Вопрос электробезопасности всегда считается актуальным. Заземляющее устройство (ЗУ) — это простое и эффективное средство обеспечения электробезопасности людей и животных. Способность заземляющего устройства обеспечивать электробезопасность обусловила его широкое распространение и применение.
Изучать зависимость сопротивления ЗУ от режимов его работы значит изучать способность ЗУ обеспечивать электробезопасность человека от поражения электрическим током в различных режимах работы ЗУ.
Под режимами работы ЗУ в данной статье следует понимать: режим первый – по ЗУ ток короткого замыкания (ТКЗ) не протекает, или режим «до протекания ТКЗ по ЗУ»; второй режим – режим «после протекания ТКЗ по ЗУ».
Обеспечение правильной и надежной работы ЗУ связано с разработкой и внедрением с оной стороны эффективных средств его диагностики, контроля и измерении его параметров, с другой, теоретических основ зависимости сопротивления ЗУ от различных факторов, в частности, от протекания ТКЗ, изменяющего режим работы ЗУ.
Человек чаще всего сталкивается с «бытовым» напряжением, величина которого 220-380 В. Сети такого напряжения согласно правилам устройства электроустановок относятся к электроустановкам напряжением до 1 кВ в сетях с глухозаземленной нейтралью (ГЗН), сопротивление ЗУ для которых должно быть не более 4 Ом [2,3].
На сопротивление ЗУ в процессе эксплуатации влияет множество факторов: коррозионное воздействие среды, материал, из которого изготовлены заземлители, качество монтажа, сопротивление земли (грунта), в которой располагается ЗУ. Сопротивление ЗУ значительно зависит от электрического сопротивления среды, в которой он находится, климатические условия оказывают воздействие на изменения таких параметров земли как влажность и температура.
Грунт, содержащий влагу, является электролитом. Величина удельной электропроводности электролита зависит от ряда факторов: природы электролита, температуры, концентрации. Зависимость удельной электропроводности от концентрации раствора представлена на рисунке 1.
1 – H2SO4; 2 – KOH; 3 – CH3COOH
Рисунок 1. Зависимость удельной электропроводности электролитов от концентрации
Геологическое строение в месте проведения эксперимента характеризует его наличием верхнечетвертичных субаэральных сложного генезиса покровных лессовых отложений Приобского плато: суглинки, супеси (данные Научно-справочного атласа г. Барнаула, издание ФГУП «ПО Инжгеодезия», 2007 год).
Как видно из рисунка, с увеличением концентрации удельная электропроводность растворов сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения, затем начинает уменьшаться. Эта зависимость очень чётко выражена для сильных электролитов и значительно хуже для слабых. Наличие максимума на кривых объясняется тем, что в разбавленных растворах сильных электролитов скорость движения ионов мало зависит от концентрации, и κ сначала растет почти прямо пропорционально числу ионов; с ростом концентрации усиливается взаимодействие ионов, что уменьшает скорость их движения.
С увеличением влажности почвы увеличивается концентрация электролита в почве. Известно, что влажность грунта очень сильно влияет на скорость почвенной коррозии, превращая почву в электролит [6].
Максимальная скорость почвенной коррозии наблюдается при влажности грунта 15 – 25%. Это объясняется уменьшением омического сопротивления коррозионных элементов. Это позволяет предположить, что именно при этих значениях влажности омического сопротивление грунта будет минимальным, и, следовательно, электролиты почвы — сильные электролиты.
Но не только климатические условия способны изменять эти параметры, но и протекание тока КЗ по ЗУ, проходя через которое, вызывает его нагрев. Изменения содержания влаги и изменения температуры грунта существенно влияют на его сопротивление. Грунты любого рода в абсолютно сухом состоянии обладают большим удельным сопротивлением, и, следовательно, практически не проводят электрический ток. Если же грунт увлажнить, то сопротивление его уменьшится в десятки, а то и сотни раз. Но, превышение влаги в грунте более, чем на 80 % увеличивает его сопротивление. Удельная электропроводность растворов электролитов с увеличением температуры возрастает, что вызвано увеличением скорости движения ионов за счет понижения вязкости раствора и уменьшения сольватированности ионов. Поэтому грунты обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления: с ростом температуры его удельное сопротивление уменьшается. Эта закономерность сохраняется пока влага не начнет испаряться, что сопровождается резким увеличением сопротивления [5]. Протекание ТКЗ изменит температуру и содержание влаги в области переходного контактного сопротивления «заземлитель — проводник» и в области прилегающего около заземлителей объема грунта. Все это приведет к изменению параметров ЗУ и поставит под вопрос электробезопасность людей.
