1

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет водного господарства та

природокористування

Кафедра охорони праці і безпеки життєдіяльності

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання практичних робіт з дисципліни

«Електробезпека»

студентами за напрямом підготовки

6.170202 «Охорона праці»

Рекомендовано методичною комісією за напрямом підготовки «Охорона

праці» Протокол № 4 від 05 листопада 2012 р.

Рівне 2013

064-184

2

Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліни «Електробезпека» студентами за напрямом підготовки 6.170202 «Охорона праці» /М.В. Бернацький, О.В. Богданенко, Г.Г.Клекоць - Рівне: НУВГП, 2013 - 43 с.

Упорядники: М.В. Бернацький, канд. техн. наук, доцент, О.В. Богданенко, асистент, Г.Г. Клекоць, ст. викладач.

Відповідальний за випуск: В.Л.Филипчук, д-р техн. наук, професор, завідувач кафедри охорони праці і безпеки життєдіяльності.

©Бернацький М.В., Богданенко О.В., Клекоць Г.Г. 2012 ©НУВГП, 2012

3

Вступ

Результат впливу струму на людину залежить від ряду факторів, в тому числі від сили струму, виду і частоти, тривалості його протікання через тіло людини, індивідуальних властивостей людини, а також характеру електроустановки, навколишнього середовища та класу приміщення за небезпекою ураження електричним струмом.

Проходячи через організм людини, струм справляє термічну, електролітичну, механічну і біологічну дії. Різноманіття факторів, що впливають на результат впливу струму на людину, і ситуацій, що виникають при роботі на електроустановках, визначили тематичну спрямованість завдань і методичних вказівок в цілому. Для кращого розуміння умов завдань і отримання їх коректних рішень викладено загальні питання електробезпеки. Завдання розподілено за шістьма темами залежно від їх змісту і складності рішення. За кожною темою, як приклад, наведено рішення однієї задачі, а також відповіді для всіх завдань.

Більшість завдань складено за результатами аналізу нещасних випадків, що мали місце на виробництві або в побуті.

1. Розрахунок одиночних і групових заземлювачів

1.1. Теоретичні відомості

Стікання струму в землю відбувається тільки через провідник, який перебуває з нею у безпосередньому контакті: випадковому або навмисному. При цьому одиночний провідник або група з'єднаних між собою провідників, що знаходяться в призначеному контакті із землею, називається відповідно одиночним заземлювачем або заземлювачем.

Причинами стікання струму в землю є: замикання струмоведучих частини на заземлений корпус електричного обладнання; падіння проводу на землю; використання землі в якості провідника т. п. У всіх цих випадках відбувається різке зниження потенціалу φз (тобто напруги щодо землі) заземленої струмоведучої частини до значення:

�з = �з ∙ �з , (1.1)

де Із – струм, який входить в землю, А; Rз – опір заземлювача розтіканню струму.

4

Кульовий заземлювач на великій глибині. Маємо кульовий заземлювач радіусом r, м, заглиблений у землю на нескінченно велику глибину (тобто можна знехтувати впливом поверхні землі). Через цю кулю в землю витікає струм Із, А, який подається до заземлювача за допомогою ізольованого провідника (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Кульовий заземлювач радіусом, заглиблений у землю на велику глибину

Потенціал φ = 0 матиме точка, віддалена від заземлювача на відстань х = = ∞. Практично область нульового потенціалу починається на відстані приблизно 20 м від заземлювача. Потенціал точок на поверхні землі в даному випадку дорівнює нулю (так як x = ∞). Максимальний потенціал буде при найменшому значенні х, рівному радіусу заземлювача, тобто безпосередньо на заземлювачі (потенціал кульового заземлювача):

�з = �з ∙ � 4� . (1.2)

де ρ – питомий опір грунту, Ом.

Кульовий заземлювач на поверхні землі, тобто заглиблений так, що його центр знаходиться на рівні землі (рис. 1.2), і який називається напівкульовим заземлювачем. Для такого типу заземлювача:

� = �з ∙ � , (1.3)

Отже, потенціал на поверхні, землі навколо напівкульового заземлювача змінюється за законом гіперболи,

5

зменшуючись від максимального значення φ, до нуля в міру віддалення від заземлювача.

Рис. 1.2. Розподіл потенціалу на поверхні землі навколо напівкульового заземлювача

Стрижневий заземлювач. Розглянемо стрижневий вертикальний заземлювач круглого перетину довжиною l, м, і діаметром d, м, заглиблений в землю так, що його верхній кінець знаходиться на рівні землі (рис. 1.3). По заземлювачу стікає струм Із, А. Отримаємо вираз для розрахунку потенціалу точок на поверхні землі і потенціалу заземлювача.

Рис. 1.3. Стрижневий заземлювач

Потенціал заземлювача визначається при x = 0,5d і становить:

�з = �з���� ∙ �� ��

� . (1.4)

Груповий заземлювач. За умовами безпеки обслуговуючого персоналу у заземлення має бути порівняно малий опір, забезпечити який можна шляхом збільшення геометричних розмірів одиночного заземлювача (електрода) або застосування декількох паралельно з'єднаних електродів - групового заземлювача. Використовуючи так заземлювач, можна вирівняти потенціал на території, де розміщуються

6

заземлюючі електроди, що в ряді випадків відіграє вирішальну роль у забезпеченні безпеки обслуговуючого персоналу.

При нескінченно великих відстанях між електродами групового заземлювача (зазвичай більше 40 м) поля розтікання струмів навколо них практично не взаємодіють. У цьому випадку потенційні криві від ккожного електрода взаємно не перетинаються (рис. 1.4), причому потенціали електродів рівні незалежно від їх розмірів. Однак при різних розмірах електродів струми, що протікають через них, різні за значенням, а їх потенційні криві мають різну форму.

Рис. 1.4. Потенційні криві і поля розтікання струму групового заземлювача при відстанях між електродами S> 40 м

При відстанях між електродами групового заземлювача менше 40 м поля розтікання струмів накладаються одне на інше, в результаті потенційні криві взаємно перетинаються і, складаючись, утворюють сумарну потенційну криву групового заземлювача. При цьому форма сумарної потенційної кривої залежить від відстані між електродами, їх взаємного розташування, числа, форми і розмірів.

Потенціал групового заземлювача φгр дорівнює:

�гр = ��� + ∑ �н�� , (1.5)

де φ01 – потенціал першого електроду, В; n – кількість електродів; φn – потенціал, наведений на першому електроді одним із сусідніх.

1.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). Струм Ігр стікає в землю з групового заземлювача, який складається із трьох однакових напівкульових електродів радіусом r = 0,5 м, розміщених у вершинах

7

рівностороннього трикутника (рис. 1.5). Необхідно визначити φгр при відстані між центрами електродів S = 10 м; питомий опір грунту дорівнює 120 Ом·м (грунт однорідний).

Рис. 1.5. Груповий заземлювач з трьох напівкульових електродів, розміщених у вершинах рівностороннього трикутника на поверхні землі

Рішення. Оскільки електроди однакові і знаходяться в однакових умовах, у них рівні:

- опори розтіканню струму

�� = �2 =

1202 ∙ 0.5 = 40Ом,

- струми, розтікаючі через них у землю

�� = �з �� = 30 3� = 10А, - власні потенціали

�� = ���� = 10 ∙ 40 = 400В,

Потенціал групового заземлювача

�гр = �� + *� − 1,�н,

або, враховуючи, що

�н = �� -./- ,

отримаємо

�гр = �� .0-./- = 400 ��0�,1

��/�,1 = 440 .

