Применение двухзонального электрода рабочего заземления с целью защиты от шагового напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Условия труда, социально-бытовые мероприятия (услуги), охрана труда, техника безопасности на военных объектах

УДК:355.7:621.316

Борисов А.А., Колесник И.В., Моисеенков П. И.

Borisov A.A., Kolesnik I. V., Moiseenkov P.I.

Применение двухзонального электрода рабочего заземления с целью защиты от шагового напряжения Application of bizonal system grounding electrode to protect against voltage step

Аннотация:

Одной из важнейших задач при эксплуатации электроустановок объектов военной инфраструктуры является защита личного состава, оперативного персонала от электротравматизма.

В данной статье предложено конструктивное решение электрода рабочего заземления, которое обеспечивает эффективное снижение шаговых напряжений, возникающих в результате аварийных и внештатных ситуаций.

Также в работе представлена математическая модель, которая позволяет выбирать оптимальную конструкцию электрода рабочего заземления. Приведенные данные экспериментальных исследований доказывает эффективность его применения.

Abstract:

One of the major problems in the operation of electrical equipment is to protect the stafffrom the electric traumatism.

This article proposes a constructive solution to the electrode ground system, which provides effective reduction of the step voltage resulting from accidents and emergency situations.

The article also discusses mathematical model that allows to choose the optimum design of the electrode ground. Given data of experimental studies proves its effectiveness.

Ключевые слова: заземление, электрод рабочего заземления, шаговое напряжение, эксперимент.

Keywords: grounding, electrode system ground, step voltage, experiment.

Возникающие внештатные режимы работы (короткие замыкания, несимметричные режимы и др.) в сетях внутреннего и внешнего электроснабжения объектов военного и гражданского назначения представляют опасность как для электрических сетей и сопровождаются перенапряжениями технических средств (ТС), так и для обслуживающего персонала.

Следовательно, одной из важнейших задач при эксплуатации электроустановок остается защита людей, оперативного персонала от электротравматизма.

Наиболее опасными для обслуживающего персонала являются напряжения прикосновения и шаговые напряжения.

Согласно ГОСТ Р 12.1.019-2009 для защиты от шагового напряжения используются дополнительные средства защиты - диэлектрические боты, диэлектрические коврики. В случае, когда использование этих средств не представляется возможным, следует покидать зону растекания так, чтобы расстояние между стоящими на земле ногами было минимальным - короткими шагами. Однако, наиболее вероятное поражения электрическим током возникает вследствие попадания под шаговое напряжения из - за незнания оперативным персоналом о создавшейся аварийной ситуации и, как следствие, не применении дополнительных средств защиты.

Согласно нормативным документам для обеспечения безопасности оперативного персонала применяется защитное заземление [1,2,3]. Актуальность рассматриваемой научно-технической задачи состоит в том, что стандартные конструкции электрода рабочего заземления не предотвращает вынос потенциала на поверхность грунта и как следствие возникает вероятность попадания под действие шагового напряжения, что приводит к риску поражения электрическим током. Следовательно, существует объективная необходимость разработки конструкции электрода рабочего заземления позволяющего эффективно защищать от шагового напряжения.

Как известно, напряжением шага (шаговым напряжением) называется напряжение между двумя точками цепи тока, находящиеся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Оно обусловлено электрическим током, протекающим в земле или токопроводящем полу, равно разности потенциалов между двумя точками поверхности земли (пола), находящимися на расстоянии одного шага человека, и зависит от удельного сопротивления грунта и силы протекающего через него тока. Опасное шаговое напряжение может возникнуть, например,

около упавшего на землю провода или вблизи заземлителей электроустановок, при аварийном коротком замыкании на землю. При этом, чем шире шаг, тем больший ток протекает через ноги. Такой путь тока не несет прямой опасности жизни, однако под его действием человек может упасть и путь протекания тока станет опасным для жизни.

Опасность при попадании под шаговое напряжение заключается в возникновении непроизвольных сокращений мышц ног и, как следствие этого, падение человека на землю. В этот момент прекращается действие на человека шагового напряжения и возникает иная, более тяжелая ситуация: вместо нижней петли в теле человека образуется новый, более опасный путь тока, обычно от рук к ногам и создается реальная угроза смертельного поражения током. Величина тока протекающего через тело человека определяется по формуле:

я

ь=1з я дА

(1)

I и Я

где: к - ток протекающий через тело человека, 3 - ток протекающий через заземлитель; 3 - сопротивление

заземления,Як - сопротивление тела человека, ^ - коэффициент, учитывающий форму заземлителя; - коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека (обувь, одежда) [4,5,6].

