Приближенное значение удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом × м

Рецензент

кафедра безопасности жизнедеятельности
Ивановского государственного энергетического
университета

Цель работы – изучение методов и средств измерения сопротивления заземляющих устройств, исследование явления растекания тока в земле и связанных с ним возникающих опасных факторов.

ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением [1]. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Основное назначение этого вида защитных мер – устранение опасности поражения током в случае прикосновения человека к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением. Принцип действия защитного заземления в сетях с изолированной нейтралью заключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, что достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (за счет уменьшения сопротивления заземляющих устройств), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, до значений, близких к значению потенциала заземленного оборудования. Заземление применяется в сетях как выше так и ниже 1000 В. В сетях выше 1 кВ защитное заземление обеспечивает срабатывание максимальной защиты, при этом [1] рекомендует предусматривать устройства автоматического поиска места замыкания на землю.

Защитное заземление следует отличать от рабочего заземления, которое необходимо для обеспечения работы электроустановки.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) предусматривают использование естественных заземлителей – электропроводящих частей коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, находящихся в соприкосновении с землей. В качестве естественных заземлителей могут использоваться:

· проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов, обсадные трубы артезианских колодцев, скважин и т.п.;

· металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединение с землей;

· свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;

· металлические шпунты гидротехнических сооружений;

· заземлители опор отходящих от подстанций воздушных линий электропередач, соединенные с заземляющим устройством подстанции при помощи грозозащитных тросов линий, рельсовые пути неэлектрифицированных железных дорог при наличии перемычек между рельсами.

Естественные заземлители обладают, как правило, малым сопротивлением растеканию тока, и поэтому использование их для заземления дает весьма ощутимую экономию металла. Недостатками естественных заземлителей являются допустимость некоторых из них неэлектротехническому персоналу и возможность нарушения непрерывности соединения протяженных заземлителей.

Если сопротивление естественных заземлителей не удовлетворяет требованиям [2], используются искусственные заземлители, т.е. заземлители, специально выполняемые для целей заземления. Искусственные заземлители выполняются в виде вертикальных и горизонтальных электродов. В качестве вертикальных электродов используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм, диаметром не менее 10 мм (обычно 50...60 мм) и угловая сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно размеры 40х50) длиной 2,5...3 м. Горизонтальные электроды выполняются из полосовой стали размером не менее 4х12 мм или стали круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Заземлители прокладывают на глубине 0,7–0,8 м от поверхности земли. Горизонтальные и вертикальные заземлители соединяют между собой при помощи сварки.

Перед вводом заземляющих устройств в строй их испытывают – измеряют сопротивление растеканию тока, о чем должен свидетельствовать специальный протокол. В процессе эксплуатации сопротивление заземляющего устройства не остается постоянным, оно изменяется в зависимости от погодных условий и за счет коррозии заземлителей. Поэтому заземляющие устройства периодически подвергаются осмотрам и испытаниям. При этом время испытания выбирается таким образом, чтобы удельное сопротивление грунта в момент испытания было наибольшим (летом – во время наибольшего просыхания грунта, зимой – во время наибольшего промерзания). Приближенные значения удельного сопротивления грунтов и воды приведены в приложении 1.

Измерение сопротивления заземляющих устройств подстанций промышленных предприятий производится: после монтажа и капитального ремонта; в первый год эксплуатации; периодически не реже 1 раза в 3 года. Измерение сопротивления заземляющих устройств цеховых электроустановок осуществляется не реже одного раза в год. Порядок проведения испытаний и результаты измерений оформляются протоколом. Если измеренные величины сопротивлений не отвечают требованиям [2], то проводят ревизию заземляющих устройств, устанавливают дополнительные заземлители.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

В практике эксплуатации электроустановок используют различные методы и приборы для производства измерений сопротивления заземляющих устройств. В настоящей лабораторной работе исследуются два из них: метод амперметра-вольтметра и компенсационный метод.

Метод амперметра-вольтметра. Принципиальная схема измерения представлена на рис.1. Метод состоит в том, что через проверяемое заземляющее устройство сопротивлением R_х и вспомогательный заземлитель R_в создается ток I_х, вызывающий падение напряжения между испытуемым заземлителем и точкой с нулевым потенциалом U_х. Величина U_х измеряется вольтметром, включенным между проверяемым заземляющим устройством и заземлителем R_з, называемым зондом. Отношение показаний вольтметра и амперметра представляет собой искомую величину сопротивления растеканию тока:

Вспомогательный заземлитель и зонд устанавливается на таком расстоянии друг от друга и от испытуемого заземляющего устройства, чтобы их поля растекания не накладывались. Для увеличения точности измерения необходимо применять вольтметр с большим внутренним сопротивлением, а лучше всего – электростатический или электронных вольтметр.