Задача 2. З металевої кулі радіусом r = 0,5 м, заглибленої в землю а глибину l = 3 м, стікає струм Із = 80 А, який подається до кулі по ізольованому провіднику. Потрібно: визначити потенціал φD на поверхні землі в точці D на відстані х = 3 м від вертикалі, що проходить

8

через центр кулі, і потенціал заземлювача (кулі) φз Питомий опір землі ρ = 90 Омм. (Відповідь φD = 270 В; φз = 1240 В).

Задача 3. Струм Із = 60 А стікає в землю через груповий заземлювач, що складається з трьох з'єднаних між собою однакових стрижневих електродів діаметром d = 0,05 м. Стрижні забиті в землю на глибину L = 2 м і розміщені у вершинах рівностороннього трикутника. Земля однорідна, її питомий опір ρ = 100 Ом·м. (рис. 1.6.).

Потрібно: визначити потенціал групового заземлювача φз при відстані між центрами електродів S = 10 м. (Відповідь φз = 870 В).

Рис. 1.6. Груповий заземлювач, який складається з трьох стрижневих вертикальних електродів, розміщених у вершинах рівностороннього

трикутника: а - вигляд зверху, б - вигляд збоку

2. Аналіз небезпек враження електрострумом

2.1. Теоретичні відомості

Всі випадки ураження людини струмом внаслідок електричного удару, тобто проходження струму через тіло людини, є наслідком її дотику не менше ніж до двох точок електричного кола, між якими існує деяка напруга. Небезпека такого дотику оцінюється струмом, що проходить через тіло людини Ih чи напругою дотику Uпр, і залежить від ряду факторів: схеми включення людини в електричне коло; напруги мережі; схеми самої мережі; режиму її нейтралі; ступеня ізоляції струмопровідних частин від землі; ємності струмоведучих частин відносно землі і т.п. Таким чином, небезпека ураження не однозначна: в

9

одних випадках включення людини в електричне коло супроводжується проходженням через нього малих струмів і виявляється безпечним, в інших - струми можуть досягати великих значень, здатних викликати смертельне ураження людини.

Схеми включення людини в коло струму можуть бути різними. Однак найбільш характерні дві схеми включення: між двома фазами електричної мережі та між однією фазою та землею (рис. 2.1.). Зрозуміло, у другому випадку передбачається електричний зв'язок між мережею і землею, що може бути обумовлено недосконалістю ізоляції проводів відносно землі, наявністю ємності між проводами і землею і, нарешті, заземленням нейтралі джерела струму, що живить дану мережу.

Фактичні значення Ih і Uпр можуть бути визначені розрахунковим шляхом або експериментально. Розрахункові залежності для визначення Ih наведено в табл. 2.1, 2.2 і 2.3.

Таблиця 2.1

Формули для розрахунку струму, що проходить через людину при дотику до провідника в двопровідних мережах

Характери-стика мережі

Схема включення людини в електричну мережу

Формула розрахунку струму

1 2 3

Ізольована від землі в нормальному режимі роботи

R2 R1

U

Rch

1

2

( )++=

chRRchRRRR

URhI

21211

При :21

RRR ==

RchRUR

hI+

=2

Ізольована від землі в аварійному режимі роботи

R2 R1

U

Rch

1

2

де

змrR

змrR

эR

+=

2

2

,

11

1

++

=

chRэ

Rch

RRэ

RR

UR

hI

10

1 2 3

Із заземленим проводом (дотик до незаземле-ного проводу)

R2 R1

U

Rch

Rн

r0

0rch

R

фU

hI

+=

Із заземленим проводом (з дотиком до заземленого проводу)

Rab

U

Rch

a b

Rн

r0

00 rch

R

abR

рабI

rch

R

abU

hI

+=

+=

У табл. 2.1 наведені такі позначення: U - напруга мережі;R1, R2 - опори проводів відносно землі; r0 - опір заземлення проводу; rзм - опір замикання проводу на землю: Rch - опір в колі тіла людини; Rн - опір навантаження; Rаb - опір провідника на ділянці аb; Iраб - робочий струм навантаження.

При розрахунку Ih необхідно знати опір в колі людини Rch, яке включає в себе суму опорів тіла людини Rh, взуття Roб і підошви (підлоги чи грунту), на якому стоїть людина Roc, тобто

Rch = Rh + Roб + Roc, Ом, (2.1)

Опір тіла людини Rh при напругах дотику Unp ≥ 50 В приймається рівним 1 кОм., Опір підошви грунту дорівнює: якщо ступні ніг розташовані поруч Roc ≈ 2,2 ρ, Ом; якщо ступні ніг відстоять одна від одної на відстані кроку Roc ≈ 1,5 ρ, Ом, де ρ- питомий опір грунту, Ом·м.

Опір взуття Rоб залежить від матеріалу підошви, вологості приміщення і прикладеної напруги. При високій вологості взуття та грунту Rоб і Roc приймають рівними нулю, а опір в колі людини Rch рівним опору тіла людини Rh.

Для розрахунку струму, що проходить через людину у випадку дотику його до однієї з фаз трифазних мереж, без урахування впливу

11

систем захисту, контролю та автоматики можна скористатися формулами, зазначеними в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

Формули для розрахунку Ih, що проходить через людину, яка доторкується до фазного проводу трифазних мережах

Характери-стика мережі

Схема включення людини в електричну

мережу

Формула розрахунку струму

1 2 3

Трьохпровідна мережа з ізольованою нейтраллю при нормальному режимі роботи

R1 R2

R R3

R C1

R C2

R C3

R

3R2R1R

При RRRR ===

321,

CCCC ===321

Zch

R

фU

hI

+=

3

3

або

+

++

=

2221(29

)6(1

CωRchR

chRRR

chR

фU

hI

При CCCC ===321 →

0 Z ≈ R, тоді

Rch

R

фU

hI

+=

3

3

Трьохпровідна мережа з ізольованою нейтраллю при аварій-ному режимі роботи

3

R 2

R 1

R Rch

R rзм

R

;çìrchR

ëUhI

+=

лUпрU =

12

1 2 3

Чотирипрові-дна мережа з глухозазем-леною нейтраллю при нормальному режимі роботи

3

R 2

R 1

R

r0

R

0

R Rch

R

chR

фU

rch

R

фU

hI =

+=

0

r0<< Rch

Чотирипрові-дна мережа з глухозаземленою нейтраллю при аварійному режимі роботи

r0

R

rзм

R

Rch

R

фU

прU

лU >>

2.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). Виконати оцінку небезпеки ураження електричним струмом людини, яка опинилась в ситуації, показаній на рис. 2.1.

R2 R1

U

Rch

1

2

rзм

Рис. 2.1. Схема включення людини в електричне коло: R1 = R2 = R = 200 кОм; rзм = 100 Ом; U = 220 В

Людина стоїть на вологому піщаному грунті у взутті з шкіряною підошвою.

Рішення. Щоб оцінити, чи небезпечний такий дотик людини до струмоведучих частин, необхідно знати струм, що протікає через

13

людину Ih, або напругу, що діє на неї Unp, і порівняти ці значення з допустимими.