Согласно ГОСТ Р 12.1.019-2009 для защиты от шагового напряжения используются дополнительные средства защиты - диэлектрические боты, диэлектрические коврики. В случае, когда использование этих средств не представляется возможным, следует покидать зону растекания так, чтобы расстояние между стоящими на земле ногами было минимальным - короткими шагами. Но наиболее вероятное поражения электрическим током вследствие попадания под шаговое напряжения возникает из - за незнания оперативным персоналом о создавшейся аварийной ситуации и, как следствие, не применении дополнительных средств защиты.

Как было отмечено выше снижения указанных перенапряжений до безопасного для персонала и ТС уровней может быть достигнуто посредством оптимальных конструкций заземляющего устройства (ЗУ).

Для разработки конструкции ЗУ, позволяющей защищать оперативный персонал от шаговых напряжений необходимо рассмотреть процесс растекания тока в земле. При замыкании фазы на землю и выносе потенциала протяженным токопроводящим предметом на поверхности земли появляется значительный электрический потенциал.

Рассмотрим процесс растекания тока в земле при работе заземлителей, падении на землю оборванного провода, замыкании фазы на землю в результате повреждения изоляции.

Представим заземлитель-электрод полушаровой формы. Примем допущение, что грунт во всем объеме однороден и обладает одинаковым удельным сопротивлением р (Ом. м). Удельное сопротивление грунта - это сопротивление 1 м3 грунта, к противоположным граням которого приложены измерительные электроды. Плотность тока при его распространении по полушаровой поверхности:

I = , А/м2,

2 ЮС (2)

Ь

где: 3 - сила тока замыкания на землю, А; х - расстояние от электрода до расчетной точки, м.

С другой стороны, плотность тока по закону Ома в дифференциальной форме:

I = оЕ,

и ' (3)

где: Р [Ом-1м-1] - удельная электропроводность.

Е - напряженность электрического поля, В/м.

Падение напряжения в слое:

2юг (4)

Потенциал в любой точке на расстоянии г от электрода определяется интегрированием:

СО СО т т со

= Е--х = ¡р-х = з 2 -х,

<Р=\ = \-Ц* = ^Г ^ = 1Р

^ \ х \ 2 Отг \ У2

х \ 2юг2 2ю \ х2 2юг

Г г г (5)

Последнее выражение является уравнением гиперболы. На рисунке 1 представлена зависимость значения потенциала на поверхности земли на различном расстояние от электрода ЗУ. Из рисунка 1 видно, что максимальный потенциал будет на электроде. Область нулевого потенциала на поверхности земли начинается на расстоянии около 20 м от электрода, следовательно, вблизи работающего электрода ЗУ существует опасность поражения электрическим током [6,7].

0,8 2,-1 4- 8 12 16 20

'О

Рис. 1. Потенциал на поверхности земли на различном расстояние от электрода ЗУ О - точка нахождения заземлителя, через который протекает ток однофазного замыкания на землю, М -точка на расстояниях, больших 20 метров заземлителя, А, Б, В, Г и т. д. - точки определяющие величину напряжения по отношению к земле вблизи заземлителя, при протекании через него тока замыкания на землю, отрезки АД, БЕ, ВЖ и т. д.

определяют уровень падения напряжения между точками.

Рассмотрим процесс поражения шаговым напряжением. При стекании тока от упавшего провода на землю или работе ЗУ происходит процесс растекания тока и спад потенциала. Как было отмечено выше человек, двигаясь по полю растекания тока, может попасть под шаговое напряжение.

Рис. 2 а. Процесс поражения шаговым напряжением при стекании тока от упавшего провода в землю

Рис. 2 б. Процесс поражения шаговым напряжением при работе ЗУ

1- точка высокого потенциала , 2 - точка низкого потенциала 2 , ш - шаговое напряжение (

_ г г

1-2 2 ), 1 - расстояние от точки 1 до места упавшего провода, 2 - расстояние от точки 2 до места

упавшего провода.

Напряжение между двумя точками на поверхности земли равно разности потенциалов точек 1 и 2:

и 1-2 =Рг1 ~Фг2 .

Оно соответствует шаговому напряжению:

(6)

и

1зР 1зР 1зР

г

2 жх 2 ж2 2п

В данном случае ток, проходящий через человека равен:

Л

Г2 - Г1 V Г1Г2 J

Г - иш

I и -

к Як + Яоб (8)

я я

где: 3 - сопротивление тела человека, Ом; об - сопротивление обуви, Ом.

