2.6 Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите виды поражения человека электрическим током и дайте их определение.

2. Дайте определение понятий: «электрическая сеть», «низкое напряжение», «электроустановка», «токоведущие части», «открытые проводящие части», «система заземления типа TN (зануление)».

3. Перечислите основные существующие типы систем питающих проводников. Изобразите векторную диаграмму напряжений трехфазной электрической сети переменного тока.

4. Что является фактором опасности поражения человека электрическим током согласно ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ.

5. Изобразите электрические схемы систем заземления типа TN-C, TN-S, TN-C-S. Какая из них исследовалась в данной работе? Что называется нейтралью сети?

6. Какие существуют условия поражения человека в трехфазных сетях переменного тока?

7. Изобразите электрические схемы и диаграммы напряжений трехфазной четырехпроводной сети переменного тока при неполном и глухом замыкании фазы на землю. Какой из этих случаев является более опасным для человека при однофазном прикосновении?

8. Какие параметры трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью влияют на исход поражения человека при однофазном и двухфазном прикосновении?

9. Что такое зануление и защитное автоматическое отключение питания при КЗ? Рассмотрите принцип их действия.

10. Сформулируйте область применения зануления и повторного заземления PEN- (PE-) проводника. Приведите нормативные требования, предъявляемые к ним.

11. Постройте график распределения потенциала вдоль PEN-проводника при замыкании фазы на открытую проводящую часть. (Повторного заземления PEN-проводника и его обрыва нет).

12. Постройте график распределения потенциала вдоль PEN-проводника при замыкании фазного напряжения на открытую проводящую часть. При этом повторное заземление отсутствует, имется обрыв PEN-проводника.

13. Постройте график распределения потенциала вдоль PEN-проводника при замыкании фазы на открытую проводящую часть. (Повторное заземление есть, обрыва PEN-проводника нет).

3 Исследование опасности замыкания токоведущих частей на землю

3.1 Цель работы

Целью работы является экспериментальная оценка опасности замыкания токоведущих частей на землю путем исследования электрического поля на поверхности земли вблизи места замыкания, определения напряжения прикосновения и шага.

3.2 Методические указания к самостоятельной работе студентов

В процессе подготовки к лабораторной работе необходимо изучить следующие вопросы:

- виды поражения электрическим током и их определения (см. лабора-торную работу №1 п. 1.2);

- фактор опасности, определяющий исход поражения человека электрическим током (см. лабораторную работу №1 п. 1.2);

- определение понятий: «электрическая сеть», «электроустановка», «токоведущая часть», «открытая проводящая часть», «защитное заземление» (см. п. 1.2), «заземляющее устройство», «заземлитель», «зона растекания», «напряжение шага», «напряжение прикосновения», «уравнение потенциалов»;

- конструктивное исполнение заземлителей, из преимущества и недостатки, нормативные требования к ним;

- закон распределения потенциала на поверхности земли при растекании тока через одиночный полусферический заземлитель;

- определение напряжения шага, напряжения прикосновения;

- нормативные требования к значению напряжения шага;

- меры защиты напряжения шага и напряжения прикосновения.

Нужно знать, что при замыкании на землю токоведущих проводников существует угроза поражения человека электрическим током. Таким замыканием называется возникновение непосредственного или через промежуточные проводящие части электрического контакта (как правило, случайного) между проводником, который находится под напряжением, и землей. Оно возможно в следующих ситуациях:

- при обрыве токоведущих проводников и падении их на землю (в воду, на железнодорожное полотно и другие заземленные конструкции);

- при повреждении изоляции токоведущих частей и замыкании на открытую проводящую часть.

Заземляющее устройство – это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель – проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, которая является частью заземляющего устройства и находится в электрическом контакте с землей (непосредственном или через промежуточную проводящую среду).

На рис. 3.1 показано растекание тока через одиночный полусферический заземлитель.