Згідно з табл. 2.1:

де U = 220 В – напруга мережі; R1 = 200 кОм – опір ізоляції провідників мережі по відношенню до землі; Rch – опір в електричному колі людини (формула 2.1):

Rch = Rh + Roб + Rос,

звідки Rh (1 кОм) – опір тіла людини; Rоб (0,5 кОм) – опір взуття; Roc (1,6 кОм) – опір підошви грунту, значить,

Rch = 1 + 0,5 + 1,6 = 3,1 кОм;

Rэ – еквівалентний опір відповідно до табл. 2.1:

,2

2

зм

змэ

rR

rRR

+=

де rзм (100 Ом) – опір замикання провідника на землю. Значить:

Îì. 100100310200

100310200≈

+⋅

⋅⋅=ýR

Тоді:

. 07,0101,3100101,310200100310200

10220A

333

3≈

⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅

⋅=

hI

Висновок. Гранично допустиме значення струму через людину при t ≥ 1 с дорівнює 6 мА , значить, дотик людини до проводу мережі в даному випадку є небезпечним.

Задача 2. Розрахувати струм, що проходить через людину, яка стоїть на мокрій підлозі у взутті з шкіряною підошвою і торкається заземленого корпусу установки, що знаходиться в аварійному режимі (рис. 2.2). Установка живиться трифазним напругою від мережі з

,

11

1

++

=

chRэ

Rch

RRэ

RR

UR

hI

Ом

14

ізольованою нейтраллю. Зробити висновок щодо небезпеки такого дотику. (Відповідь - так як гранично допустимий струм при тривалому впливі (більше 1 с) в заданих умовах дорівнює 6 мА, то людині небезпека ураження струмом не загрожує.)

3

R 2

R 1

R

Rз R

Rch

R

Iз R

Рис. 2.2. Схема включення людини в електричне коло U = 380/220 В

Задача 3. Порівняти небезпеку ураження персоналу при дотику до

ушкодженої (пробій фази на корпус) заземленої електроустановки при живленні її від трифазної мережі з заземленою нейтраллю і від трифазної мережі з ізольованою нейтраллю при наступних умовах: напруга в мережі U = 380/220 В, опір заземлення нейтралі r0 = 4 Ом, опір ізоляції фазних проводів по відношенню до землі R = 500 кОм, опір заземлення установки R3 = 4 Ом. Зробити висновок про ефективність захисного заземлення в мережах з різним режимом нейтралі заземленою та ізольованої від землі. (Відповідь - як видно з результатів розрахунку, захисне заземлення ефективно в мережах з ізольованою нейтраллю).

3

R 2

R 1

R

r0

R

0

R

Rз R

3

R 2

R 1

R

Rз R

а

R б

R

Рис. 2.3. Схема включення людини в електричне коло для різних кіл

15

3. Оцінка впливу на людину електричного поля промислової

частоти (50 Гц)

3.1. Теоретичні відомості

Ефект впливу електромагнітного поля на біологічний об'єкт прийнято оцінювати кількістю електромагнітної енергії, що поглинається об'єктом при перебуванні його в полі. Електромагнітне поле можна розглядати як суму двох полів: електричного і магнітного. Допустимо вважати, що при малих частотах, у тому числі 50 Гц, електричне і магнітне поля не пов'язані, тому їх розглядають роздільно, як і їх впливи на біологічний об'єкт.

Для аналізу електричного поля електроустановок промислової частоти можна застосовувати закони електростатики. Поле створюється принаймні між двома електродами (тілами), які несуть заряди різних знаків і на яких починаються і закінчуються силові лінії. Поле електроустановок нерівномірне, тобто напруженість його змінюється уздовж силових ліній несиметрично.

Механізм біологічної дії електричного поля на організм людини вивчений недостатньо. Передбачається, що порушення регуляції фізіологічних функцій організму обумовлено впливом поля на різні відділи нервової системи. При цьому підвищення збудливості центральної нервової системи відбувається внаслідок рефлекторної дії поля, а гальмівний ефект - результат прямого впливу поля на структури головного і спинного мозку. Вважається, що кора головного мозку, а також проміжний мозок особливо чутливі до впливу електричного поля.

Поряд з біологічною дією електричне поле обумовлює виникнення розрядів між людиною і металевим предметом, що мають інший, ніж людина, потенціал. Якщо людина стоїть безпосередньо на землі або на струмопровідній заземленій підставці, то потенціал її тіла практично дорівнює нулю. У тому випадку, коли людина ізольована від землі, її тіло може виявитися під деяким потенціалом, що досягає іноді

16

декількох кіловольт. Дотик людини, ізольованої від землі, до заземленого металевого предмета або людини, що має контакт із землею, до ізольованого від землі металевого предмета супроводжується проходженням через тіло людини в землю розрядного струму, який може викликати хворобливі відчуття. Такі дотики, як правило, супроводжуються іскровим розрядом.

У різних точках простору поблизу електроустановок промислової частоти напруженість електричного поля має різні значення. Вона залежить від ряду факторів: номінальної напруги електроустановки; відстані між точкою, в якій визначається напруженість поля, і струмопровідними частинами; висоти розміщення над землею струмоведучих частин і т.п. Напруженість може бути виміряна за допомогою спеціальних приладів. У деяких випадках, наприклад поблизу ЛЕП, вона визначається розрахунковим шляхом.

Напруженість електричного поля окремого, нескінченно довгого прямолінійного провідника, зарядженого рівномірно, виражається залежністю:

2 = 3��456 , (3.1)

де τ – лінійна густина заряду провідника, Кл/м; ε0 = 8,85·10-12 –

електрична константа; m - найкоротша відстань від провідника до точки, в якій визначається напруженість, м .

Значення струму, що проходить через тіло людини, залежить від номінальної напруги електроустановки, місця знаходження людини відносно струмоведучих частин і землі і від ряду інших факторів. Визначимо цей струм для випадку, коли людина стоїть безпосередньо на землі в струмопровідному взутті, попередньо прийнявши наступні умови і допущення: тіло людини представляємо рівному йому по висоті і об'єму половиною витягнутого еліпсоїда обертання з півосями а і b, яка стоїть на землі так, що велика піввісь її перпендикулярна поверхні землі (рис. 3.1).

17

Рис. 3.1. Розміщення на землі в електричному полі половини

еліпсоїда обертання, еквівалентного за об’ємом і висоті тілу людини середнього зросту

Розміри напівеліпсоїда, еквівалентного тілу людини, визначаємо виходячи з умови, що вони відповідають висоті і об'єму тіла людини середнього зросту: lh = 1,7 м і Vh = 0,068 м3. Довжина великої півосі а згідно з прийнятим допущенням дорівнює 1,7 м, а довжина малої півосі становить 0,14 м .

Розрахунок струму Ih, що проходить через тіло людини, здійснюється з виразу:

�7 = 28� �9:;��:<= /�

, (3.2)

Для людини середнього зросту:

�7 = 11,4 ∙ 10/>2 , (3.3)

Потужність електричного поля Ph, що поглинається тілом людини дорівнює:

?7 = �7� �9�@�A:, (3.4)

Ступінь негативного впливу електричного поля промислової частоти на організм людини можна оцінити по кількості поглинутої тілом енергії електричного поля, по струмові, що проходить через нього в землю, і, нарешті, по напруженості поля в місці, де знаходиться людина.

Допустиме значення струму, який тривалий час проходить через людину і обумовлений впливом електричного поля, як показали

18

дослідження і досвід роботи в електроустановках становить ставлять приблизно 50-60 мкА, що відповідає напруженості електричного поля на висоті росту людини приблизно 5 кВ/м. Встановлено також, що якщо при електричних розрядах, які виникають в момент дотику людини до металевої конструкції, що має інший, ніж людина, потенціал, встановлений струм не перевищує 50-60 мкА, то людина, як правило, не має больових відчуттів.