Из характера кривой спада потенциала видно, что шаговое напряжение убывает по мере удаления от заземлителя и увеличивается при приближении к нему [6,7,8].

Таким образом, при аварийных ситуациях наибольшее напряжение шага будет вблизи заземлителя и особенно, когда человек одной ногой стоит над заземлителем, а другой - на расстоянии шага от него.

Если человек находится вне поля растекания на одной эквипотенциальной линии, то напряжение шага равно

нулю.

Исходя из вышеизложенного, возникает объективная необходимость разработки конструкции ЗУ, которая позволяет предотвратить вынос потенциала на поверхность грунта. При этом ЗУ должно соответствовать требованиям государственных стандартов, правил устройства электроустановок, строительных норм и правил и других нормативно -технических документов, обеспечивающих условия безопасности людей, эксплуатационные режимы работы и защиту электроустановок [9].

Для снижения величины шагового напряжения целесообразно использовать конструкцию электрода рабочего заземления, известного по патенту РФ: RU 2416137 от 10.04.2011 года [10]. Данный электрод выполнен двухзональным и содержит расположенный в скважине металлический токоввод с влагозащитной и электроизоляционной оболочкой верхней зоны и токопроводящей поверхностью нижней зоны.

На рисунке 3 а. представлена конструкция электрода рабочего заземления в перфорированной обсадной трубе. На рисунке 3 б - конструкция с контейнером из сетки.

Свои функции электрод рабочего заземления выполняет следующим образом. Электрический ток, протекающий из сети электроснабжения в одножильный кабель и гидроизолированное соединение, поступает на расположенный в глубине скважины - металлический токовод нижней зоны.

От токовода электрический ток через углеродистую засыпку перетекает к водоносному слою (грунтовым водам) и далее через отверстия обсадной трубы или через отверстия контейнера из сетки непосредственно к грунту и далее растекается в массиве грунта. Растекание электрического тока в грунте по направлению к его поверхности происходит по сферическим потенциальным оболочкам, что существенно предотвращает вынос потенциала на поверхность грунта. Данная конструкция соответствует требованиям правил технической эксплуатации электроустановок потребителей.

а) б)

Рис. 3. Конструкция электрода рабочего заземления:

а) - в перфорированной обсадной трубе,

б) - конструкция с контейнером из сетки

1 - грунт, 2 - скважина, 3 - электрический кабель, 4 - металлический электрод, 5 - обсадная труба, 6 - отверстия в обсадной трубе, 7 - углеродистая засыпка, 8 - место соединения, 9 - водоносный слой, 10 - контейнер из сетки.

Применение одножильного электрического кабеля в качестве токовода верхней зоны позволяет существенно повысить его надежность и значительно уменьшить величину шагового напряжения, что обеспечивает защиту оперативного персонала от поражения электрическим током [10,11,12].

Внешний вид конструкции электрода рабочего заземления представлен на рисунке 4.

Для теоретической проверки эффективности работы разработанной конструкции ЗУ необходимо выполнить моделирование процесса растекания тока в грунте при использовании предлагаемой конструкции ЗУ.

Физическое моделирование влияния изолирования боковой поверхности заземления на величину шагового напряжения проведём на простейшей модели. Рассмотрим точечный заряд на изоляторе. Сравним шаговое напряжение этого заряда на поверхности среды (земли) при размещении его на самой поверхности и при его заглублении, что соответствует разработанной конструкции ЗУ.

Т7 Я

Величина напряженности Е электростатического поля точечного заряда 1 в диэлектрической среде в точке

наблюдения, расположенной на расстоянии К от места размещения заряда, вычисляется по формуле:

Е = Е (К) = ■

4ле0еК

(9)

где: - электрическая постоянная, & - относительная диэлектрическая проницаемость среды [5,7,8].

Г" >;\

Рис. 4. Внешний вид конструкции электрода рабочего заземления

Пусть точечный заряд Я заглублен на глубину ^ в диэлектрическую среду, которая занимает полупространство ^ —0. Введем цилиндрическую систему координат, ось С которой проходит через точку размещения заряда и ортогональна поверхности полупространства, уравнение которой ^ ~ 0 (рис.5).

Рис. 5. Цилиндрическая система координат

Е= Е(г 2) О С1

Напряженность электростатического поля ^ ' ' для точечного заряда " , расположенного на оси с в

точке

А( - к)

в этом полупространстве ищем, используя метод отражения. Здесь Г - полярный радиус в

о В(к)

-1 11' 1 1 т т т м.-; * ," т т тг 4

цилиндрической системе координат для точки наблюдения. Введем фиктивный заряд на этой же оси в точке Для напряженности электростатического поля в среде имеем

Г Л

О

Е = Е(г, 2)

1

1

((2 + И)2 + Г2)^2 ((2 - И)2 + Г2)32

/

(10)

где учтено, что расстояния от точек размещения зарядов до точки наблюдения в среде находятся по формулам

К2 = Г2 + (2 + к)2 и К2 = Г2 + (2 - к)2 , где 2 — 0 .

Для распределения величины напряженности электростатического поля на поверхности полупространства ЕТг Ек (г) для точечного заряда 0 , размещенного в среде на глубине к , получим, полагая в формуле (10) 2 = 0 ,

Ей = Е(г ,0) =

Для наибольшего шагового напряжения

йг

0

2ле0е(к2 + г 2)3/2

Е ( г )

(11)

между двумя точками на поверхности полупространства,

отстоящих на расстоянии , получим

ае (г) = Ей (г + йг) - Ей (г)

(12)

Вычислим величину АЕЕк (Г) , используя приближенную формулу

аеи (г )

йЕк_аг = __ 30гйг

йг 2ле0е(к2 + г 2)5/2

(13)

В частности, если заряд 0 находится на поверхности полупространства (к 0), то для шагового напряжения в

АЕ0( г )

этом случае 0 получим

АЕ0(Г ):

Здйг 2жБ0Бг 4

Введём в рассмотрение коэффициент:

т = тк (г) =

АЕк (г)

Л£о( г)

показывающий во сколько раз изменяется наибольшее шаговое напряжение на поверхности полупространства для шага , при расположении заряда на глубине Л и при его размещении на поверхности полупространства. С

Т (р^)

учётом формул (13) и (14) для величины Л ( )

т = тк (г) =

из определения (15) получим: „5

(Л 2 + г 2)52

(16)

График зависимости коэффициента Тл (г) от г (м) при некоторых значения л (м) показан на рис. 6.

Л

Рис. 6. Зависимость коэффициента ослабления Т Тл (г) шагового напряжения от расстояния г при различных значениях углубления Л точечного заряда в грунт; кривая 1 - Л =1 м, кривая 2 - Л =2 м, кривая 3 - Л =4 м

Из приведённых зависимостей видно, что при малых значениях г заглубление заряда существенно снижает

шаговое напряжение. При значениях г ^ ^, когда величина Л (г) ^ , эффект заглубленности заряда перестаёт сказываться. Однако здесь становятся малыми значения самих напряжений и шаговые напряжения в двух этих случаях размещения заряда, заглубленного и поверхностного, становятся малыми [13,14].

Это теоретически доказывает существенное повышение эффективности заземлителя путем снижения шаговых напряжений на поверхности земли.

Кроме того разработанная математическая модель, позволяет выбирать оптимальную конструкцию электрода рабочего заземления.

С цель подтверждения эффективности использования предложенной конструкции так же был проведен натурный эксперимент.

Измерение удельного сопротивления грунта произведено при использовании четырех электродов, размещенных линейно на равных расстояниях (метод Веннера).

Далее было проведено измерение распределения потенциала на поверхности грунта при работе ЗУ в режиме замыкания на землю стандартной (ЭСК) и разработанной конструкции (ЭРК).

На рисунке 7 представлены фрагменты монтажа экспериментальной установки и проведения измерений.

Рис. 7. Фрагменты процесса монтажа экспериментальной установки и проведения измерений Полученные данные в ходе проведения эксперимента представлены в таблице №1 и рисунках 8,9.

Таблица 1

Данные измерения распределения потенциала на поверхности грунта при работе ЗУ в режиме замыкания на землю

ЭРК изу №1-зонд 3,16 6,14 9,56 13,52 17,14 17,82 19,36 21,6 23,4

и0,5м (ЗУ №1) 3,16 2,98 3,43 3,48 3,59 0,74 1,54 2 1,72

ЭСК изу№2-зонд 4 10 17,4 24 30 33,6 36,4 38,2 38,6

и0,5м (ЗУ №2) 4 5,8 7,6 7,42 5,31 3,6 2,8 1,8 0,35

ил у№1-1 ■:■ нд из у№2-1 ■."■нд

Рис. 8. Разность потенциала между электродом ЗУ и измерительными электродами

Рис. 9. Разность потенциала между измерительными электродами на расстоянии 0,5 м

Анализ экспериментальных данных позволяет утверждать, что при использовании ЗУ предлагаемой конструкции наблюдается значительное снижение потенциала на поверхности грунта, а, следовательно, применение данной конструкции в электроустановках эффективно.