Рис. 1

Достоинством метода является его простота, к недостаткам следует отнести относительно большую погрешность – до 10% и необходимость проведения расчетов для определения искомого сопротивления.

При проведении измерений методом амперметра-вольтметра в лабораторной работе схема испытаний собирается переключением соответствующих тумблеров (табл.1), после чего устанавливается заданное число заземлителей, подключением их к схеме снимаются показания приборов и определяется сопротивление заземляющих устройств.

Компенсационный метод. Этот метод является наиболее точным. Он заключается в уравновешивании напряжения, падающего на сопротивлении растеканию заземляющего устройства, равным по величине и противоположным по направлению падением напряжения на известном сопротивлении (рис.2).

При измерении преобразователь напряжения П подключен к вспомогательному заземлителю R_в
и измеряемому сопротивлению R_х через первичную обмотку трансформатора Тр. Во вторичную обмотку этого трансформатора включен специальный калибровочный резистор RК. Такое включение позволяет создать цепь тока через заземлители (землю) и цепь тока через реохорд резистора RK. Схема обеспечивает сравнение этих токов, что позволяет изменением значения калибровочного резистора RK изменять напряжение на резисторе R, включенного между движками резистора RK и зажимом потенциального электрода (зонда) R_з.

Рис. 2

Разность напряжения с резистора R подается через усилитель У и детектор на индикатор (мА). Компенсация напряжений наступает при таком положении подвижного контакта RK, при котором падение напряжения на участке реохорда от зажима 2 до подвижного контакта равно падению напряжения на измеряемом сопротивлении R_х. При полной компенсации показание индикатора равно нулю. Реохорд имеет шкалу, проградуированную в омах, что позволяет непосредственно определить измеряемое сопротивление. Питание прибора осуществляется от трех гальванических элементов типа “Марс”, соединенных последовательно. Преобразователь служит для инвертирования постоянного тока источника питания в переменный.

При проведении лабораторной работы порядок измерения следующий:

1. При помощи переключателей собирается схема испытания (см.табл.1).

2. Проверяется исправность источника питания, для чего переключатель пределов измерения устанавливается в положение “контроль 5 Ом”, после чего нажать кнопку, подключающую индикатор, и вращением реохорда установить стрелку на нуль, – на шкале при этом должно быть показание 5 + 0,35 Ом.

3. Переключатель пределов измерения устанавливается в положение “х1”, нажать кнопку и, вращая ручку реохорда, установить стрелку индикатора на нуль – отсчитать на шкале величину измеряемого сопротивления.

Если сопротивление окажется более 10 Ом, переключатель пределов измерения ставится в положение “х5”, “х20”, “х100”. Результат измерения равен произведению показания на шкале на множитель, указанный на отметке, соответствующей положению переключателя пределов измерения.

ЯВЛЕНИЕ РАСТЕКАНИЯ ТОКА В ЗЕМЛЕ

В процессе эксплуатации электроустановок возможны случаи, когда по земле будет протекать ток. Протекание тока может быть преднамеренным (использование земли в качестве провода) или случайным (замыкание токоведущей части на заземленный корпус электроустановки, падение провода на землю). Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе и поверхности земли вокруг него потенциалов. Возникающую при этом картину поля рассмотрим на примере одиночного полусферического заземлителя на поверхности земли (рис.3).

Приращение потенциала на элементарном слое полусферических поверхностей вокруг заземлителя (считаем грунт однородным)

где Е_х – напряженность электрического поля в точке, удаленной от заземлителя на расстояние Х,

где j_х – плотность тока в рассматриваемом слое,

r – удельное сопротивление грунта,

где I_з – величина тока, стекающего в землю (ток замыкания).

Тогда приращение потенциала на элементарном слое можно записать

Интегрируя по Х, в пределах от Х до ¥, получаем выражение, характеризующее поле растекания потенциала в земле:

,

где K - постоянная величина.