Нижче наводяться гігієнічні норми часу перебування людини без засобів захисту в електричному полі електроустановок протягом доби, встановлені в залежності від напруженості поля в зоні, де буде знаходитися людина.

Таблиця 3.1 Норми часу перебування людини в електричному полі

електроустановок промислової частоти протягом однієї доби

Напруженість електричного поля, кВ/м

До 5 5-10 10-15 15-20 20-25

Допустимий час перебу-вання люди-ни в полі, хв.

Без обмежень

180 90 10 5

Ці норми обов'язкові для персоналу, що обслуговує електроустановки 50 Гц надвисокої напруги - 330 кВ і вище.

3.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). Визначити струм, який стікає в землю через тіло людини, що знаходиться поблизу повітряної лінії електропередачі (ЛЕП) надвисокої напруги, де напруженість електричного поля на рівні зросту цієї людини Е = 15 кВ/м (рис. З.2). Прийняти ріст людини (підлітка) а = 1,2 м; вага тіла G = 43 кг; густина тіла людини (середнє значення) ρ = 1,05 г/см3.

19

Рис. 3.2. . Розміщення на землі в електричному полі ЛЕП напівеліпсоїда обертання, еквівалентного по висоті і об'єму тіла людини

Рішення. Визначимо розміри половини еліпсоїда, еквівалентного

тілу людини, знаючи висоту і об'єм тіла людини:

B = C@DE��9 ,

F7 = G� = �@

�,�1∙��HI = 4,09 ∙ 10/@м@ ,

B = C@∙�,�>∙��H:��∙�,� = 0,127м.

Визначаємо коефіцієнт деполяризації еліпсоїда вздовж осі обертання:

L9 =M

√M� − 1 ��OM + √M� − 1P − 1M� − 1 =

=9,45

Q9,45� − 1 �� R9,45 + Q9,45� − 1S − 19,45� − 1 = 0,0221

де k = a/b = 1,2/0,127 = 9,45.

Струм, який проходить через людину, дорівнює:

�7 = 28� B�T

L9 = 15 ∙ 10@ ∙ 8,85 ∙ 10/�� ∙ 0,127� ∙ 3140.0221 = 95,57мкА

20

Задача 2. Людина протягом деякого часу перебувала поблизу ЛЕП надвисокої напруги без застосування засобів захисту від впливу електричного поля промислової частоти. При цьому напруженість електричного поля на рівні висоти її зросту становила 4,7 кВ/м.

Дано: висота тіла людини 153 см; маса тіла людини 47 кг; густинаь тіла людини становить 1,05 г/см3; питомий електричний опір тіла людини 10 Ом м. Необхідно визначити потужність електричного поля, спожиту тілом людини.

Вказівки: при розрахунку слід замінити тіло людини рівною йому по висоті і об'єму половиною витягнутого еліпсоїда обертання (див. рис. 3.2). Відповідь – 0,42·10-6 Вт .

Задача 3. Визначити енергію електричного поля промислової частоти, поглинену тілом людини, яка працювала у відкритому розподільному пристрої (ВРП) протягом 4 год. стоячи безпосередньо на землі в струмопровідному взутті без будь-яких засобів захисту від впливу електричного поля. При цьому напруженість електричного поля на рівні висоти її зросту становила 5 кВ/м.

Дано: зріст людини 1,8 м; маса 97 кг; густина тіла 1,05 г/см3; питомий електричний опір тіла людини 10 Ом м.

Вказівки: при розрахунку слід замінити тіло людини рівною йому по висоті і об'єму половиною витягнутого еліпсоїда обертання (див. рис. 3.2). Відповідь – 0,01 Дж .

4. Розрахунок небезпечних факторів при виконанні робіт під

напругою понад 1000 В

4.1. Теоретичні відомості

У нашій країні знайшов застосування так званий пофазний ремонт повітряних ліній електропередач, тобто ремонт відключеної фази, в той час як дві інші фази залишаються в роботі і забезпечують електропостачання споживачів. Таким методом виконують різні види робіт як на ЛЕП, так і на підстанціях, у тому числі ремонт і заміну опор, проводів, вимикачів і обладнання, а також ревізії та профілактичні випробування. Роботи ведуть звичайними способами, тобто так само, як і при відключенні всіх трьох фаз лінії, але лише на одній (відключеній) фазі.

21

При пофазному ремонті персонал, який виконує роботи на відключеній фазі, знаходиться в умовах підвищеної небезпеки ураження струмом з наступних причин: наявність на відключеному проводі значного потенціалу, обумовленого електростатичним і електромагнітним впливом залишених в роботі проводів; близькість проводів лінії, що знаходяться під робочою напругою; виникнення електричної дуги, спричиненої ємнісним струмом при накладанні та знятті тимчасового заземлення на відключений провід та ін. Зазначені обставини визначають особливості пофазного ремонту і вимагають прийняття спеціальних заходів, що забезпечують безпечні і високопродуктивні умови роботи ремонтного персоналу.

Головне з цих заходів - зниження до безпечного для людини значення потенціалу відключеного проводу лінії на місці виконання робіт шляхом дотримання особливих умов його заземлення. Разом з тим повинна бути безпомилково визначена довжина ділянки лінії, на якій ремонтному персоналу буде забезпечена безпека дотику до відключеного провідника допустимою напругою дотику.

Особи, які виконують роботи, зобов'язані дотримувати певні безпечні відстані до проводів лінії, що знаходяться під напругою. Накладення і зняття переносного заземлення з відключеного провідника слід здійснювати за допомогою спеціального пристрою - штанги-гасника.

Виконання робіт при пофазному ремонті ЛЕП має доручатись спеціально навченим особам при постійному нагляді виконавця робіт. Пофазнний ремонт дозволяється проводити на одноколових і двоколових ЛЕП 35-220 кВ з будь-яким розміщенням проводів, але за умови, що відстань від проводів, які знаходяться під напругою, до осі стійки дерев'яної опори або стійки металевих і залізобетонних опор становить не менше 1,5 м на лініях напругою до 110 кВ включно і 2,0 м на лініях 150 кВ і 2,5 м на лініях 220 кВ.

Дотик до заземленого проводу (рис. 4.1, б) можна розглядати як вторинне заземлення проводу через тіло людини.

В даному випадку напруга дотику Uпр визначається рівнянням 4.1:

22

Рис. 4.1. Схема електричних контактів при дотику людини до відключеного проводу: а - провід не заземлений, б-провід заземлений

Wпр = Wф;Z<=[E

C\;*Z<=/Z=5,�[E]�:0R^E_^з^з S�: , (4.1)

де cab – взаємна ємність провідника відносно землі, Ф; cb0 – ємність провідника відносно землі, Ф; l – довжина провідника, м; Rз – опір заземлення, Ом; Uф – фазна напруга.

Струм, який проходить через тіло людини, дорівнює:

�7 = Wф �7` = WфTa9A� , (4.2)

Струм, що стікає в землю, визначаться із виразу:

�з = Wпр �з` = WфTс9A� , (4.3)

4.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). При підготовці до пофазного ремонту ЛЕП 35 кВ був відключений один з проводів (фаза), який підлягав ремонту. На цей провід наводився електростатичний потенціал від впливу двох що залишилися під напругою проводів.

