Определение рабочего заземления: отличие от защитного, принципы работы заземлителя, правила пуэ

Основные характеристики ДГР

Дугогасящий реактор (ДГР) – это электрический аппарат, предназначенный для компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным нормативным документом регламентирующим работу, установку и надстройку ДГР является Р 34.20.179.

Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов, генераторов или синхронных компенсаторов через разъединители. В цепи заземления реакторов должен быть установлен трансформатор тока. Рекомендуемые схемы подключения ДГР представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема подключения ДГР: а) подключение ДГР к трансформаторам СН; б) подключение ДГР к нейтрале силового трансформатора

Индуктивность ДГР подбирается из условия равенства емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. Таким образом, происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (как правило, не превышают 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией.

Современные ДГР имеют различные конструктивные особенности и производятся для огромного диапазона мощностей. В таблице 2 приведен ряд параметров дугогасящих реакторов разных производителей.

Таблица 2 – Параметры ДГР

Тип реактора	РДМР	РЗДПОМ	РУОМ	ASR, ZTC	TRENCH
Охлаждение	Масляное	Масляное	Масляное	Масляное	Масляное, сухое
Исполнение	Одинарное	Одинарное	Одинарное	Одинарное, комб-ное	Одинарное, комб-ное
Класс напряжения, кВ	6, 10	6, 10, 20, 35	6, 10	6, 10, 20, 35	6, 10, 20, 35
Кратность регулирования	8–25	5	10	10	10
Диапазон мощностей, кВА	300–820 (1520)	120–1520	90–1520	50–8000	100–1000

При выборе дугогасящего реактора рекомендуется следующий порядок; определяется максимальный емкостный ток замыкания на Землю; определяется суммарная мощность реакторов из условия полной компенсации емкостного тока (резонансная настройка); определяется число реакторов (если IС > 50 А, рекомендуется применять не менее двух реакторов);

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.

Первая помощь при поражении током

Постоянно думай о собственной безопасности!

Начать оказание первой помощи необходимо немедленно. Первым делом нужно обязательно освободить пострадавшего от действия электрического тока.
Затем сразу же вызвать скорую помощь!
При отсутствии дыхания и сердцебиения приступить к искусственному дыханию и массажу сердца.
По возможности наложить стерильную повязку на место электрического ожога.
Обеспечить покой пострадавшему.

Пострадавшего независимо от его самочувствия следует направить в лечебное учреждение.

Что нельзя делать с пострадавшим и почему:

Закапывать в землю (будет затруднено дыхание, что повлияет на работу сердца)
Обливать водой (происходит охлаждение организма)
Загрязнять поверхность ожога (начинает развиваться столбняк или гангрена)

Расчет суммарного тока ОЗЗ

При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.

Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.

Выражение для определения тока ОЗЗ:

где С∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С∑ = Суд l; Суд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км; l – общая длина проводника одной фазы сети.

Общий контроль изоляции в распределительных сетях 6 – 35 кВ

Для выявления нарушения изоляции фаз относительно земли в электроустановках предусматривается так называемый общий контроль изоляции. Для этих целей применяется специальный трехфазный пятистержневой трансформатор напряжения, одна из вторичных обмоток которого соединяется в «разомкнутый треугольник» и является фильтром напряжения нулевой последовательности (ФННП) (Рис.7). К выходу этого фильтра присоединяется реле напряжения KV. При замыкании фазы на землю на выходе фильтра появляется напряжение нулевой последовательности 3U, под действием которого реле срабатывает и действует на сигнал. Поврежденная фаза определяется, как правило, по трем вольтметрам включенных в другую вторичную обмотку трансформатора напряжения. В этом случае показания вольтметра в поврежденной фазе будут равны нулю при металлическом замыкании и меньше фазного напряжения, если в точке замыкания имеется переходное сопротивление. Электрическая схема контроля изоляции в сетях 6 – 35 кВ представлена на Рис.7.

Рис. 7. Схема общего контроля изоляции в сети 6-10кВ

Причиной появления напряжения нулевых последовательностей 3Uявляется нарушение симметрии фазных напряжений ЛЭП относительно земли (рис. 8 г, д).

Векторные диаграммы напряжения и емкостных токов для нормального режима показано на рис. 8 а, б.

Рис. 8. Схемы замещения сети с изолированной нейтралью: а, б — нормальный режим сети и векторные диаграммы напряжений емкостных токов; в, г, д, е – при замыкании фазы А на землю и векторные диаграммы.

