CC BY
16
ПРИМЕНЕНИЕ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЮ ТОКА НА ПОЛЕВЫХ УЗЛАХ СВЯЗИ
Алисевич Евгения Александровна,
к.т.н., доцент Военной академии связи имени Маршала Советского союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, ezhilkina@yandex.ru
Гусев Алексей Петрович,
к.т.н., доцент Военной академии связи имени Маршала Советского союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, alexeygusew@mail.ru
АННОТАЦИЯ
В работе рассмотрена задача измерения сопротивления растеканию тока на полевых узлах связи, базирующаяся на известных результатах практики и их теоретического обобщения. В процессе выполнения должностных и специальных обязанностей одной из основных причин поражения электрическим током личного состава экипажей является замыкание токо-ведущих частей на землю или на корпуса электрических машин, трансформаторов и других электрических аппаратов и приборов.
Эффективным способом защиты от поражения в электроустановках является защитное заземление, которое заключается в преднамеренном электрическом соединении с зазем-лителем (контуром) металлических частей электроустановки, нормально изолированных от частей, находящихся под напряжением.
Приведен анализ опыта, основных направлений и целей измерений сопротивления заземляющего устройства, позволяющих оценить соответствие сопротивления заземлителя требованиям эксплуатационного контроля условий электробезопасности на полевых узлах связи. В области электроэнергетики существует множество вариантов для измерения сопротивления растеканию тока, основная идея которых заключается в том, что через заземляющее устройство проводят измерительный электрический ток, затем определяют значения проводимого тока и электрического потенциала на заземляющем устройстве и вычисляют сопротивление заземляющего устройства по формуле, основанной на законе Ома. Для решения рассмотренных задач рекомендуется упростить схему измерений за счет того, что исключения внешнего генератора напряжения и вспомогательного токового электрода, а также линии для их соединения, и использовать свойства материалов, обеспечивающих максимальную внешнюю контактную разность потенциалов.
Вариант применения контактной разности потенциалов разнородных материалов при измерении сопротивления растеканию тока базируется на известных результатах практики и их теоретического обобщения.
Изложены предполагаемые результаты от внедрения описываемого способа, а именно благодаря использованию явления возникновения электрохимических потенциалов между разнородными проводниками и применению закона Ома для полной цепи обеспечивается снижение трудоемкости и затрат на измерения сопротивления растеканию тока.
Ключевые слова: измерение сопротивления растеканию тока; вспомогательный потенциальный электрод; контактная разность потенциалов; заземляющее устройство.
Для цитирования: Алисевич Е. А., Гусев А. П. Применение контактной разности потенциалов разнородных материалов при измерении сопротивления растеканию тока на полевых узлах связи // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 3. С. 26-30.
26 www.h-es.ru
www.h-es.ru RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Обеспечение электробезопасности является важнейшей из практических задач, возникающих при эксплуатации элементов системы электропитания полевых узлов связи.
В связи с тем, что электрические установки на полевых узлах связи, как правило, работают в неблагоприятных условиях (подвергаются воздействию противника, эксплуатируются в пыльной, влажной или агрессивной среде при различных погодных условиях и т.п.), появляется потенциальная возможность разрушения изоляции проводов, образования токопроводящей влажной и пыльной пленки на изоляторах, конденсирования влаги между обмоткой и корпусом электрической машины и, как следствие, появление потенциала на корпусах электроустановок.
Одной из основных причин поражения электрическим током личного состава экипажей при выполнении должностных и специальных обязанностей является замыкание токоведущих частей на землю или на корпуса электрических машин, трансформаторов и других электрических аппаратов и приборов.
Эффективным способом защиты от поражения в электроустановках является защитное заземление, которое заключается в преднамеренном электрическом соединении с заземлителем (контуром) металлических частей электроустановки, нормально изолированных от частей, находящихся под напряжением [11].
Действие защитного заземления заключается в том, что оно снижает напряжение между корпусом оборудования, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения.
Основной электрической характеристикой заземлите-ля или контура заземления является сопротивление растеканию тока.
С целью определения соответствия сопротивления заземляющего устройства установленным нормам обязательной процедурой по окончанию установки защитного заземления является измерение исследуемого параметра.
В области электроэнергетики существует множество вариантов для измерения сопротивления растеканию тока [1, 9-10], основная идея которых заключается в том, что через заземляющее устройство проводят измерительный электрический ток, затем определяют значения проводимого тока и электрического потенциала на заземляющем устройстве и вычисляют сопротивление заземляющего устройства по формуле, основанной на законе Ома.
Наиболее распространенным вариантом получения необходимых показателей является измерение сопротивления заземляющего устройства методом амперметра и вольтметра. Схема, поясняющая техническую сущность традиционного способа измерения сопротивления заземляющего устройства представлена на рис. 1.