Дано: опори лінії - П-видні (рис. 4.2) з горизонтальним розташуванням проводів, без блискавкозахисних тросів; відстань між

23

сусідніми проводами на опорі 3 м; висота кріплення проводів до гірлянд ізоляторів 12,09 м; габарит лінії (найменша відстань по вертикалі від проводу до землі) = 7 м; взаємна ємність між проводами 1,9·10-9 Ф/км; марка; розрахунковий радіус дроту 0,85 см; опір тіла людини 1000 Ом.

Потрібно: визначити напругу дотику і струм, що протікає через тіло людини при дотику її до відключеному проводу довжиною 50 км .

Рис. 4.2. Повітряна лінія електропередач

Рішення. Напругу дотику обчислюємо за формулою, яка відповідає розглянутій схемі при дотику людини до незаземлених проводів:

Wпр = Wф;Z<=[E

Q\;*Z<=/Z=5,�[E]�:0� ,

При невеликих значеннях Rh/, наприклад 1000 Ом, і l <100 км, що має місце в даному випадку, вираз у квадратних дужках під коренем значно менше одиниці, тому їм можна знехтувати. При цьому формула для обчислення напруги дотику приймає вид:

Wпр = WфTa9A��7 = 35 ∙ 10@√3 ∙ 314 ∙ 1,9 ∙ 10/> ∙ 10/@ ∙ 50000 ∙ 10@

= 603В

�7 = Wпр �7` = 2,89 10@� = 3мА ,

24

Задача 2. При пофазному ремонті ЛЕП напругою 110 кВ один з проводів був відключений від джерел живлення і заземлений в одному місці через опір = 500 Ом (рис. 4.3).

Дано: ємність проводу щодо землі 5,1·10-9 Ф/км; взаємна ємність між проводами 10-9 Ф/км; довжина відключеного проводу 87 км; опір тіла людини 1000 Ом.

Потрібно: визначити напругу дотику для людини, яка доторкується до цього проводу, і струм, що протікає при цьому через тіло людини, а також опір, при якому напруга дотику р до проводу не перевищить 42 В відносно землі, тобто буде безпечною.

Відповідь. Uпр = 560 В; Ih = 620 А; rз = 250 Ом .

Рис. 4.3. До визначення напруги дотику до відключеного і заземленого проводу ПЛ, що перебуває під електростатичним потенціалом

Задача 3. При підготовці ЛЕП до пофазного ремонту необхідно

встановлювати на відключений (що підлягає ремонту) провід два тимчасових переносних заземлення поблизу один від одного. В даному випадку одне з цих заземлень намічено приєднати до стаціонарного заземлювача сталевої опори ремонтованої ВЛ, тобто з'єднати провід з тілом металевої опори. Цей заземлювач, як показали випробування, має опір 26 Ом. Інше переносне заземлення намічено встановити на відстані декількох метрів від першого, де заземлювачем будуть служити вбиті в землю вертикальні електроди (стрижні) (рис. 4.4).

Дано: напруга ЛЕП 110 кВ; допустима напруга дотику - 42 В; довжина відключеного проводу 100 км; взаємна ємність між проводами 1,3·10-9 Ф/км; довжина зануреної в землю частини вертикального стрижня (електрода) 2 м; діаметр стрижня 0,05 м; відстань між сусідніми вертикальними електродами, встановленими в ряд, 2 м; питомий опір землі 180 Ом·м.

25

Потрібно: визначити, яким опором повинен володіти другий заземлювач, щоб була забезпечена безпека дотику монтера до відключеному проводу на ділянці виконання робіт, тобто напруга дотику не повинна перевищувати допустимого правилами значення 42 В.

Відповідь. rз = 43 Ом .

Рис. 4.4. Накладення тимчасово-го переносного заземлення на відключений провід ЛЕП під час пофазного ремонту: 1 - відключений провід ЛЕП; 2 - штанга-гасник; 3 - заземлювач (вертикальні електроди); 4 - електрод-зонд для вимірювань (за допомогою вольтметра) на-пруги щодо землі відключеного проводу

5. Розрахунок факторів враження при нещасних випадках

5.1. Теоретичні відомості

А. Без летального наслідку. Напругою дотику називається напруга між двома точками кола струму, до яких одночасно доторкується людина осіб, або, інакше кажучи, падіння напруги на електричному опорі тіла людини:

Wпр = �7�7 , (5.1)

де Ih – струм, що проходить через людину по шляху «рука-ноги». Одиночний заземлювач. Нехай обладнання, наприклад

електродвигуни, заземлено за допомогою одиночного заземлювача (електрода) (рис. 5.1). При замиканні на корпус одного з цих двигунів на заземлювачі і всіх приєднаних до нього металевих частина, в тому числі на корпусах двигунів, з'явиться потенціал. Поверхня землі навколо заземлювача також буде мати потенціал, що змінюється по кривій, залежно від форми і розмірів заземлювача (електрода).

26

Напруга дотику для людини, який торкається заземленого корпусу електродвигуна і стоїть на землі (випадок 3 на рис. 5.1), визначається відрізком АВ і залежить від форми потенційної кривої і відстані між людиною і заземлювачем (чим далі від заземлювача знаходиться людина, тим більше Іпр і навпаки). Так, при найбільшій відстані, тобто при х > 20 м (випадок 1 на рис. 5.1) напруга дотику має найбільше значення - це найбільш небезпечний випадок дотику.

Рис. 5.1. Напруга дотику при одиночному заземлювачі: І – потенціальна крива; ІІ – крива, що характеризує зміну Uпр залежно від зміни х.

Максимальні значення напруги дотику Uпр і коефіцієнта дотику αі будуть при х = ∞ , тобто при х ≥ 20 м .

Wпр69 = �з���� �� ��

� , (5.2)

αі max = 1 . (5.3)

Груповий заземлювач. Відомо, що якщо поля розтікання струмів електродів групового заземлювача накладаються одне на інше, то всі точки поверхні землі на ділянці між електродами мають потенціали, відмінні від нуля.

Як і у випадку з одиночним заземлювачем Uпр = 0 тоді, коли людина, торкаючись заземленого предмета, стоїть безпосередньо на електроді, що входить до складу групового заземлювача. Найбільші значення напруги дотику Uпр і коефіцієнта дотику αі матимуть на певній відстані від електродів, залежній від їх форми і взаємного розташування (рис. 5.2).

27

Рис. 5.2. Напруга дотику при груповому заземлювачі

Максимальні значення напруги дотику Uпр і коефіцієнта дотику αі будуть при х = 0,5S , коли людина стоїть точно посередині між електродами:

Wпр69 = �гр R1 − 4 ./-.: S , (5.4)

de69 = 1 − 4 ./-.: . (5.5)

Б. З летальним наслідком. Напругою кроку називається напруга між двома точками кола, що знаходяться одна від одної на відстані кроку, на яких одночасно стоїть людина, або, інакше кажучи, падіння напруги на опорі тіла людини:

Wк = �7�7 , (5.6) де Ih – струм, що проходить через людину по шляху «рука-ноги», А.

Одиночний заземлювач. При експлуатації захисних пристроїв від ураження струмом - заземлення, занулення та інших-треба знати в першу чергу напруги між точками на поверхні землі (або іншої підошви, на якій стоїть людина) в зоні розтікання струму із заземлювача. У цьому випадку напруга кроку - це різниця потенціалів двох точок на поверхні землі в зоні розтікання струму, які знаходяться на відстані х і х + а від заземлювача на відстані кроку одна від одної, і на яких одночасно стоїть людина (рис. 5.3).