Векторные диаграммы напряжения и ёмкостных токов при замыкании фазы «А» на землю представлены на рис.8 в, г.

Симметричные составляющие напряжений и ёмкостного тока замыкания I_зпри замыкании фазы «А» на землю представлены на Рис.8 д, е.

Реальное распределение токов нулевых последовательностей 3I в конкретной распределительной сети 10кВ показано на Рис. 9.

Рис. 9. Токораспределение 3I по фидерам ЛЭП

Из приведенной на Рис. 9 схемы распределения 3I в реальной сети 10 кВ нужно уяснить следующее:

– емкостной ток нулевой последовательности 3I в неповрежденных линиях имеет направление «от линии – к шинам»; в поврежденной линии «от шин – в линию».

– емкостной ток 3I в поврежденной линии равен сумме емкостных токов от неповрежденных линий

Эти два свойства широко используют при выполнении ряда защит от замыкания на землю.

Величина тока замыкания I_з=3Iв практических расчетах для настройки защит может определяться через удельную ёмкость С_уд (мкФ/км).

где U_ф–фазное напряжение;

l — длина электрически связанной сети, км.

Величина С_удзависит от конструкции сетей и составляет ориентировочно:

–5.5 · 10 -3 мкф/км – для воздушных ЛЭП;

–190 ·10 -3 мкф/км – для кабельных ЛЭП.

В практике можно воспользоваться также и империческими формулами для определения тока замыкания :

– воздушные ЛЭП

– кабельные ЛЭП

где U – линейное напряжение, кВ

l – длина сетей, км

Примеры защит от замыкания фазы на землю

Защита от замыкания на базе фильтра тока нулевой

Последовательности

Для токовых защит отходящих фидеров используются специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП), рис. 10.

Рис. 10. Трансформатор тока нулевой последовательности:

а) — устройство; б) – установка ТТНП на кабеле

Расчетные уставки защиты. Первичный ток срабатывания защиты, выполненной на реле РТ-40/0,2 или РТЗ-50, выбирается из условия несрабатывания зашиты от броска собственного емкостного тока линии при внешнем замыкании на землю по выражению:

где k_отс – коэффициент отстройки (k_отс=1,1÷1,2); k_б – коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока при внешних перемежающихся замыканиях на землю; I_С – собственный емкостной ток. Определение I_С производится:

– для кабельной ЛЭП:

где I_С0 – величина I_С на 1 км длины одного кабеля (табл. 2); l – длина линии; n – число кабельных линий;

– для воздушной ЛЭП:

где l – длина линии; I_С0.ВЛ – величина I_С на 1 км длины ВЛ (табл.3).

Расчет суммарного тока ОЗЗ

Выражение для определения тока ОЗЗ:

Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:

где UНОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ; li – длина кабельной линии, км; qi – сечение жилы кабеля, мм2.

Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.

Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

Распределительные сети 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью. Электроснабжение потребителей осуществляется по трехпроводной системе, по средствам воздушных или кабельных линий. Такой режим работы нейтрали позволяет повысить надежность питания потребителей при некоторых видах повреждений в электрических сетях.

Так например, при однофазном замыкании на землю (такие повреждения занимают самый большой процент среди других), в сетях с изолированной нейтралью аварийного отключения поврежденного фидера не происходит. Линейные напряжения остаются такими же как и до замыкания одной фазы на землю.

Однако при однофазных замыканиях в сетях с изолированной нейтрали происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом. Напряжение на поврежденной фазе, в зависимости от вида замыкания стремится к нулю. В случаях когда, измерительные приборы показывают, что напряжение на фазе равно нулю, говорят, что это «полная земля», а замыкание называется «металлическим».

Симметрия линейных напряжений при этом не нарушается, а вот фазные напряжения, двух “здоровых” фаз поднимаются до уровня линейных. Наглядно такое перераспределение напряжений можно увидеть на векторной диаграмме треугольника напряжений. При уменьшении вектора напряжения, к примеру ф. А

, вектора напряжений ф.В и ф.С стремятся к векторам напряженийВА иСА .

Величина тока, протекающего в месте замыкания, находится в прямой пропорциональной зависимости от величины емкости линии и приложенного напряжения. Емкость линии зависит от ее протяженности и разветвленности. Этот ток имеет небольшие значения, однако опасность такого режима, заключается в периодическом зажигании перемежающейся дуги.

При горении дуги, во-первых, увеличивается фазное напряжение, во-вторых появляются апериодические составляющие токов, которые негативно сказываются на состоянии изоляции воздушных и кабельных линий. Кроме того, емкостный характер дуги сопровождается выделением теплоты, что порождает благоприятные условия для перехода однофазного замыкания в междуфазное.