Таким образом, потенциал на поверхности земли вокруг заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения непосредственно на заземлителе

где r – радиус заземлителя,

до нуля по мере удаления от заземлителя. Теоретически поле растекания простирается до бесконечности, однако для одиночного заземлителя уже на расстоянии около 20 м площадь слоя земли настолько велика, что плотность тока здесь практически равна нулю. Поэтому потенциал в точках, удаленных на 20 м и более от заземлителей, можно принимать равным нулю.

Проведенный анализ показывает, что грунт в поле растекания ведет себя как обычное сопротивление, уменьшая потенциал от некоторого значения в месте ввода тока в землю до 0.

Сопротивлением заземляющего устройстваили сопротивлением растеканию тока данного заземлителя называется сопротивление грунта поля растекания, создаваемого проводящим элементом, с которого в землю стекает ток.

Специальный анализ, выходящий зарамки настоящей работы, показывает, что величина сопротивления этой области грунта зависит от формы, количества и расположения элементов, создающих поле растекания, и удельного сопротивления земли.

В нашем случае сопротивление растеканию тока полусферического заземлителя можно определить как

, где:

U_R – падение напряжения на сопротивлении R,

I – ток через это сопротивление.

Падение напряжения на сопротивлении полусферического заземлителя U_з= j_з – j_о, где: j_з – потенциал заземлителя; j_о – потенциал на границе поля растекания, следовательно j_о=0 и U_з=j_з, который можно определить следующим образом:

,

где: r - радиус заземлителя.

Деля это выражение на ток, получаем окончательно для сопротивления растеканию тока полусферического заземлителя:

В реальных условиях, когда грунт вокруг заземлителя неоднороден, распределение потенциала происходит не по гиперболе, а по более сложной кривой и выражение для сопротивления растеканию будет более сложным.

Протекание токов в земле представляет определенную опасность для человека. Это связано с возникновением напряжения прикосновения и шагового напряжения. Напряжением прикосновения называется разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек. В случае касания человеком корпуса заземленной установки, на которой произошло замыкание токоведущей части, под напряжением прикосновения принимается разность между потенциалом рук, касающихся корпуса, и потенциалом основания, на котором стоит человек (рис.3). Пренебрегая падением напряжения в заземляющих проводниках, можно считать, что потенциал рук равен потенциалу заземлителя, а напряжение прикосновения

U_пр = j_р – j_осн = j_з – j_осн = j × l₁

где l₁ – коэффициент прикосновения.

Поскольку j₃ – величина постоянная, напряжение прикосновения определяется формой кривой распределения потенциала, оно возрастает по мере удаления от заземлителя. Практически при расстояниях, превышающих 20 м, напряжение прикосновения постоянно и имеет наибольшее значение, при этом l₁ = 1. Если прикосновение происходит около заземлителя, то напряжение прикосновения равно нулю, и l₁ = 0.

Шаговым напряжением называется разность потенциалов двух точек на поверхности земли в зоне растекания тока, которые находятся на расстоянии шага и на которых одновременно стоит человек (рис.3),

,

где a – длина шага, обычно в расчетах принимается равной 0,8 м.

Поскольку j_х и j_x+a являются частями потенциала заземлителя, то выражение шагового напряжения можно записать в виде

U_ш = j₃ × b₁

где b₁ – коэффициент шага, учитывающий форму кривой распределения потенциала.

Рис. 3. Явление растекания тока в земле.

Максимальное значение напряжения шага будет при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой – на расстоянии шага от него. Наименьшее значение шагового напряжения будет при бесконечно большом удалении от заземлителя, а практически – за пределами поля растекания тока, т.е. далее 20 м.

Шаговое напряжение зависит от ширины
шага, удаления идущего человека от заземлителя, , а также удельного сопротивления грунта (рис.3).

Порядок выполнения работы

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

1. Тщательно изучить цель и методы лабораторной работы, мнемосхемы, приборы и установки стенда и их назначение.

2. В левой половине стенда размещены модель заземляющего устройства, состоящего из 6 заземлителей (максимальное число), а также приборы для измерения сопротивления заземляющего устройства различными методами. По заданию преподавателя собрать заземляющее устройство (несколько вариантов) и измерить его сопротивление. Схемы измерений составляются по мнемосхеме, изображенной на лицевой панели стенда, или при помощи табл. 1

Таблица 1 Положение тумблеров и переключателей
при проведении лабораторной работы

Род работы	S1	S2	S3	S4
М–416	влево	–	влево	любое от 18 до 20
A–V	вправо	влево	влево	–”–
Uj	–	вправо	вправо	последов. от 0 до 11
Uпр	–	вправо	вправо	–”–

Примечания:

1. Прочерк означает “положение безразлично”.