Напруга кроку визначається відрізком АВ (рис. 5.3), довжина якого залежить від форми потенціальної кривої, тобто типу заземлювача, і змінюється від максимального значення до нуля зі зміною відстані від заземлювача.

Найбільші Uк і β1 спостерігаються при найменшій відстані від заземлювача, коли людина однією ногою стоїть безпосередньо

28

на заземлювачі, а іншою - на відстані кроку від нього. Пояснюється це тим, що потенціал навколо заземлювачів розподіляється по увігнутим кривим і, отже, найбільший перепад виявляється, як правило, на початку кривої.

Рис. 5.3. Напруга кроку при одиночному заземлювачі:

Максимальні значення Uк і β1 дорівнюють:

Wк69 = �з���� ∙ �� 9

- , (5.7)

f�69 = ��9/��-����/��- . (5.8)

Груповий заземлювач. У межах площі, на якій розміщені електроди групового заземлювача, напруга кроку менша, ніж при одиночному заземлювачі, але також змінюється від деякого максимального значення до нуля при видаленні від електродів (рис. 5.4).

Найбільша напруга спостерігається, як і при одиночному заземлювачі, на початку потенціальної кривої, тобто коли людина однією ногою стоїть безпосередньо на електроді (або на ділянці землі, під яким зарито електрод), а інший - на відстані кроку від нього (положення А і D на рис. 5.4).

29

Найменша напруга кроку відповідає випадку, коли людина стоїть на «точках» з однаковими потенціалами (положення C); в цьому випадку Uк = 0.

Рис. 5.4. Напруга кроку при груповому заземлювачі

Максимальне значення Uк дорівнюює:

Wк69 = �гр R1 − -*./-,*-09,*./-/9,S . (5.9)

5.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). На повітряної лінії електропередачі напругою 35 кВ обірвався провід і замкнувся на металеву трубу, яка лежала на землі. Дві людини, які знаходились поблизу труби, опинилися під напругою, при цьому одна з них стояла однією ногою на торці труби, а іншою ногою - на землі на відстані кроку від торця труби.

Дано: довжина труби 10 м; діаметр труби 0,1 м; довжина електрично пов'язаних повітряних ліній електромережі 35 кВ, частиною яких є пошкоджена лінія, 210 км; питомий опір землі 150 Ом м; опір тіла 1000 Ом; довжина кроку людини 0,8 м.

Потрібно: обчислити коефіцієнти напруги кроку β1 і β2, а також напругу кроку потерпілого, який стояв однією ногою на трубі.

30

Вказівки: вважати, що труба занурена в землю на половину її діаметра, внаслідок чого поздовжня вісь труби лежить на поверхні землі; опір взуття потерпілого прийняти рівним нулю.

Рішення. Напруга кроку знаходимо за формулою

Wк = �зf�f� ,

де ψз – потенціал заземлювача (труби).

�з = �з ��g �� R�g� S ,

де L – довжина лінії пошкодженої ЛЕП; d – діаметр труби. При визначенні коефіцієнтів β1 і β2 слід мати на увазі, що людина

стоїть однією ногою на трубі, не торкаючись землі, а іншою - на землі, на відстані кроку а від першої.

Коефіцієнт β1 для розглянутого випадку обчислюється залежністю:

f� = *� − � 09, �з� .

Оскільки потенціал першої ноги φх = φз , отримаємо:

f� = *1 − � 09, �з� ,

Потенціал підошви другої ноги виражається рівнянням потенціальної кривої заземлювача (труби) по її поздовжній осі:

� 09 = �I���g �� �* 09,0g

�* 09,/g ,

Рахуємо значення β1:

f� = 1 −hIi:jk��:

*5.l_m5_m,_m5:*5.l_m5_m,Hm5hIi:jk��:∙m55,m

,

Значення β2 дорівнює:

f� = �7 �7 + 2�н� = �7 �7 + 3�� ,

де Rн = 3ρ

31

f� = ����*����0@∙�1�, = 0,69 .

Визначаємо крокову напругу:

Wк = �зf�f� = 2� �1��∙�� �� R�∙���,� S ∙ 0,77 ∙ 0,69 = 282 В .

Задача 2. На повітряній лінії електропередачі з металевими опорами круглого перерізу сталося замикання фазного проводу на тіло опори (рис. 5.5). При цьому впливу струму піддалися дві людини: перша, що йде до опори, на яку відбулося замикання, і знаходиться на відстані х1 від неї, і друга, яка торкається металевої стійки огорожі, закріпленої в землі і віддаленої від центру опори ПЛ на відстані х2.

Дано: струм, що стікає з опори в землю, дорівнює 50 А; заглиблення опори в землю 2 м; діаметр опори 0,2 м; питомий опір землі 100 Ом м; опір тіла людини 1000 Ом; довжина кроку 0,8 м; відстані: х1 = 2 м; х2 = 4 м, b = 1,0 м, х3= 45 м.

Потрібно: визначити напругу кроку для першої людини і напругу дотику для другої людини; в обох випадках врахувати опори підошви, на яких знаходилися ці люди.

Відповідь. Uк = 54 В; Uпр = 32 В .

Рис. 5.5. Випадок впливу електричного струму на людей, які опинилися поблизу металевої опори ПЛ, на яку сталося замикання проводу: 1 - опора лінії круглого перерізу; 2- металева стійка забору

Задача 3 (з рішенням). На кінцевій опорі - дерев'яному стовпі

повітряної лінії електропередачі 380/220 В стався обрив нульового робочого проводу, що йде в освітлювальну арматуру зовнішнього освітлення, встановлену на цій опорі. Внаслідок цього лампа в арматурі згасла. Електромонтер, щоб усунути пошкодження, піднявся на

32

висоту металевою приставки (пасинка) до опори і взявся за кінець обірваного нульового дроту, що йде від світильника (рис. 5.6). При цьому він був смертельно уражений струмом. Розслідування нещасного випадку показало, що освітлювальна лінія - фазний провід, від якого живилася лампа, не була відключена, але внаслідок обриву нульового проводу лампа не горіла і обірваний його кінець, якого торкнувся електромонтер, був під напругою щодо землі 220 В. У момент дотику до проводу електромонтер стояв обома ногами на приставці до опорі - відрізку залізничного рейки, заглибленому в землю.

Дано: опір тіла людини 1000 Ом; опір взуття 800 Ом; опір заземлення нейтралі живлячого трансформатора 8 Ом; питомий опір землі 90 Ом м; довжина ділянки рейки, заглибленого в землю, ,5 м; потужність лампи в світильнику 200 Вт .

Потрібно обчислити струм, який вразив електромонтера. Вказівки: при розрахунку відрізок рейки прийняти подібним до

сталевих стержнів діаметром 0,1 м.

Рис. 5.6. Ураження електромонтера струмом при спробі усунути обрив нульового робочого проводу на ЛЕП 380/220 В

Рішення. При дотику електромонтера до обірваного проводу

утворилося замкнуте коло послідовно з'єднаних опорів: лампи розжарювання rл, тіла людини Rh, взуттія Rоб, стрижневого електрода (рейки) rз i нейтралі трансформатора r0.

Опір лампи дорівнює:

л = Wф�/? ,

33

де Pл- потужність лампи. Опір електрода визначається по формулі:

@ = p��g �� �g

� = >���∙�,1 �� �∙�,1

�,� = 39Ом .