Повышение фазных напряжений «здоровых» фаз до уровня линейных напряжений, грозит пробоем ослабленной фазной изоляции других линий, подключенных к этим шинам. Поэтому, согласно правилам техники эксплуатации электрических сетей, к отысканию и отключению поврежденного фидера необходимо приступать незамедлительно.

Для ограничения токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью применяют дугогасящие реакторы

(ДГР). Иначе их называют дугогасящая катушка или катушка Петерсена. Подключение катушки осуществляется к нейтрали трансформатора, подключенного к шинам компенсируемой сети. Принцип гашения дуги основан на взаимной компенсации токов емкостного и индуктивного характера.

С нарушением симметрии фазных напряжений, в нулевом выводе трансформатора катушки появляется потенциал, величина которого зависит от характера замыкания на землю: чем ниже напряжение на фазном проводе, тем выше напряжение в нейтрали, а соответственно и напряжение приложенное к катушке. Теоретически, самой идеальной компенсации емкостного тока замыкания на землю, можно достичь резонансной настройкой ДГР.

При такой настройке, ток катушки будет равен емкостному току замыкания на землю, и находится в противофазе, при этом достигается полная компенсация тока замыкания. На практике резонансной настройки ДГР достичь получается не всегда, однако и не всегда есть необходимость такой компенсации.

Дело в том, что емкости фаз воздушных линий различаются из-за расположения в пространстве, относительно друг друга. Линии, питающие потребителей с однофазными электроприемниками могут быть загружены неравномерно, это приводит к нарушению симметричности системы и появлению потенциала в нулевом проводнике трансформатора катушки.

Такие несимметричные режимы могут привести к излишней работе дугогасящих реакторов, и даже к возникновению резонансных контуров. Для исключения подобных ситуаций, допускается работа сети в недокомпенсированном режиме.

Компенсация токов замыкания на землю предусматривается при следующих уровнях токов: 6 кВ — 30 А, 10 кВ — 20 А, 35 кВ — 10 А. При более низких уровнях токов однофазного к.з. считается, что дуга не загорается, или гаснет самостоятельно, применение компенсации в этом случае не обязательно.

Последствия замыкания

Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.

Стекание тока

Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.

В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.

Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.

Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.

Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.

Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.

В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.

Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).

Возникновение дуги

Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.

Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.

Явление растекания

В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.

При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.

В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.

Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.

Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:

С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:

Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Емкостный ток

Емкостный ток нелинейно зависит от потенциала электрода. На полярограммах растворов с концентрацией 10 — 5 М полярографические волны искажаются наложением емкостного тока, и определение их высот существенно затрудняется.

Емкостный ток / с возрастает линейно, пропорционально частоте, индуктивный ток IL обратно пропорционален частоте, активный ток от частоты не зависит. Точка пересечения характеристик / с и IL определяет условия резонанса.

Емкостный ток для кабельных линий 6 — 10 кв составляет 0 8 — 1 0 а на 1 км длины.

Емкостные токи при отключении ненагруженных линий могут достигнуть нескольких десятков и сотен ампер. При отключении выключателя в момент перехода тока через нулевое значение напряжение на расходящихся контактах в первый момент отсутствует.

Емкостные токи до 30 А не порождают значительных разрушений оборудования 6 — 10 кВ в зоне замыкания на землю, а также опасных перенапряжений в сети. Появляющаяся в месте повреждения дуга относительно быстро гасится и возникает устойчивое замыкание на землю.

Емкостный ток , как это видно из рис. 10 — 5, изменяется вдоль линии, от ее конца к началу, пропорционально длине линии.

Емкостные токи , токи дугогасящих реакторов, токи замыкания на землю и напряжения смещения нейтрали измеряются при вводе в эксплуатацию дугогасящих аппаратов и значительных изменениях режимов сети, но не реже 1 раза в 6 лет.

Емкостные токи / 02 имеют значения и фазы по отношению к Uu такие же, как в сети с изолированными нейтралями.

Емкостный ток не совпадает по фазе с напряжением, приложенным к зажимам цепи, и сдвинут на / 4 периода в сторону опережения.

Емкостный ток , как и индуктированный, называют обычно реактивным током.

Емкостные токи между элементами обмоток ( витки и катушки) и между обмотками и магнитопроводом трансформатора в обычных условиях работы трансформаторов ( / 1 — 5 кГц) весьма малы, и ими можно пренебречь. В трансформаторах без ферромагнитного магнитопровода Lu, L22 и М постоянны. В соответствии с изложенным в § 14 — 1 можно принять, что эти величины постоянны также для любого рассматриваемого режима работы трансформатора со стальным магнитопроводом.