При выполнении операций измерения сопротивления заземляющего устройства традиционным способом отсоединяют от заземляющего устройства нулевой защитный провод (РЕ, PEN или N) электрической сети. Затем пропускают через заземляющее устройство и забитый в землю на достаточно большом расстоянии вспомогательный
Рис. 1. Традиционный метод измерения земли (вариант): 1 — контур заземления, 2 — фрагмент земной поверхности, 3 — амперметр, 4 — внешний источник измерительного тока,
5 — вольтметр, 6 — вспомогательный токовый электрод, 7 — вспомогательный потенциальный электрод, 8 — искомое сопротивление земли, представленное эквивалентной схемой из множества параллельно соединенных сопротивлений, каждое из которых может быть представлено совокупностью последовательно соединенныхсопротивлений, 1', 6', 7' — зажимы
токовый электрод электрическии ток от переносного источника измерительного электрического тока (генератора), при этом одновременно снимая показания с последовательно подключенного амперметра. Вслед за этим измеряют вольтметром, включенным между заземляющим устройством и забитым в землю на достаточно большом расстоянии вспомогательным потенциальным электродом, возникшее при этом электрическое напряжение и на заземляющем устройстве. Далее определяют искомое сопротивление заземляющего устройства по следующей известной из закона Ома формуле для неполной цепи, то есть без учета внутреннего сопротивления источника тока:
* - 7
где и—напряжение, измеренное вольтметром, В; I — ток, измеренный амперметром, А Однако наличие существенных погрешностей измерения, обусловленных конечными расстояниями между электродами и заземляющим устройством, вынуждает при оборудовании защитного заземления на подвижном узле связи искать другие методы.
Вариант применения контактной разности потенциалов разнородных материалов при измерении сопротивления растеканию тока базируется на известных результатах практики [2] и их теоретического обобщения [3-4].
При выполнении операций измерения сопротивления заземляющего устройства предлагается отсоединить от заземляющего устройства нулевой защитный провод
h&es research, 3-2017
27
(РЕ, PEN или N) электрической сети, исключить токовый электрод, источник измерительного электрического тока (генератор) и соединительные провода. Затем необходимо выбрать вспомогательный потенциальный электрод, выполненный из материала, обеспечивающего максимальную внешнюю контактную разность потенциалов по отношению к заземлению, выполненному из известного материала. Далее установить вспомогательный потенциальный электрод и с помощью вольтметра с высоким внутренним сопротивлением определить внешнюю контактную разность потенциалов. Следом последовательно соединить заземление, вспомогательный потенциальный электрод, высокоомное нагрузочное сопротивление и амперметр. На заключительном этапе измерить ток, протекающий через нагрузочное сопротивление и вычислить сопротивление растеканию тока, применяя закон Ома для полной цепи.
Вариант схемы, обеспечивающей максимальную контактную разность потенциалов представленной в графической форме на рис. 2.
Известно [5-7], что два разнородных по применяемому материалу проводника, помещенные в электролит, являются гальваническим элементом, параметрами которого являются:
U—разность потенциалов между электродами гальванического элемента;
Яш — внутреннее сопротивление источника, то есть искомое сопротивление земли.
Фрагмент данных о попарной разности потенциалов для разнородных материалов представлен в таблице.
Одним из вариантов пары с максимальной разностью потенциалов является «цинк-медь». При этом разность потенциалов существенно зависит и от качества среды между разнородными по материалам электродами, то есть фрагмента земной поверхности (земли). Землю можно рассматривать как своеобразный электролит с различными свойствами, от которого зависит внутреннее сопротивление рассматриваемого гальванического элемента, то есть искомого сопротивления земли.
Схема, поясняющая предлагаемый способ измерения земли, которая в отличие от традиционного способа не включает внешний генератор напряжения и вспомогатель-
Рис. 2. Схема, обеспечивающая максимальную контактную разность потенциалов (вариант): 1 — контурзаземления, 2 — фрагмент земной поверхности, 3 — вспомогательный потенциальный электрод, 4 — искомое сопротивление земли,
представленное эквивалентной схемой из множества параллельно соединенных сопротивлений, каждое из которых может быть представлено совокупностью последовательно соединенных сопротивлений
ныитоковыи электрод, а также линии для их соединения, графическипредставленанарис. 3.
На некотором расстоянии от измеряемого заземления монтируется в землю вспомогательный потенциальный электрод из материала, образующего пару по отношению к за-землителю с максимальной разностью потенциалов. В целом разность потенциалов на зажимах зависит от качества земли между двумя электродами (своеобразный электролит: вода и растворимые минералы в различных сочетаниях).