Струм, що протікає по цьому колі, є шуканим вражаючим струмом:

�7 = Wф *л + �7 + �об + @ + �, =`

= 220 *242 + 1000 + 800 + 39 + 8, = 0,105s� . Задача 4. На повітряній трифазній лінії електропередач (ПЛ) з

заземленою нейтраллю стався обрив поводу, який впав на металеву півкулю, що лежить на землі. Людина, яка стоїть на землі і торкається в цей час до заземленого корпусу споживача електроенергії, була смертельно уражена струмом (рис. 5.7).

Дано: радіуси півкулі 0,5 м; відстань від центру півкулі до точки, на якій стояв потерпілий, 2 м, = 1 м; питомий опір землі 200 Ом м; опір тіла людини 1000 Ом ; що струм, що стікає з обірваного проводу в землю через півкулю 63 А.

Потрібно: обчислити напругу дотику, під яким виявився потерпілий, з урахуванням опору розтіканню струму в землю з ніг людини (опору підошви).

Вказівки: предмет, якого торкався обірваний провід, слід уподібнити півкулі лежить на землі, а заземлювач нейтралі мережі прийняти також у вигляді півкулі.

Рис. 5.7. Ураження людини електричним струмом з летальним результатом при обриві проводу ПЛ

34

6. Розрахунок захисного заземлення

6.1. Теоретичні відомості

Захисне заземлення - це зумисне електричне з’єднання із землею металевих неструмоведучих частин електрообладнання, які можуть виявитись під напругою.

Призначення захисного заземлення - усунення небезпеки ураження людей електричним струмом при появі напруги на конструктивних частинах електрообладнання, тобто при замиканні на корпус.

Захисна дія заземлення полягає у зниженні напруги дотику, що досягається шляхом зменшення потенціалу на корпусі обладнання відносно землі або внаслідок малого опору заземлення.

Згідно ПУЕ захисне заземлення виконують у наступних випадках: 1) при напрузі зміного струму 380 В і вище та постійного струму 440В, і

вище — в усіх електроустановках; 2) при номінальній напрузі змінного струму 42 В і вище та постійного

струму вище 110 В - в електроустановках, що розміщені в приміщеннях із підвищеною небезпекою, в особливо небезпечних, а також у зовнішніх установках;

3) при будь-якій напрузі змінного чи постійного струму - у вибухонебезпечних установках.

Заземлюючим пристроєм називають сукупність заземлювача (металевого стержня чи групи металево з’єднаних між собою стержнів, які знаходяться у безпосередньому контакті з ґрунтом) і заземлюючих провідників, що з’єднують заземлюванні частини електроустановки із заземлювачем.

В залежності від розташування заземлювачів по відношенню до заземлюючого обладнання заземлення бувають виносні (або зосереджені) і контурні (або розподілені). Виносні заземлювачі розміщують на деякій відстані від обладнання, що підлягає заземленню, а контурні - за контуром на деякій відстані від нього.

Заземлювачі можуть бути природними та штучними. Природний заземлювач - це заземлювач, для якого використовуються

електропровідні частини будівельних і виробничих конструкцій та комунікацій. В якості природних заземлювачів застосовують прокладені в землі водопровідні та інші металеві трубопроводи, металеві конструкції, що мають контакт із землею, прокладені в землі оболонки силових електричних кабелів та ін.

35

Природні заземлювачі мають переважно малий опір розтіканню струму, тому використання їх в якості заземлювачів дозволяє заощаджувати значні кошти. Недоліком природних заземлювачів е їх повна доступність та можливість порушення неперервності з’єднання протяжних заземлювачів.

Для влаштування штучних заземлюючих пристроїв використовують сталеві вертикально закладені в землю труби діаметром 30...50 мм і товщиною стінок не менше 3...5 мм, довжиною 2,5...З м; металеві стержні діаметром 10... 12 мм довжиною до 10 м; кутникову сталь 40×40 мм довжиною 2,5...5 м та ін.

Заземлені провідники повинні мати між собою надійний електричний контакт. Їх з’єднують зварюванням. До корпуса електрообладнання заземлюючий провідник приєднують надійним болтовим з’єднанням.

Заземлюючий пристрій повинен мати досить малий опір. Він складається з опору заземлювача відносно землі, опору заземлювача як металевого провідника, та опору заземлюючих провідників, які з’єднують заземлювач із корпусом обладнання. Опір заземлюючого пристрою залежить від питомого опору ґрунту, типу, розмірів, кількості та взаємного розміщення електродів.

Відповідно до ГОСТ 12.1.030-81 та норм ПУЕ допустимий загальний опір заземлюючих пристроїв, які влаштовані в мережах напругою 380/220 В, повинен бути не більшим за 4 Ом.

Розрахунок заземлюючих пристроїв виконується в такій

послідовності:

1. Вибираємо тип заземлювача, його геометричні розміри, розташування й глибину закладення у ґрунт.

2. Визначаємо опір одиночного заземлювача по формулі (із табл. 6.1. 3. Визначаємо наближене значення кількості заземлювачів за формулою:

� = [tuv[допxy , (6.1)

де Rос - опір одиночного вертикального заземлювача, м; [Rдоп] - допустимий опір заземлюючого пристрою, [Rдоп] = 4 Ом; θ - коефіцієнт використання заземлювача (для орієнтовних розрахунків приймаємо θ =1).

4. Приймаємо схему розташування одиночних стержневих заземлювачів у плані (в рядок або по контуру) і визначаємо відстань між одиночними заземлювачами із співвідношення:

а = (1…3)·l , (6.2)

36

Таблиця 6.1 Визначення опору одиночного заземлювача

37

5. Визначаємо довжину стальної з’єднувальної штаби:

lT = a·n - при розташуванні вертикальних заземлювачів по контуру;

lT = a·n - при розташуванні вертикальних заземлювачів в ряд.

6. Визначаємо опір розтіканню струму з’єднувальної стальної штаби R’г за формулою, як для горизонтального заземлювача:

�㒠= ����{ ��

��{:�7 , (6.3)

6. При визначенні загального опору всього заземлюючого контуру необхідно враховувати взаємний екрануючий вплив одиночних вертикальних заземлювачів і горизонтальних з’єднувальних штаб за допомогою коефіцієнтів використання θв і θг (табл. 6.2).

Таблиця 6.2

Коефіцієнти використання вертикальних заземлювачів θв і горизонтальних з’єднувальних штаб θг

Кількість вертикальних стержнів

Відношення a/l 1 2 3

θв θг θв θг θв θг 1 2 3 4 5 6 7

При розташуванні штаби по контуру 4 0,69 0,45 0,78 0,55 0,85 0,70 6 0,62 0,40 0,73 0,48 0,80 0,64 8 0,58 0,36 0,71 0,43 0,78 0,60 10 0,55 0,34 0,69 0,40 0,76 0,56 20 0,47 0,27 0,64 0,32 0,71 0,45 30 0,43 0,24 0,60 0,30 0,68 0,41 50 0,40 0,21 0,56 0,28 0,66 0,37 70 0,38 0,20 0,54 0,26 0,64 0,35 100 0,35 0,19 0,52 0,24 0,62 0,33

При розташуванні штаби в ряд 3 0,78 0,80 0,86 0,92 0,91 0,95 4 0,74 0,77 0,83 0,89 0,88 0,92 5 0,70 0,74 0,81 0,86 0,87 0,90 6 0,63 0,71 0,77 0,83 0,83 0,88 10 0,59 0,62 0,75 0,75 0,81 0,82 15 0,54 0,50 0,70 0,64 0,78 0,74 20 0,49 0,42 0,68 0,56 0,77 0,68

38

7. Опір розтіканню зарядів у вертикальних заземлювачах з врахуванням екрануючого впливу з’єднувальної штаби визначається за формулою:

�в = [ос�∙yв. (6.4)

8. Опір розтіканню зарядів у горизонтальних штабах, що з’єднують між собою вертикальні заземлювачі, з врахуванням екрануючого впливу вертикальних заземлювачів, визначаємо за формулою:

�г = [г’yг . (6.5)

Якщо Rзаг > [Rдоп], то необхідно збільшити кількість вертикальних заземлювачів або прийняти більшу відстань між ними і знову визначити Rзаг.