Рисунок 3.1 – Растекания тока в грунте через одиночный полусферический заземлитель и схема измерения потенциалов на поверхности земли

В однородном изотропном грунте ток растекается во всех направлениях равномерно. В грунте и на его поверхности с помощью вольтметра можно экспериментально выявить эквипотенциальные поверхности (), которые имеют вид концентрических окружностей. В нижней части рис. 3.1 показан график зависимости потенциалана поверхности грунта от расстояния, Пренебрегая удельным сопротивлением материала заземлителя (металла), потенциал на поверхности земли можно рассчитать по формуле

(3.1)

где – ток замыкания на землю;

–расстояние от места замыкания до исследуемой точки;

–удельное сопротивление грунта.

Если принять =r,

то

где – сопротивление растекания тока одиночного заземлителя,

Теоретически потенциал точек на поверхности грунта достигает нуля на бесконечно большом расстоянии. Однако в реальных условиях он достигает нуля уже на расстоянии 20 м от заземлителя.

Зоной нулевого потенциала (относительной землей) называется часть земли, находящаяся вне зоны влияния любого заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю.

Зоной растекания (локальной землей) называется часть земли, находящаяся между заземлителем и зоной нулевого потенциала, электрический потенциал которой не обязательно равен нулю.

Если человек стоит на земле (или на токопроводящем полу) и рукой касается открытой проводящей части, которая оказалась под напряжением (см. рис. 3.2), вследствие повреждения основной изоляции, то он находится под напряжением прикосновения, которое равно разности потенциалов руки и ног .

Рисунок 3.2 – Напряжение прикосновения на электроприемниках, удаленных от заземлителя на расстояние

Напряжение прикосновения – напряжение между двумя проводящими частями (одна из них может быть землей) в случае одновременного электрического контакта с ним человека или животного.

При растекании тока через одиночный полусферический заземлитель напряжение прикосновения определяется по формуле

, (3.2)

где - коэффициент напряжения прикосновения и

Если , тои.

Если , тои. (3.3)

Таким образом напряжение прикосновения, следовательно, опасность поражения возрастает по мере удаления от заземлителя и в реальных условиях достигает максимального значения на расстоянии 20 м от него.

Если человек находится в зоне растекания, на него действует также напряжение шага (рис. 3.3).

Напряжение шага – это напряжение между двумя точками на поверхности локальной земли, расположенными на расстоянии шага (1м), на которых одновременно стоит человек.

Рисунок 3.3 – Напряжение шага

Из рис. 3.3 видно, что напряжение шага уменьшается при удалении от заземлителя. При растекании тока через одиночный полусферический заземлитель напряжение шага определяется по формуле

, (3.4)

где ипотенциалы точек, на которых находятся левая и правая нога, соответственно;

- стандартная величина шага, =1м;

–коэффициент напряжения шага,

. (3.5)

Если , тои.

Если , тои.

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное. Заземлители также делятся на естественные и искусственные.

Достоинством выносного заземления (см. рис. 3.4) является возмож-ность выбора места для размещения заземления с наименьшим удельным сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низинах и т.д.), особенно если по каким-либо причинам невозможно его разместить на защищаемой площадке (скалистый, песчаный грунт и т. п.).

Рисунок 3.4 – Выносное защитное заземление

Недостаток выносного заземления заключается в высоком напряжении прикосновения (). К тому же из-за большой длины заземляющих проводников возрастает сопротивление заземления. Поэтому выносное заземление применяется при сравнительно малых токах замыкания на землю (в частности в электроустановках низкого напряжения до 1000 В) и защищает только своим малым сопротивлением.

При контурном (распределенном) заземлении (см. рис. 3.5) заземлители располагаются равномерно по контуру (или по площади) производственного участка, на котором находится заземляемое оборудование. При этом зоны растекания отдельных электродов накладываются друг на друга, из-за чего на поверхности земли (пола) происходит уравнивание потенциалов.

