “защита’ сопротивление заземляющегося контура до 50 Ом, отметив в протоколе 1 последствия такого увеличения.

10. Привести схему в исходное положение, выключить вилку из штепсельной розетки.

По полученным данным построить графики зависимости:

Iчел = f(l); Uш = f(l); Iчел = f(Uш).

Обработка результатов эксперимента

Протокол 1

Линия электропередачи напряжением 6 кВ. Сила тока замыкания 11 мА