6.2. Варіанти завдань

Задача 1 (з рішенням). Розрахувати заземлюючий пристрій трансформаторної підстанції 10/0,4 кВ насосної станції, розташованої у першій кліматичній зоні. Від підстанції відходять три ведучі лінії 380/220 В, на яких намічено виконати 6 повторних заземлень нульового проводу. Питомий опір ґрунту при оптимальній вологості 120 Ом·м. Заземлюючий контур виконаний у вигляді прямокутного чотирикутника шляхом закладення в ґрунт вертикальних стальних стержнів довжиною 3 м і діаметром 12 мм, з’єднаних між собою стальною штабою 40×4 мм. Глибина закладення стержнів 0,8 м. Струм замикання на землю на стороні 10 кВ І3 = 8 А (рис. 6.1).

Рішення. В установках напругою до 1000 В із заземленою нейтраллю опір заземлюючого пристрою, до якого приєднується нейтраль трансформатора, повинен бути не більшим 4 Ом. Так як заземлюючий пристрій, що розраховується, одночасно використовується для електроустановки напругою понад 1000 В (трансформаторна підстанція 10/0,4 кВ) з малим струмом замикання на землю (І3 = 8 А < 500 А), то допустимий опір заземлюючого пристрою визначається за формулою

6.7 .

39

За допустимий опір заземлення приймаємо менше із значень: - отриманих при розрахунку по формулі (6.7) - або необхідного для заземлення електроустановок напругою до

1000 В (4 Ом).

Рис. 6.1. Схема заземлюючого пристрою трансформаторної підстанції: 1 - запобіжники; 2 - електродвигун; 3 - з’єднувальна штаба; 4 - заземлювач

Визначаємо опір одиночного вертикального стержня за формулою:

де l - довжина стержня, м; ρ - питомий опір грунту Ом·м; d - зовнішній діаметр стержня, м; t - відстань від поверхні грунту до середини заземлювача, м .

Визначаємо орієнтовну кількість вертикальних стержнів по формулі (6.1):

� = ���·� = 10,5 .

Приймаємо п = 12 стержнів, виходячи з умови задачі (заземлюючий контур виконаний у вигляді прямокутного чотирикутника).

Приймаємо схему розташування вертикальних заземлювачів по контуру з відстанню між суміжними заземлювачами (рис. 6.2).

6.8 ,

.

40

Визначаємо довжину стальної з’єднувальної штаби:

Рис. 6.2. Схема розташування вертикальних заземлювачів

a = 2l = 2·3 = 6 м l – довжина стержня, м

Визначаємо опір стальної штаби, яка з’єднує стержневі заземлювачі, за формулою (6.3):

Визначаємо опір групи стержневих заземлювачів із врахуванням

екрануючого впливу з’єднувальної штаби (6.4):

коефіцієнт використання стержневого заземлювача дорівнює 0,69 (табл. 6.2).

Визначаємо опір розтіканню струму з’єднувальної штаби Rг із врахуванням екрануючого впливу вертикальних заземлювачів (6.5):

коефіцієнт використання горизонтального заземлювача (штаби), що з’єднує стержні і який дорівнює 0,40 (табл. 6.2).

Визначаємо загальний опір заземлюючого контуру (6.6):

Таким чином, розрахована кількість вертикальних заземлювачів

задовольняє умовам безпеки.

.

41

Задача 2. Для споруджуваної понижувальної трансформаторної підстанції 10/0,4 кВ міської кабельної мережі вирішено спорудити заземлювач контурного типу. Заземлювач буде містити 10 вертикальних електродів - відрізків кутової сталі з шириною полиці 50 мм, довжиною кожен 3 м і горизонтальний електрод - сталеву смугу перерізом 4 · 20 = 80 мм2, довжиною 50 м, що сполучає вертикальні електроди.

На підстанції будуть встановлені два трифазних трансформатори, працюючих паралельно при ізольованих нейтралях з боку вищої напруги і глухозаземлених нейтралях з боку 400 В (рис. 6.3).

Дано: довжина живильної кабельної мережі 10 кВ становить 40 км, повітряна мережа відсутня; питомий опір землі, виміряний при підвищеній вологості землі, 65 Ом м; відстані між сусідніми вертикальними електродами 5 м; глибина занурення в землю верхнього кінця вертикального електрода і глибина занурення горизонтального електрода 0,8 м.

Потрібно: розрахувати опір заземлювача з метою перевірки його відповідності вимогам ПУЕ. При цьому слід мати на увазі, що заземлювач повинен бути придатний для установок як до 1000 В, так і вище 1000 В - аж до 35 кВ, тобто його опір не повинен перевищувати 4 Ом .

Відповідь.

Рис. 6.3. Схема контурного заземлювача понижувальної

трансформаторної підстанції 10/0,4 кВ (до розрахунку

заземлювача)

Задача 3. Обчислити опір групового заземлювача в двошаровою землі, що складається з вертикальних стрижневих і горизонтальних смугових електродів (рис. 6.4).

Дано: розрахункові значення питомих опорів верхнього та нижнього шарів землі відповідно 150 і 50 Ом м; товщина верхнього шару землі 2 м; довжина вертикального електрода = 4 м; глибина заглиблення в землю верхнього кінця вертикального електрода 0,5 м.

ПІДСТАНЦІЯ

42

Відповідь. 0,58 Ом .

Рис. 6.4. Розрахункова схема (модель) заземлювача у двошаровій землі у вигляді горизонтальної квадратної решітки з квадратними сотами однакового розміру і рівномірно розміщеними по контуру сітки

вертикальними електродами

43

Література

1. Долин П.А. Основы техники безопасности в електроустановках. Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 448 с. 2. Монахов А.Ф. Защитные меры электробезопасности в електроустановках. Учебное пособие, М.: "Энергосервис", 2006г., 152 с. 3. Долин П.А., Медведев В.Т. Электробезопасность. Задачник. Москва, Гардарики, 2003, 215 с. 4. Кухнюк О.М., С.Л. Кусковець, Сурговський М.В. Практикум з охорони праці. Навч. посібник. – Рівне: НУВГП, 2011. – 266 с. 5. Кухровський П.П. Електробезпека на виробництві та в побуті. – Хмельницький, 2005. -240 с. 6. ГОСТ 12.1.002-84. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. 7. ГОСТ 12.1.009-76. Электробезопасность. Термины и определения. 8. ГОСТ 12.1.013-78. Строительство. Электробезопасность. Общие требования. 9. ГОСТ 12.1.019-79. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты. 10. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. 11. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. 12. НПАОП 40.1-1.01-97. Правила безпечної експлуатації електроустановок. 13. НПАОП 40.1-1.07-01. Правила експлуатації електрозахисних засобів. 14. НПАОП 40.1-1.21-98. Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів.