Электромагнитная совместимость.-2

61

Заземляют открытые (доступные прикосновению) металлические нетоковедущие части, на которые напряжение может попасть в результате повреждения изоляции. Это корпуса трансформаторов и других электроприемников, приводы выключателей и других коммутационных аппаратов, каркасы распределительных щитов, пультов и щитов управления,

шкафов с электрооборудованием, металлические оболочки кабелей, проводов, стальные трубы для электропроводки, тросы, на которых подвешены провода, кожухи шинопроводов, короба и лотки, арматура железобетонных опор и их проволочные оттяжки. Чтобы уравнять потенциалы в помещениях, где применяется заземление или зануление, заземляют (зануляют) также все так называемые сторонние проводящие части (строительные и производственные металлоконструкции и трубы водопровода и центрального отопления). Однако не заземляют и не зануляют: изоляторные крюки на деревянных опорах, если на них не проложен кабель с заземленной броней и не требуется заземление крюков на данной опоре для грозозащиты; металлические скобы для крепления проводов и другие детали размером не более 50х50 мм, недоступные для прикосновения; трубы для прохода через стены, в том числе при выполнении его кабелем. Не заземляют и металлические корпуса электрооборудования, установленного на заземленных или зануленных частях станков, если на опорных поверхностях предусмотрены места, зачищенные для хорошего контакта. На движущихся частях станка электрооборудование зануляют, поскольку оно отделено от неподвижной части станка смазочной пленкой.

По ГОСТ 30331.3-95 «Электроустановки зданий. Ч. 5.1. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током» требуется заземление или зануление открытых нетоковедущих частей, в

частности металлических корпусов стационарных и переносных электроприемников, в любых зданиях (производственных, жилых) независимо от степени опасности поражения током в данном помещении, если номинальное напряжение превышает 50 В переменного тока или 120 В постоянного. Если же напряжение меньше, но больше 25 В переменного тока

62

или 60 В постоянного, то так называемая защита от косвенного прикосновения (к корпусу оборудования с поврежденной изоляцией), в частности заземление или зануление, требуется в помещениях с повышенной опасностью или в особо опасных и наружных электроустановках. При меньшем напряжении заземление или зануление необходимо только во взрывоопасных зонах и для электрооборудования электросварки.

1.7.2 Расчет заземлителей

Как было отмечено выше, заземление осуществляется посредством заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и соединительных проводов. Заземлители представляют собой металлические проводники (или группы проводников, соединенных параллельно) в виде шаров, труб, стержней и пр., которые располагаются в земле и создают непосредственный контакт с ней. Причинами стекания тока в землю являются: замыкание токоведущей части на заземленный корпус электрического оборудования; падение провода на землю; использование земли в качестве провода и т.п. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала (т.е. напряжения относительно земли)

з, В, заземлившейся токоведущей части до значения з = IзRз, где Iз – ток, стекающий в землю, А; Rз – сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути, т.е. сопротивление заземлителя растеканию тока, Ом.

Множество заземлителей условно делят на две группы. К первой группе относят простые заземлители, состоящие всего из одного электрода, выполненного, например, в виде полусферы, вертикального или горизонтального кругового цилиндра, круглой пластины, тора (кольца) и т.д. (одиночные заземлители) Вторая группа включает сложные заземлители,

состоящие из различных комбинаций горизонтальных и вертикальных электродов в виде стержней, уголков, полос и т.п. (групповые заземлители). Если все электроды (элементы) сложного заземлителя расположены горизонтально и образуют в плане замкнутый контур с внутренними перемычками, то его называют заземляющей сеткой, а при наличии также и

63

вертикальных электродов – комбинированным заземлителем.

1.7.2.1 Одиночные заземлители

Строгие математические методы решения задачи об электрическом поле и основных характеристиках простых заземлителей разработаны лишь для немногих частных случаев их геометрии, например для некоторых тел вращения с осью, перпендикулярной поверхности земли: полусфера, вытянутый и сплюснутый эллипсоид, тор.

Стекание тока в землю сопровождается возникновением некоторых потенциалов на заземлителе, в земле вокруг заземлителя, а, следовательно, и на поверхности земли. Рассмотрим, от чего зависят значения этих потенциалов, как они изменяются при изменениях расстояния до заземлителя, т.е. получим уравнение потенциальной кривой.

1.7.2.1.1Шаровый заземлитель

Пусть имеется шаровой заземлитель радиусом r, м, погруженный в однородную землю на бесконечно большую глубину (т.е. можно пренебречь влиянием поверхности земли). Через этот шар в землю стекает ток Iз, который подается к заземлителю с помощью изолированного проводника (рисунок 1.27).

