Лабораторная работа 6 исследование эффективности защитных мер от воздействия напряжения шага

Цель работы – оценка условий возникновения напряжения шага и эффективности защиты от опасности поражения с помощью сложных заземляющих контуров.

6.1. Общие сведения

В соответствии с ГОСТ 12.1.009–76 ССБТ «Электробезопасность. Термины и определения» [1] напряжение шага – это напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Такое явление наблюдается при замыкании электрического тока на землю или на заземленный металлический корпус электроустановки, при ударе молнии, при обрыве и последующем падении провода на землю. Вследствие этого в земле образуется зона растекания тока.

Зона растекания тока – зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю (ГОСТ 12.1.009–76 [1]).

Если на графике по вертикальной оси отложить напряжение U в вольтах, а по горизонтальной – расстояние от заземлителя x в метрах, то кривая распределения в зоне растекания тока будет иметь крутой спад вблизи заземлителя и тем более пологую форму, чем выше проводимость грунта (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Кривая распределения потенциалов полусферического заземлителя в зоне растекания тока

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяемой размерами, формой заземлителя и электрическими свойствами грунта.

Для выявления закона распределения потенциалов грунта в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток замыкания на землю I_з стекает через одиночный полусферический заземлитель радиусом x₀, погруженный в однородный изотропный грунт с удельным электрическим сопротивлением ρ, во много раз превышающим удельное электрическое сопротивление материала заземлителя (рис. 6.2).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами x₀<x₁<x₂<…<x_n.

Рис. 6.2. Растекание тока в грунте через полусферический заземлитель

Поверхности этих сечений соответственно равны:

, , ,…, , (6.1)

где S₀, S₁, S₂, S_n – площади поверхностей, по которым распределяется ток, на расстояниях x₀, x₁, x₂,…, x_n, м²;

x₀, x₁, x₂,…, x_n – расстояния, м.

Ток распределяется по этим поверхностям равномерно, так как грунт однородный и изотропный. Плотность тока δ на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоянии x от центра заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I_з к площади поверхности полусферы радиусом x:

, (6.2)

где δ – плотность тока на поверхности грунта, А/м²;

I_з – сила тока замыкания на землю, А;

x – расстояние от центра заземлителя до точки А, м.

Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиусом x, выделим элементарный слой, толщиной dx. Падение напряжения в этом слое:

, (6.3)

где E=δ·ρ – напряженность электрического поля, В/м;

ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м.

Удельное сопротивление грунта – это сопротивление 1 м³ грунта с ребром длиной 1 м. Наибольшую величину ρ имеет зимой в северных районах при промерзании почвы и летом в южных районах, когда почва сухая. Значение ρ земли колеблется в широких пределах: от десятков до тысяч Ом⋅м.

Потенциал точки А, или напряжении этой точки относительно земли, равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:

, (6.4)

Подставив в выражение (6.4) соответствующие значения из выражений (6.2) и (6.3), а также значение E, получим

. (6.5)

Проинтегрировав выражение (6.5) по x, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки относительно земли, в следующем виде:

, (6.6)

Так как , то (6.6) принимает вид

. (6.7)

Таким образом, по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (см. рис. 6.1).

Шаговое напряжение определяется, как разность потенциалов между точками, например А и Б (см. рис. 6.1).

. (6.8)

Подставив в выражение потенциал точки А, исходя из (6.6) при полусферическом заземлителе, и потенциал точки Б находящейся от заземлителя на расстоянии x+a, т.е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a, получим:

.

Таким образом, величина напряжения шага U_ш определяется по формуле:

,

где I_з – ток замыкания на землю, А;

ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м;

a – величина шага (0,8..1,0 м), м;

x – расстояние от центра заземлителя до рассматриваемой точки на поверхности земли, м;

Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, т.е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю.

Нахождение человека в поле растекания тока может привести к поражению, если шаговое напряжение U_ш превышает допустимое по условиям электробезопасности значение U_доп. Зона вокруг заземлителя, при которой U_ш > U_доп, называется опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от напряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта.

На расстоянии 1 м от заземлителя падение напряжения составляет до 70 % полного напряжения, на расстоянии 10 м – около 90 %, на расстоянии 20 м потенциалы точек настолько малы, что практически могут быть равны нулю. Такие точки поверхности почвы считаются находящимися вне зоны растекания тока и называются «землей».

Сила тока, проходящего через тело человека, когда он находится под действием напряжения шага U_ш определяется по следующей формуле:

,

где R_чел – сопротивление тела человека, Ом;

R_ш – сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее от удельного сопротивления поверхности грунта ρ, площади ступни ног (680 см²) и длины шага (0,8 м), Ом. Величина R_ш обычно принимается равной 6·ρ (сопротивлением обуви пренебрегают).

