Шаговое напряжение

Уральский государственный лесотехнический университет

Кафедра охраны труда

В.И. Удилов

ШАГОВОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Методическое руководство к лабораторной работе

Екатеринбург 2002

Печатается по рекомендации методической комиссии факультета МТД

протокол № 18 от 12 декабря 1985 г.

Цель работы: Изучение распределения потенциалов на поверхности земли в поле растекания тока на различных грунтах, а также шаговых напряжений в зависимости от расстояния шага до места замыкания на земле.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В процессе эксплуатации электрических установок человек может быть поражен электрическим током в результате попадание под шаговое напряжение. Опасность поражения электрическим током среди прочих опасностей отличается тем, что человек не в состоянии без специальных приборов обнаружить наличие напряжения дистанционно, как, например, у движущихся частей, раскаленных объектов, открытых люков, неогржденных краев площадки, находящейся на высоте и т.п. Оно обнаруживается лишь после поражения человека электрическим током. Поэтому необходимо иметь четкое представление о шаговом напряжении и напряжении прикосновения, чтобы предусмотреть защитные меры, полностью обеспечивающие безопасность персонала, обслуживающего электроустановки.

Шаговое напряжение

При возникновении контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом электрооборудования на корпусе относительно земли появляется потенциал. Корпус имеет электрическую связь с заземлением, поэтому можно считать, что потенциалы корпуса и заземлителя равны, и заземлитель в данном случае будет являться точкой замыкания на землю.

Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с землей. Место, где в земля стекает ток, называется точкой замыкания на землю. Точкой замыкания на землю может быть заземлитель или упавший на землю провод.

Ток, стекая с заземлителя на землю, растекается по значительному ее объему. Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Форма заземлителя может быть очень сложной, и электрические свойства грунта, как правило, неоднородны, поэтому закон распределения потенциала вблизи заземлителя определяется сложной зависимостью. С целью упрощения изображения электрического поля и анализа его допустим, что ток стекает в землю через одиночный заземлитель полушаровой формы, уложенный в однородном грунте (рис. 1).

Рис. 1. Гиперболический закон изменения потенциалов точек земли

Плотность тока d на расстоянии х от центра заземлителя определяется как отношение тока замыкания на землю I_з к площади поверхности полушара с радиусом x

,

Для определения потенциала в точке А выделим в поле растекания тока элементарный слой dx. Падение напряжения dU в этом слое равно

dU = E dx,

В бесконечно удаленной точке (х = ¥) плотность тока, напряженность электрического поля и потенциалы равны нулю.

Потенциал земли в точке А, находящейся на расстоянии х от центра заземлителя, определяется

(1)

Из выражения (1) видно, что потенциал точек на поверхности грунта уменьшается с удалением от места замыкания на землю и в пределе стремится к нулю. Область поверхности грунта, потенциал которой равен нулю, называется электротехнической землей.

Кривая распределения потенциалов (рис. 2), полученная непосред-ственными измерениями значений потенциалов растекания от трубчатого заземлителя, имеет примерно такой же вид, как и у заземлителя полушаровой формы.

Рис. 2. Характер распределения потенциалов в земле при стекании тока с трубчатого заземлителя

Из кривой (рис. 2) видно, что поверхность заземлителя имеет максимальный потенциал. На расстоянии 1 м от места стекания тока в землю потенциал снижается на 68%. В конце десятого метра снижение достигает 92%, а на расстоянии 20 м потенциал точек практически равен нулю.

Сопротивление току растекания на землю оказывает объем грунта радиусом 20 м, находящийся в поле растекания тока. За пределами электрического поля грунт представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления протеканию электрического тока. Практически электротехническая земля начинается с расстояния от 10 до 20 м от заземлителя.

Если человек попадает в зону растекания тока, то его ноги могут касаться точек, имеющих разный потенциал. Точки поверхности земли, расположенные ближе к заземлителю, имеют больший потенциал, а точки, расположенные дальше от заземлителя, имеют меньший потенциал. Следовательно, на ширине шага (d = 0, 8 м) в поле растекания тока существует разность потенциалов. Эту разность потенциалов называют шаговым напряжением.

Величина шагового напряжения зависит от ширины шага и расстояния до места замыкания на землю. Шаговое напряжение на различном расстоянии от точки замыкания (см. рис. 1) можно определить следующими выражениями:

;

(2)

(3)

Если х₁ > х₂, то U_Ш1 > U_Ш2, следовательно по мере удаления от места замыкания опасность шаговых напряжений уменьшается.

Шаговое напряжение на расстоянии 10...20 м от места замыкания практически не представляет опасности. При шаге равном 0, 8 м, интенсивная судорога может возникнуть в случае, если шаговое напряжение равно 100...150 В. В результате судороги ног человек может упасть на землю, и при этом, за счет увеличения расстояния между точками земли, которых он теперь будет касаться руками и ногами, может возрасти разность потенциалов. Ток в этом случае будет протекать по более опасному пути " руки-ноги". Совокупность этих факторов может привести к стремительному поражению человека электрическим током.

Для предупреждения поражения током при случайном попадании в зону растекания тока следует покидать ее так, чтобы по возможности свести разность потенциалов на ногах к нулю. Устранить опасность поражения шаговым напряжением можно с помощью диэлектрической обуви.