Основні теоретичні відомості
На практиці велике значення має явище розтікання електричного струму в землю з закопаних в неї металевих електродів, які називають заземлювачами. Вони служать для з´єднання з землею певних точок електричного кола, наприклад, нейтральних точок генераторів чи силових трансформаторів (робоче заземлення), а також металевих частин обладнання, що нормально не знаходяться під напругою (захисне заземлення). Опір розтіканню струму від заземлювача в землі називають опором заземлення. Він визначається практично опором землі, оскільки опором самих металевих електродів можна знехтувати. В потужних електроенергетичних пристроях при короткому замиканні будь-якої точки електричного кола на заземлені металеві частини обладнання виникають великі струми короткого замикання, які стікають в землю через заземлювач і розтікаються в ній, збираючись біля другого заземлюючого електрода. При цьому істотно знижується потенціал заземлених металевих частинвідносно землі (тобто напруга U між цими металевими частинами і віддаленими точками землі, потенціал яких можна прийняти рівним нулю) до значення, що дорівнює φ3 = U = RI, де І - струм, що стікає через заземлювач, R - опір заземлення. Це явище використовують як засіб захисту від ураження електричним струмом. Стікання струму в землю супроводжується появою на заземлювачі і в землі навколо нього певних потенціалів, що залежать від значення струму і опору заземлення. Напруга між двома точками на поверхні землі, що знаходяться на відстані кроку людини (0,8м), називається кроковою напругою. Напруга між заземлювачем і точкою землі в тому місці, де стоїть людина, називається напругою дотику. Система заземлюючих пристроїв повинна мати таку конструкцію, щоб напруга дотику і крокова напруга ніде не досягала значень, при яких через людину можуть пройти небезпечні для життя струми. Електричне поле у випадку заземлювачів простих форм може бути розраховане аналітично. Розглянемо поле заземлювача у вигляді металевої кулі радіуса , яка знаходиться настільки глибоко в землі, що впливом поверхні землі можна знехтувати (рисунок 4.1, а). Нехай до кулі за допомогою ізольованого проводу підводиться постійний струм І, який стікає в землю, а другий електрод знаходиться дуже далеко. Внаслідок симетрії в будь-якій точці землі біля кулі на віддалі r ³ ro від її центра вектор густини струму буде рівний і спрямований радіально.
Рисунок 4.1 – Сферичний заземлювач, розташований глибоко в землі (а), близько до поверхні землі (в) та напівсферичний заземлювач (б) За законом Ома в диференціальній формі напруженість електричного поля в будь-якій точці землі , де γ – питома провідність землі. Потенціал довільної точки землі
Опір заземлення
У випадку електрода в формі півкулі, розміщеного біля поверхні землі (рисунок 4.1, б), аналогічні викладки приводять до формул
Для розрахунку поля кульового електрода з врахуванням впливу поверхні землі у відповідності з методом дзеркальних зображень, заповнимо у думці повітряний простір над поверхнею землі провідним середовищем з такою ж як у землі питомою провідністю і помістимо в нього електрод, що є дзеркальним відображенням реального електрода відносно поверхні землі і струм якого за значенням та знаком дорівнює струмові реального електрода (рисунок 4.1, в). Якщо радіус кулі значно менший відстані між кулями 2h, то розраховуючи потенціал, зумовлений однією кулею, можна знехтувати спотворенням поля, викликаним іншою кулею. Тоді на основі принципу накладання потенціал довільної точки землі
де і - відстані від даної точки до центра реального і фіктивного електродів. Якщо точка знаходиться на поверхні землі, то r1 = r2 = r i
Крокова напруга
Опір заземлення
Опір заземлення для електрода у формі вертикального стрижнячитруби радіуса r (рисунок 4.2) при h >> r можна визначити за наближеною формулою [4]
Рисунок 4.2 Циліндричний заземлювач
Поле в провідному середовищі при змінному струмі внаслідок поверхневого ефекту відрізняється від поля постійного струму. При низьких частотах впливом поверхневого ефекту можна знехтувати і для розрахунку поля використовувати формули, отримані для випадку постійного струму. При складній формі заземлювача, коли теоретичний розрахунок виконати складно, використовують експериментальне дослідження поля в електролітичній ванні. Опис установки
Дослідження поля заземлювачів проводять на моделі, яка являє собою металевий бак, наповнений електролітом, що моделює землю. В електроліт занурюють різні металеві електроди – заземлювачі. Фізична природа поля моделі і об’єкту, що моделюється, однакова. Це означає, що в даній роботі використовується масштабне моделювання. Бак має достатньо великі розміри порівняно з розмірами електродів, що дає можливість зменшити вплив скінченних розмірів бака на результати вимірювань. В якості електродів використовують закріплену на тонкому стержні кулю та круглі стрижні (труби) різних діаметрів.
Рисунок 4.3 – Схема установки для дослідження електричного поля заземлювачів
Вимірювання опорів розтіканню струму в електроліті від заземлювача здійснюють за допомогою вимірювача опору заземлення. Для дослідження розподілу потенціалу по поверхні електроліту до електрода і бака підводять змінну напругу промислової частоти (рисунок 4.3) і використовують зонд та вольтметр V з великим внутрішнім опором. Значення струму, який стікає через заземлювач, змінюють резистором R і вимірюють амперметром А. Питому провідність електроліту визначають шляхом вимірювання опору R стовпчика електроліту в циліндричній посудині з електроізоляційного матеріалуміж двома металевими дисками за формулою
де l - довжина стовпчика електроліту між дисками, S – площа його поперечного перерізу. ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|