Величина шагового напряжения U_ш не нормируется, по ряду причин:

• нормируемой величиной является напряжение прикосновения, численные значения которого значительно больше шагового напряжения, кроме того, протекание тока по пути «рука – рука» более опасно, чем по пути «нога – нога»;

• в нормативах устанавливается допустимая величина сопротивления защитного заземления, на основании которой и проектируется сложный заземляющий контур.

Однако в ряде зарубежных работ принимаются численные значения нормируемых напряжений прикосновения и шага в пределах от 50 до 200 В. Наиболее распространенным значением является 125…150 В. Напряжение 150 В не является само по себе безопасным и не исключает возможности поражения. Его можно назвать расчетным напряжением при проектировании заземления на высоковольтных подстанциях.

Много случаев поражения людей объясняется тем, что при воздействии шагового напряжения даже небольшого значения (50…80 В) в мышцах ног возникают судороги и человек падает. После падения человека ток проходит через другие участки тела, а также может замкнуть точки с большими потенциалами.

Поэтому чаще всего, считается, что шаговое напряжение ниже 40 В не представляет для человека опасности. Однако для животных, поражение этим напряжением во многих случаях приводит к гибели. Животные, которые оказываются в зоне шагового напряжения, попадают под более высокую разность потенциалов в связи с большим расстоянием между ногами и прохождением тока через грудную клетку. Известно, что для крупного рогатого скота и свиней опасным (смертельным) является напряжение всего лишь 24..30 В. Поэтому в ГОСТ Р 50571.14-96 «Электроустановки зданий» [2] (прил. 6.1) установлены нормируемые значения напряжения шага для животных.

В соответствии с межотраслевыми правилами по охране труда (правилами безопасности) ПОТ РМ-016–2001 [3] при эксплуатации электроустановок не разрешается приближаться на расстояние менее 8 м к лежащему на земле проводу воздушной линии электропередачи (ЛЭП) под наведенным напряжением выше 1000 В, к находящимся под напряжением железобетонным опорам ЛЭП напряжением 6…35 кВ при наличии признаков протекания тока замыкания на землю (повреждение изоляторов, прикосновение провода к телу опоры, испарение влаги из почвы, возникновение электрической дуги на стойках и в местах заделки опоры в грунт и др.). В этих случаях вблизи провода или опоры следует организовать охрану для предотвращения приближения к месту замыкания людей и животных, установить по мере возможности предупреждающие знаки или плакаты, сообщить о происшедшем владельцу ЛЭП.

Коллективным средством защиты от опасного воздействия напряжения шага на человека является выравнивание потенциалов в зоне растекания тока путем 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 определенную глубину.

В качестве заземлителей применяют прутковую круглую сталь диаметром не менее 10 мм (неоцинкованная) и 6 мм (оцинкованная), полосовую сталь толщиной не менее 4 мм и сечением не менее 48 мм², угловую сталь с толщиной полок не менее 4 мм и стальные трубы с толщиной стенок не менее 3,5 мм.

Расчет 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 его сопротивления до нормируемых значений.

Размещение заземлителей производится таким образом, чтобы достичь равномерного распределения электрического потенциала на площади, занятой электрооборудованием. Для этой цели прокладывают заземляющие полосы на глубине 0,5…0,7 м вдоль рядов оборудования и в поперечном направлении, т.е. образуется заземляющая сетка, к которой присоединяется заземляемое оборудование.

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как U_ш < U_доп, т.е. опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соединенные с заземлителем (рис. 6.3). При этом спад потенциалов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.

Рис. 6.3. Кривая изменения потенциала за пределами контура

I – без выравнивания; II – с выравниванием

Кроме того, для предупреждения поражения шаговым напряжением осуществляют защиту воздушных ЛЭП, обеспечивающую автоматическое отключение, в случае обрыва провода и контакта его с землей.

Индивидуальные средства защиты. Для защиты от шагового напряжения в установках до 1000 В используют диэлектрические галоши, а в установках любого напряжения – диэлектрические боты.

Перемещаться в зоне действия шагового напряжения необходимо с особой осторожностью, используя средства защиты для изоляции от земли (диэлектрические галоши, боты, ковры и т.п.) или предметы, плохо проводящие электрический ток (сухие бревна, доски и т.п.). Без средств защиты в зоне растекания тока следует, поставить ноги вместе и идти мелкими шагами («гусиным шагом» – пятка шагающей ноги, не отрываясь от земли, приставляется к носку другой ноги). Не допускается выпрыгивать из зоны шагового напряжения на одной ноге. Также нежелательно убегать прыжками с одной ноги на другую, избегая касания обеими ногами, вследствие возможного падения. Можно сдвинуть плотно друг к другу ступни и выйти из зоны, прыгая на обеих ногах.