Рисунок 3.5 – Контурное защитное заземление

Для искусственных заземлителей применяют вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 50…60 мм с толщиной стенки не менее 3,5 мм, угловую сталь с толщиной стенки не менее 4 мм или прутковую сталь диаметром не менее 10 мм. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода применяют полосовую сталь сечением не менее 412 мм или сталь круглого сечения диаметром не менее 10 мм. Соединение электродов выполняют с помощью сварки. Допускаются резьбовые соединения. Залегание электродов в грунте должно быть ниже глубины промерзания. После установки и сварки электродов в траншее она засыпается и тщательно трамбуется.

В качестве естественных заземлителей могут использоваться проложенные в земле и имеющие с ней контакт водопроводные и другие металлические трубы (кроме трубопроводов с горючими газами и жидкостями), обсадные трубы артезианских колодцев, скважин, арматура железобетонных опор и т. п.

При проектировании и эксплуатации заземлений необходимо, чтобы напряжение шага при аварийном режиме производственных электроустановок не превышало 20В, а для бытовых электроустановок не превышало 12В (см. ГОСТ 12.1 038-82 ССБТ).

При действии на человека напряжения прикосновения или напряжения шага величину тока, протекающего через его тело, всегда можно рассчитать по закону Ома:

; (3.6)

, (3.7)

где - сопротивление тела человека.

Для защиты человека от напряжения прикосновения и шага применяются следующие меры в соответствии с ДБН В.2.5-27-2006:

- автоматическое отключение питания;

- оборудование класса II по ГОСТ 12.2.007.0 (двойную или усиленную изоляцию);

- сверхнизкое напряжение (систему БСНН или ЗСНН или систему функци-онального сверхнизкого напряжения (ФСНН);

- изолирующие (непроводящие) помещения, зоны, площадки;

- незаземленную систему местного уравнивания потенциалов;

- электрическое отделение цепей.

Рекомендуемая литература [1…4].

3. Описание лабораторной установки

На рис. 3.6 показан внешний вид лабораторной установки, состоящей из стенда 1 и вольтметра 2. Лабораторная работа выполняется путем моделиро-вания замыкания токоведущей части электроустановки на открытую прово-дящую часть, соединенную с землей посредством заземлителя, с последующим измерением потенциалов на поверхности земли, и напряжения прикосновения.

На стенде максимальное расстояние от заземлителя до точки относительной земли, равно 42 см. В реальных условиях такое расстояние () составляет 20 м.

Рисунок 3.6 – Внешний вид лабораторной установки

Вид грунта устанавливается с помощью переключателя «ГРУНТА» на лицевой панели стенда 1 в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Вид грунта

Номер кнопки переключателя «ГРУНТА»	Вид грунта	Удельное сопротивление грунта , Омм
1	Песок	700
2	Суглинок	100
3	Глина	40
4	Чернозем	20

Измерение токазамыкания на землю, осуществляется с помощью миллиамперметра, расположенного на лицевой панели стенда.

Измерение потенциала точек на поверхности земли выполняется с помощью вольтметра 2.

Основные органы управления и индикации стенда:

- два выключателя «СЕТЬ», расположенные на вертикальных панелях, соответственно, нижнего и верхнего блоков стенда;

- переключателем «U СЕТИ» устанавливают величину напряжения замыкания (напряжения в сети) в соответствии с вариантом задания;

- переключателем «ГРУНТА» устанавливают заданное удельное сопротивление грунта (см. табл. 3.1);

- тумблер «ЗАМЫКАНИЕ» предназначен для моделирования замыкания токоведущей части электроустановки на открытую проводящую часть, соединенную с землей с помощью заземлителя;

- средства индикации (лампочка и светодиоды), предназначенные для визуальной сигнализации включения стенда и замыкания на землю.

В стенде применено пониженное напряжение. Все измеренные значения напряжения необходимо привести к реальным значениям путем пересчета.