2. При измерении сопротивления компенсационным методом проверку источника питания прибора М-416 производить при нулевом положении переключателя S .

Правила работы с приборами приведены выше при описании методов измерения заземляющих устройств. Результаты замеров свести в табл.2. Дать оценку каждому методу измерения.

Таблица 2. Измерение сопротивления заземляющих устройств

N вари­анта	Метод амперметра-вольтметра	Компенсаци­онный метод М-416	Ошибка
	Ux	Ix	Rx	Rx

3. Правая половина стенда предназначена для исследования явления стекания тока в землю через одиночный заземлитель. По заданным преподавателем току замыкания на землю, виду грунта и геометрическим размерам заземлителя, рассчитать сопротивление заземлителя, потенциал на заземлителе и изменение потенциала по мере удаления от заземлителя (расстояние указано на стенде). Построить кривую распределения потенциала.

4. Установить рассчитанное в п.3 сопротивление заземляющего устройства R_х. Снять и построить кривые распределения потенциала U_j и напряжения прикосновения U_пр. Данные занести в таблицу 3.

Схемы проведения эксперимента собираются при помощи табл.1. Значения потенциалов и напряжений прикосновения в точках (указываются светящимися лампочками) определяются по вольтметру в правой части стенда. Расстояния точек от заземлителя указаны на стенде.

Таблица 3. Исследование явления растекания тока в земле

N точек

расстояния, м

Uj.расч

Ujоп

Ujпр

Uш

5. По потенциальной кривой рассчитать и построить кривую шаговых напряжений, принимая шаг равным 0,8 м. Данные занести в табл. 3.

6. Дать оценку опасности поражения при протекании тока в земле и мер безопасности.

7. В отчете приводятся схемы измерений сопротивления заземляющих устройств, результаты расчетов и опытные данные с необходимыми пояснениями и выводами.

Примечание: Объем заданий на лабораторную работу определяется преподавателем.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Включение стенда и допуск студентов к самостоятельной работе разрешается лишь после изучения ими установки и настоящих методических указаний и проверки знаний преподавателем.

2. Запрещается прикосновение к гнездам подключения измерителя заземления типа МС-0,8 к стенду.

3. С приборами, используемыми в данной лабораторной работе, обращаться крайне осторожно. Запрещается без необходимости производить коммутацию тумблеров и переключателей, находящихся на стенде.

4. Все ремонтные работы выполняются только лаборантами на отключенном от сети лабораторном стенде.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется защитным заземлением?

Его назначение и принцип действия.

2. Что называется заземляющим устройством?

3. Что называется рабочим заземлением?

4. Что такое “выравнивание потенциалов”, где и каким образом оно осуществляется?

5. Методы измерения сопротивления заземляющих устройств, их преимущества и недостатки.

6. Что называется напряжением прикосновения?

7. Что называется шаговым напряжением?

8. Что влияет на величину шагового напряжения? Меры защиты.

9. Чем объясняется рост напряжения прикосновения по мере удаления от заземлителя?

10. Как нормируется сопротивление заземляющих устройств?

11. Где расположена безопасная с точки зрения шагового напряжения зона?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 12.1.030 – 81 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.

2. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

Приложение 1

Приближенное значение удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом × м

Тип грунта или воды	Пределы колебаний величины	Рекомендуемая для предварительного расчета
Песок	400...700
Супесь	150...400
Суглинок	40...150
Глина	8...70
Садовая земля	30...60
Речная вода (на равнинах)	10...100
Торф	10...30
Морская вода	0,2...1

Приложение 2

Нормы на сопротивление заземляющих устройств [2]

	Нормируемое сопротивление заземляющего устройства
Режим нейтрали	Заземленная нейтраль	Изолированная нейтраль
Выше 1000 В	R ³ 0,5	R £ 125/I* – одновремен­но для элект­роустановок до 1000 В
		R £ 250/I; R £ 10 – толь­ко для элект­роустановок cвыше 1000 В
660..380 В	R ³ 2	R £ 125/I
380..220 В	R ³ 4	R £ 4
220..127 В	R ³ 8	R £ 10

* I – расчетный ток замыкания на землю.