Напряжение на зажимах измеряют вольтметром и запоминают. Параллельно вольтметру на зажимы подключается последовательно цепь из высокоомного нагрузочного сопротивления Яв и амперметра. Измеряют ток, и его значение запоминают. По формуле закона Ома для полной цепи
и
R= +
Таблица
Электрохимические потенциалы между проводниками
Таблица электрохимических потенциалов (мВ), возникающих между соединенными проводами, клеммами и т.д. (проводниками)
Металл Медь и ее сплавы Алюминий Сталь мягкая Нерж. сталь Цинк Серебро Углерод (графит)
Медь и ее сплавы 0
Алюминий 0,65 0
Сталь мягкая 0,45 0,20 0
Нерж.сталь 0,10 0,55 0,35 0
Цинк 0,85 0,20 0,40 0,75 0
Серебро 0,25 0,90 0,70 0,35 1,10 0
Углерод (графит) 0,35 1,00 0,80 0,45 1,20 0,10 0
28 www.h-es.ru
www.h-es.ru RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Рис. 3. Предлагаемый метод измерения земли (вариант): 1 — контур заземления, 2 — фрагмент земной поверхности, 3 — амперметр, 4 — высокоомное нагрузочное сопротивление, 5 — вольтметр, 6 — вспомогательный потенциальный электрод, 7 — искомое сопротивление земли, представленное эквивалентной схемой из множества параллельно соединенных сопротивлений,
каждое из которых может быть представлено совокупностью последовательно соединенных сопротивлений, 1',6' — зажимы
Путем математического преобразования получаем выражение для Яш(3) (внутреннее сопротивление гальванического элемента, то есть сопротивление земли Яз)
R - U
2-(7) - ,
R .
В выражение подставляют запомненные значения и, I, Яя и рассчитывают внутреннее сопротивление гальванической пары, то есть полное сопротивление заземления ЯЕЕ(?). При этом сопротивление земли Яш(з) представлено эквивалентной схемой из множества параллельно соединенных сопротивлений (Яг Я1, Я ), каждое из которых может быть представлено совокупностью последовательно соединенных сопротивлений.
Таким образом, благодаря использованию явления возникновения электрохимических потенциалов между разнородными проводниками и применению закона Ома для полной цепи обеспечивается снижение трудоемкости и затрат на измерения сопротивления растеканию тока [8].
Литература
1.КострубаС.И.Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств: монография. М.: Энергоатомиздат, 1983. 166 с.
2. Материалы проводников и гальваническая электрохимическая коррозия. URL: http://meandr.org/ archives/24328. (датаобращения 15.01.2016).
3.Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение. URL: http://electricalschool.info/main/390-pro-raznost-potencialov.html, (датаобращения 15.01.2016)
4. Типы химических источников энергии. URL: http://fazaa.ru/uroki-elektrotexniki/ximicheskie-istochniki-elektricheskoj-energii.html., (дата обращения 15.01.2016).
5. Гальванические элементы. URL: http://www.xumuk. ru/encyklopedia/914.html, (датаобращения 15.01.2016).
6. ЕреминВ.В., КарговС.И., УспенскаяИ.А., Куз-менко Н.Е., Лунин В. В. Основы физической химии. Теория и задачи. М.: Химиздат, 2005. 480 с.
7. Гальванические элементы и батареи II Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. И 4 доп.). СПб., 1890-1907.
8. Патент РФ № 2617563 Способ измерения сопротивления растеканию тока / Русев А.П., Стародубцев Г.Ю., Ста-родубцевП.Ю., СтародубцевЮ.И., СорокинМ.А., Осипов П.А. Заявл. 16.11.2015. Опубл. 25.04.2017. Бюл. № 12.
9. Патент РФ № 2321009. Способ и устройство для измерения сопротивления заземлителя / КострубаС.П., ХалинЕ.В., Стребков Д. С. Заявл. 18.10.2006. Опубл. 27.03.08. Бюл. № 9.
10. Патент РФ №2461012. Способ измерения сопротивления заземляющего устройства при электроснабжении по кабельной линии/Истомин Ю. О. Заявл. 06.04.2011. Опубл. 10.09.12. Бюл. № 25. 5 с.
11. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. СПб.: ДЕАН, 2012. 304 с.
THE USE OF CONTACT DIFFERENCE OF POTENTIALS DISSIMILAR MATERIALS IN THE MEASUREMENT OF THE RESISTANCE TO CURRENT SPREADING ON FIELD NODES
Evgueniya A. Alisevich,
St. Petersburg, Russia, ezhilkina@yandex.ru
Alexsey P. Gusev,
St. Petersburg, Russia, alexeygusew@mail.ru
ABSTRACT
The work considers the task of measuring the resistance to current spreading at the field nodes based on the known results of the practice and its theoretical generalizations.
h&es research, 3-2017 29
In the process of performance of official and special duties one of the main causes of electric shock and personal composition of the crews is short live parts to ground or the housing of electrical machines, transformers and other electrical equipment and appliances.