Емкостный ток на землю фазы С равен нулю ( емкость этой фазы относительно земли оказывается закороченной), а емкостные токи ICA 1СВ К3 / со.

Емкостные токи величиной до 30 а, возникающие в месте повреждения электросети с изолированной нейтралью, не порождают больших разрушений оборудования или кабеля в зоне замыкания на землю, а появляющаяся при этом дуга быстро гасится.

Емкостный ток возрастает с увеличением емкости С и скорости нарастания анодного напряжения duajdt. При достижении 1с некоторой величины тиристор переходит в открытое состояние.

Источник

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Примеры защит от замыкания фазы на землю

Защита от замыкания на базе фильтра тока нулевой

Последовательности

Рис. 10. Трансформатор тока нулевой последовательности:

а) — устройство; б) – установка ТТНП на кабеле

– для кабельной ЛЭП:

где I_С0 – величина I_С на 1 км длины одного кабеля (табл. 2); l – длина линии; n – число кабельных линий;

– для воздушной ЛЭП:

где l – длина линии; I_С0.ВЛ – величина I_С на 1 км длины ВЛ (табл.3).

Средние значения емкостного тока металлического замыкания на землю одной фазы кабельных линий при частоте 50 Гц

Сечение кабеля	Ёмкостные токи, А/км, при номинальном напряжении кабеля
Для шестикиловольтной сети, кВ	Для десятикиловольтной сети, кВ
0,40	0,35	0,55
0,50	0,40
0,58	0,45	0,72
0,68	0,50	0,80
0,80	0,58	0,92
0,90	0,68	1,04
1,00	0,75	1,16
1,18	0,85	1,30
1,25	0,95	1,47
1,45	1,10	1,70

Среднее значение емкостного тока металлического замыкания на землю одной фазы ВЛ при частоте 50 Гц

Характеристика линии	Ёмкостные токи, А/км, при номинальном напряжении, кВ
Одноцепная линия:
без троса	0,013	0,0256
с тросом	—	0,032
Двухцепная линия без троса	0,017	0,035

Если

I_сз._minI_сз

Чувствительность защиты проверяется по формуле:

где I_СΣ._min – наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока сети; I_С – собственный емкостной ток поврежденного присоединения; I_сз – принятый ток срабатывания защиты; I_др – индуктивный ток дугогасящего реактора, в некомпенсированных сетях I_др=0. Минимальный коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,25 для кабельных и не менее 1,5 для воздушных линий.

При ориентировочных расчетах величину удельной емкости С_уд можно принимать 5,5· 10 -3 мФ /км для воздушных линий и 190·10 -3 мФ/км для трехжильных кабельных ЛЭП.

Емкостная проводимость 1 км фазы воздушной линии при частоте 50 Гц определяется выражением:

где D_ср – среднегеометрическое расстояние между проводами фаз;

r – радиус провода;

С_уд – удельная емкость линии.

В расчетах величину

L_r_5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТЕКАНИЯ ТОКА В ЗЕМЛЕ. НАПРЯЖЕНИЕ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА

Исследовать закон распределения потенциала на поверхности земли при стекании тока с заземлителя; определить величины напряжения прикосновения, шага и выявить опасные зоны.

Растекание тока в грунте может произойти при замыкании находящихся под напряжением частей электроустановок и проводов на землю.

Стеканием тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе и окружающей его поверхности земли потенциала. в зависимости от формы заземлителя может быть достаточно сложным. Наиболее просто оценить закон распределения потенциала на поверхности земли, если рассмотреть случай стекания тока в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус заземлительного электрооборудования (рисунок 1).

Плотность тока в точке А на поверхности земли на расстоянии х от заземления выразится зависимостью:

где /3 — ток, стекающий с заземлителя в грунт; 8=2лх 2 -площадь поверхности полусферы радиусом х (сечение слоя земли по которому проходит ток).

Падение напряжения в элементарном слое грунта толщиной dx

можно выразить через напряженность поля E и толщину этого слоя:

Напряженность поля определяется законом Ома в дифференциальной форме:

Потенциал точки А равен падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом. Поэтому

Таким образом, потенциал на поверхности грунта вокруг данного типа заземлителя распределяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения φ3 до нуля по мере удаления от заземлителя (рисунок 1).