Выводы:

1. Одной из важнейших задач при эксплуатации электроустановок является защита людей, оперативного персонала от электротравматизма.

Практика показала, что стандартные конструкции электрода рабочего заземления не обеспечивают предотвращения выноса потенциала на поверхность грунта и как следствие возникает вероятность попадания под действие шагового напряжения, что приводит к риску поражения электрическим током. Следовательно, существует объективная необходимость разработки конструкции электрода рабочего заземления позволяющего эффективно защищать от шагового напряжения.

2. Для снижения величины шагового напряжения целесообразно использовать разработанную конструкцию двухзонального электрода рабочего заземления, который обеспечивает эффективное снижение шаговых напряжений, возникающих в результате аварийных и внештатных ситуаций.

Разработанная математическая модель и экспериментальные исследований доказывают эффективность его применения.

При этом ЗУ соответствует требованиям государственных стандартов, правил устройства электроустановок, строительных норм и правил и других нормативно - технических документов, обеспечивающих условия безопасности людей, эксплуатационные режимы работы и защиту электроустановок.

3. В заключение хочется отметить, что в любой отрасли, в том числе и в энергетике существует такой термин как «техника безопасности» — он появился не просто так, каждая строчка свода правил по соблюдению и обеспечению безопасности на действующих и находящихся в резерве электроустановках имеет свою историю, которая связанна с каким либо происшествием. Поэтому не стоит пренебрегать простыми советами, и предлагаемыми конструктивными решениями по защите от поражения электрическим током, что позволяет избежать несчастных случаев при эксплуатации электроустановок.

Список литературы:

1. ГОСТ 12-1-009-76 -1999. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Термины и определения.

2. ГОСТ Р МЭК 61140-2000. Защита от поражения электрическим током.

3. Правила устройства электроустановок. Издание 7. М., Издательство НЦ ЭНАС 2005 г

4. Гомзиков Э.А. Безопасность жизнедеятельности. Образовательный компьютерный проект. СПб.,2001 г.

5. Техника высоких напряжений под редакцией Ларионова В.П., Москва., Атомиздат., 1989г.

6. Тарова Л.С., Сергеева Е.А., Дмитриев В.М., Бояршинов А.В., Михайлов В.Б.;. Мозжухин А.Б. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды: Учеб. Пособие /. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. Ч. 1. 64 с. ISBN 5-8265-0295-9.

7. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. 5-е изд.Т.1. - СПб.; Питер, 2009.-512 с.: ил. ISBN 978-5-388-00410-9.

8. Фармаковский В.Л. Теоретические основы электротехники. Ч.1. Физические основы электротехники. Теория электрических и магнитных цепей постоянного тока. Однофазные цепи. ЛВВИСУ. - 1991. 360 с.

9. Борисов А. А. , Савчук А. Д., Хромов В. В., Питикин Д. А. Специальное заземляющее устройство для защиты технических средств и персонала от перенапряжений. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 года, - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова, 2011 - 617 с. 73 - 74 с.

10. Патент РФ: RU 2416137 от 10.04.2011 года, МПК H01R4/66, Электрод рабочего заземления, Авторы: Борисов А.А., Громов О.И., Савчук А.Д., Хромов В.В.

11. Борисов А.А., Савчук А.Д., Парахин Ю.Н. Средства защиты оперативного персонала от влияния шаговых напряжений. Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сборник материалов V-й Международной научно - практической конференции: в 2 т. /под. ред. А.И. Сидорова - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ,2012.-Т.1.- 353 с. ISBN 978-5-696-04315-9 (т.1) - 353 с., 79-87 с.

12. Борисов А.А., Панасюк И.В., Савчук Н.А. Специальная конструкция электрода рабочего заземления, обеспечивающая защиту от шагового напряжения. Сборник докладов VII научно - технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике. ОАО «Авангард» - СПб.: «Аграф+», 2014.- 68 с., 45- 49 с.

13. Лукьянов В.Д., Борисов А.А., Савчук А. Д. Повышение эффективности заземлителя снижением влияния шаговых напряжений Сборник научных трудов Военного инженерно- технического института и Военной академии тыла и транспорта имени генерала армии А.В. Хрулева. Выпуск 10. Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий, материально - технического обеспечения ВС РФ и социологии образования в вузах МО РФ.- СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. -560 с.: ил. 240 - 245 с.

14. Борисов А.А., Панасюк И.В. Электрод рабочего заземления. АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА - ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА: сборник докладов научно- технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, заслуженного работника высшей школы РФ, д.т.н. профессора Кривова В.Г / ВИ(ИТ) СПб., 2014.- 256 с., 139-142 с.