Effective way of protection against electric shock in electrical installations is protective earth, which is the intentional electrical connection with the grounding (circuit) the metal parts of the electrical installation, normally isolated from the parts under voltage.
The analysis of experience, the main directions and purposes of measurement of resistance of grounding device, allowing to assess the compliance of the resistance of earthing requirements in the operational control of the electrical conditions at the field sites.
In the field of electricity, there are many options for measuring the resistance to current spreading, the idea of which is that through the grounding device is carried out measuring the electric current, then determine the values held by current and electrical potential in the grounding device and calculate the resistance of the grounding device according to a formula based on Ohm's law.
For solving the considered problems it is recommended to simplify the measurement scheme due to the fact that the exception is external of the generator voltage and the auxiliary current electrode, and lines for their connections, and to use material properties that ensure a maximum external contact potential difference. The application of the contact potential difference of dissimilar materials when measuring the resistance to current spreading is based on the known results of the practice and its theoretical generalizations.
Set out the expected results from the implementation of the described method, namely, by using the phenomenon of electrochemical potentials between dissimilar conductors and the application of Ohm's law for the complete chain is provided to reduce the complexity and cost of measuring the resistance to current spreading.
Keywords: measuring the resistance to current spreading; auxiliary potential electrode; contact potential difference; grounding the device.
1. Kostruba S. I. Izmerenie ehlektricheskih parametrov zemli i zazemlyayushchih ustrojstv: Monografiya [Measurement of electrical parameters of ground and grounding devices: monograph]. Moscow, Ehnergoatomizdat, 1983. 160 p. (In Russian)
2. Materialy provodnikov i gal'vanicheskaja jelektrohimicheskaja korrozija [Materials conductors and galvanic electrochemical corrosion]. URL: http://meandr.org/archives/24328. (date of access 15.01.2016). (In Russian)
3. Pro raznost' potencialov, jelektrodvizhushhuju silu i naprjazhenie [About potential difference, electromotive force and voltage]. URL: http://electricalschool.info/main/390-pro-raznost-potencialov.html, (date of access 15.01.2016). (In Russian)
4. Tipy himicheskih istochnikov jenergii [Types of chemical energy sources]. URL: http://fazaa.ru/uroki-elektro-texniki/ximicheskie-istochniki-elektricheskoj-energii.html., (date of access 15.01.2016). (In Russian)
5. Gal'vanicheskie jelementy [Galvanic cells]. URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html, (date of access 15.01.2016). (In Russian)
6. Eremin V. V., Kargov S. I., Uspenskaya I. A., Kuzmenko N. E., Lunin V. V. Osnovy fizicheskoj himii. Teoriya i zad-achi: uchebnoe posobie dlya vuzov [Fundamentals of physical chemistry. Theory and tasks]. Moscow, Himizdat, 2005. 480 p. (In Russian)
7. Gal'vanicheskie ehlementy i batarei [Galvanic cells and batteries]. Enciklopedicheskij slovar' Brokgauza i Efrona: v 86 t. [Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Euphron]. Vol. 82. I 4. Saint-Petersburg, 1890-1907. (In Russian)
8. Patent RF 2617563. Sposob izmereniya soprotivleniya rastekaniyu toka [Method for measuring current flow resistance]. Gusev A. P., Starodubcev G. Yu., Starodubcev P. Yu., Starodubcev Yu. I., Sorokin M. A., Osipov P. A. Declared 16.11.015. Published 25.04.2017. Bulletin No. 12. 7 p. (In Russian)
9. Patent RF 2321009. Sposob i ustrojstvo dlya izmereniya soprotivleniya zazemlitelya [Method and device for measuring the resistance of the earth electrode]. Kostruba S. I., Halin E. V., Strebkov D. S. Declared 18.10.2006. Published 27.03.08. Bulletin No. 9. 4 p. (In Russian)
10. Patent RF 2461012. Sposob izmereniya soprotivleniya zazemlyayushchego ustrojstva pri ehlektrosnabzhenii po kabel'noj linii [Method for measuring the resistance of a grounding device for power supply via a cable line]. Istomin Yu. O. Declared 06.04.2011. Published 10.09.12. Bulletin No. 25. 5 p. (In Russian)
11. Pravila tekhnicheskoj ehkspluatacii ehlektroustanovok potrebitelej [Rules for the technical operation of consumer electrical installations]. Saint-Petersburg: DEAN, 2012. 304 p. (In Russian)
Information about authors:
Alisevich E.A., PhD, associate professor of theMilitary Academy of Communications; Gusev A.P., PhD, associate professor of the Military Academy of Communications.
For citation: Alisevich E. A., Gusev A. P. The use of contact difference of potentials dissimilar materials in the measurement of the resistance to current spreading on field nodes. H&ES Research. 2017. Vol. 9. No. 3. Pp. 26-30. (In Russian)
References
30
www.h-es.ru