Источник

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции

Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R2 + (Xl + Xc)2). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un 2/Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Что такое шаговое напряжение

Шаговое напряжение – это разность потенциалов (напряжения) на участке в токовой цепи. Показатель шагового напряжения зависит от силы тока и удельного сопротивления почвы. Он представляет собой расстояние (разность потенциалов) между двух ног человека. Величина шагового напряжения используется при создании зануления и заземления, измерении опасности в местах аварий. На значение влияет форма кривой напряжения.

Возле упавшего провода находящегося под напряжением, возникает область рассеивания электричества. На расстоянии от 20 метров до места падения провода, напряжение может не ощущаться, плотность тока становится минимальной.

Опасное для жизни шаговое напряжение наблюдается в местах падения электрического провода высокой мощности на голый грунт. К этому объекту запрещается приближаться на расстояния менее 8 метров. Угроза присутствует и на расстоянии одного метра от заземлителя (металлоконструкции труб, забор из арматуры). Человек рискует, стоя в месте растекания шагового напряжения прикоснуться к металлокострукциям (естественному заземлителю). Опасность кроется в поражении нервной системы – возникают судороги и падение человека на землю.

Действие шагового напряжения прекращается, но внутри тела возникает новый путь электричества. Ток протекает от рук к ногам, в результате возникает реальная угроза смерти. При попадании в такую ситуацию человек должен выходить с опасной зоны гусиным шагом. Минимальное расстояние между ногами – это залог безопасности и благополучного выхода.

Угроза исчезает через 20 метров от источника напряжения высокого потенциала. Категорически запрещается выпрыгивать из области действия высоких потенциалов. При падении на конечности уровень шагового напряжения возрастет, после чего человека ждет смерть.

Последствия КЗ и способы их предотвращения

Короткое замыкание характеризуется протеканием повышенных значений тока. В свою очередь большой ток опасен для кабелей, соединений. Это характерно лавинообразным развитием последствий замыкания. Кабеля отгорают от соединений, сами соединения нагреваются, после чего происходит их ускоренное разрушение. Нагрев может повлечь возгорание электропроводки и пожар.

Для предотвращения последствий межфазного замыкания в цепях 220/380 используются плавкие вставки, предохранители, автоматические выключатели. Предохранители, когда через них протекает ток выше номинального, перегорают, тем самым разрывая цепь. После замены предохранителя, если вы не устранили межфазное замыкание, он будет перегорать вновь и вновь.

Для улучшения условий работы и эксплуатации, устранения необходимости замены плавких элементов используются автоматические выключатели. Они реагируют как на незначительное повышение тока сверх нормы (тепловой расцепитель), так и на резкое сильное повышение (электромагнитный расцепитель). При междуфазном замыкании или между фазой и землей автоматический выключатель разъединится. В таких случаях говорят «выбил автомат». Для возобновления подачи напряжения необходимо заново взвести рычаг автомата или перевключить кнопку (на АП-шках).

На видео наглядно показывается опасность межфазного короткого замыкания (под удар попал манекен, это были показательные выступления):

Выход из зоны шагового напряжения

При выходе из зоны шагового напряжения стоит придерживаться осторожности. Нельзя допускать падения на поверхность земли – такая ситуация может привести к летальному исходу

На грунте влияние электричества повышается, у человека возникают судороги. При отсутствии своевременной помощи, поражение нервной системы приводит к параличу. В этот момент человек испытывает сильную боль и не может шевелить конечностями.

Выбор способа выхода из опасной зоны зависит от конкретной ситуации. После идентификации проблемы необходимо быстро сомкнуть обе ноги вместе, что снизит разницу электрических потенциалов. При передвижении нужно стараться не отрывать нижние конечности от земли.

Помощь могут оказать сухие доски, оказавшиеся по пути выхода с опасной территории. Сухая древесина – это отличный диэлектрик, поэтому смело ступайте на нее во время движения. По пути избегайте кирпичных и железобетонных конструкций.

В некоторых ситуациях целесообразно перемещаться на одной ноге. Выбирать этот способ надо только при полной уверенности в адекватности своего состояния. Напуганный человек может потерять ориентацию и упасть на поверхность земли, что приведет к летальному исходу. Самый надежный способ – это перемещение «гусиным шагом». Не делайте резких движений, не ускоряйте шаг и не бегите. Действуйте спокойно и принимайте взвешенные решения.

При выходе стоит исключить вариант с шагом по спирали и в направлении другого кабеля. При соблюдении правил, у человека есть большие шансы покинуть опасную зону без последствий для здоровья, такие ситуации встречаются в 80% случаев.