Запишем уравнение для потенциала , в некоторой точке объема земли С,

отстоящей от центра заземлителя на расстоянии х или, иначе говоря, уравнение потенциальной кривой. Поскольку земля однородна, ток в земле будет растекаться от заземлителя равномерно и симметрично (во все стороны) и плотность его будет убывать по мере удаления от земли. Поэтому на расстоянии х плотность тока j, А/м2 будет равна j = Iз / S = Iз/4x2. В линейной и изотропной среде плотность тока связана с напряженностью электрического поля в данной точке по закону Ома j = E/ (при этом линии напряженности совпадает с линиями плотности тока). Поскольку E = dU/dx (напряженность равна падению напряжения, отнесенного к единице длины), то

65

точки D (рисунок 1.28), можно записать

m n x2 t2 ,

а уравнение, определяющее ее потенциал, т.е. уравнение потенциальной кривой для точек на поверхности земли, имеет вид:

Потенциал заземлителя з, т.е. максимальный потенциал, будет при у = 0 и,

следовательно, при х = r (рисунок 1.28):

Если 4t2 >> r (что часто выполняется на практике), то

з I з ρ (1 r ). 4 2t

Рисунок 1.28 – Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли и его зеркальное изображение

Шаровой заземлитель на поверхности земли, т.е. заглубленный так, что его центр находится на уровне земли (рисунок 1.29), называется полушаровым заземлителем. Для такого заземлителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли (так же, как и в объеме земли) можно получить из уравнения (1.15), приняв t = 0, получим

66

Потенциал заземлителя з при радиусе заземлителя r = х, определяется из уравнения

Разделив (1.16) на (1.17), получим

з r 1x .

Обозначив Iзr = k, получим уравнение равносторонней гиперболы

k 1x .

Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения з до нуля по мере удаления от заземлителя.

Рисунок 1.29 – Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

1.7.2.1.2Стержневой заземлитель

Рассмотрим стержневой вертикальный заземлитель круглого сечения

67

длиной l и диаметром d, погруженный в землю так, что его верхний конец находится на уровне земли (рисунок 1.30). По заземлителю стекает ток Iз. Получим выражение для расчета потенциала точек на поверхности земли и потенциала заземлителя. Интегрирование по всей длине стержневого заземлителя (от 0 до l) дает уравнение потенциальной кривой

Потенциал заземлителя з определяется при х = 0,5d:

Поскольку 0,5d << l, то первым слагаемым под корнем можно пренебречь. В результате, получим

з I з ln 4l . 2 l d

Рисунок 1.30 – Стержневой заземлитель

1.7.2.1.3Дисковый заземлитель

Дисковый заземлитель – круглая пластина диаметром D, расположенная на поверхности земли, рисунок 1.31. Распределение потенциала на поверхности

68

земли вдоль радиуса диска описывается уравнением

I з arcsin D .

D 2x

Тогда потенциал заземлителя определяется при х = 0,5D и вычисляется по формуле

з I з . 2D

Рисунок 1.31 – Распределение потенциала на поверхности земли вокруг дискового заземлителя

У протяженного заземлителя круглого сечения (стержень, провод и т.п.), находящегося на поверхности земли и заглубленного так, что продольная ось его совпадает с поверхностью земли (рисунок 1.32), изменения потенциальной кривой различны в разных направлениях. Наиболее резко потенциал спад ает вдоль оси заземлителя (рисунок 1.32а) а наиболее плавно – поперек оси по линии, проведенной через его середину (рисунок 1.32б). Уравнения потенциальных кривых этого заземлителя имеют следующий вид. Вдоль оси заземлителя (по оси х):

где l и d – длина и диаметр сечения заземлителя. При l >> d (что обычно имеет

69

место в практике) уравнение упрощается и примет вид:

Потенциал заземлителя будет при наименьшем значении х, т.е. при х = 0,5l,

если з вычисляется из уравнения (1.18), или при наименьшем значении y, т.е.

при y = 0,5d – из уравнения (1.19):

з I з ln 2l .

l d

Эквипотенциальные линии на поверхности земли вокруг протяженного заземлителя приближаются по форме к эллипсам, а на большом расстоянии – к окружностям (рисунок 1.32в).

1.7.2.1.4Метод электростатической аналогии

Известно, что между соотношениями, характеризующими электростатическое поле в диэлектрике, и соотношениями, характеризующими стационарное электрическое поле постоянных токов (а с некоторым приближением – и переменных токов 50 Гц) в проводящей среде, существует формальная аналогия. На этом основан метод электростатической аналогии, позволяющий в ряде случаев (при одинаковой конфигурации проводящих тел) решать задачи поля токов, пользуясь готовыми решениями задач электростатики, и наоборот.

В частности, на основе этого метода в ряде случаев довольно просто получить формулы для расчета сопротивлений растеканию тока заземлителей отдельных типов, сопротивлений протеканию тока между электродами и т.п. При этом формула для определения сопротивления получается путем замены С на 1/R и на 1/ в соответствующей формуле, по которой рассчитывается

70

емкость тела такой же конфигурации, как и заземлитель:

R = / C,

где R, Ом, – сопротивление заземлителя растеканию тока в однородной среде с удельным сопротивлением , Ом м; С, Ф, – емкость рассматриваемой системы тел (заземлителя) в однородной среде с диэлектрической проницаемостью , Ф/м.

а

б

в

Рисунок 1.32 – Распределение потенциала на поверхности земли вокруг протяженного заземлителя круглого сечения, расположенного поверхности на земле: а – потенциальная кривая вдоль оси заземлителя;

б– потенциальная кривая в плоскости, перпендикулярной оси заземлителя

ипересекающей его в середине; в – эквипотенциальные кривые на поверхности

земли вокруг заземлителя

Для этой цели используют известные в электростатике формулы,

определяющие емкость уединенного проводника, расположенного в