Для изучения влияния протекания ТКЗ на сопротивление ЗУ был спроектирован, смонтирован и проверен контур ЗУ для частного дома по адресу: г. Барнаул, ул. Полярная, д. 38. Использовались поверенные приборы: ИС-10, MRU-101, MZC-200. Данный контур ЗУ был сделан для максимальной чистоты проведения экспериментов и исследований [1,4,5]. Сопротивление ЗУ составило 2,92 Ом, что не нарушило норму 4 Ом [2,3]. Схема проведения эксперимента изображена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема проведения эксперимента
Создавалось реальное КЗ на спроектированный контур ЗУ путем подключения фазного провода L (имитирующего собой защитный проводник PE) к нему от ввода в дом через автоматический выключатель SF1. Мультиметром DT-832 и токовыми клещами DT-266 проводился одновременно контроль напряжения сети в доме (петля «фаза-ноль (рабочий)») и тока в цепи «фаза-ноль (защитный)». После отключения ТКЗ проводились измерения сопротивления ЗУ прибором MZC-200 через определенные отрезки времени. Измерения были произведены в зимний период, результаты которых занесены в таблицу 1 и графически представлены на рисунке 3.
Таблица 1
Характер изменения значения сопротивления ЗУ до и после протекания по нему тока КЗ
| № опыта | Время прогрева, с | UL-N, напряжение контроля, В | IкзL-PE, А | RL-PE начальное, о.е. | RL-PE через 5 с, о.е. | RL-PE через 10 с, о.е. | RL-PE через 30 с, о.е. | RL-PE через 60 с, о.е. | RL-PE через 120 с, о.е. | RL-PE через 180 с, о.е. | RL-PE через 240 с, о.е. | RL-PE через 300 с, о.е. | RL-PE через 360 с, о.е. | RL-PE через 1200 с, о.е. |
| 11.10.2014 | 300 | 200 | 67,9 | 0,98 | 0,93 | 0,93 | 0,93 | 0,94 | 0,94 | 0,94 | 0,95 | 0,95 | 0,95 | 0,98 |
| 23.10.2014 | 300 | 192 | 63,5 | 0,99 | 0,95 | 0,95 | 0,95 | 0,95 | 0,95 | 0,95 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,96 |
| 30.01.2015 | 300 | 192 | 54,3 | 0,98 | 0,93 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,95 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,98 |
Значения представлены в относительных единицах от нормированного значения сопротивления.
Рисунок 3. Изменение значения сопротивления заземляющего устройства до и после протекания по нему тока короткого замыкания (в разных режимах работы) в зимний период
Из графиков, изображенных на рисунке 3 видно, что начальное сопротивление ЗУ (время после КЗ: 0 секунд) после устранения протекания ТКЗ уменьшается. Уменьшение сопротивления ЗУ объясняется сильной увлажненностью почвы во время эксперимента, что так же подтвердило предположение об увеличении сопротивления ЗУ на графике «Изменение удельного сопротивления грунта в зависимости от содержания в нем влаги», содержащегося в [5], стр. 145, рис. 336. С увеличением времени протекания ТКЗ по контуру ЗУ увеличивается изменение сопротивления ЗУ. Через некоторое время (5-7 с) сопротивление ЗУ начинает увеличиваться, о чем свидетельствует восстановление влажности и температуры грунта. После 20 минут после прекращения ТКЗ сопротивление ЗУ приходит в исходное состояние.
Из исследования сделаны выводы:
— протекание ТКЗ по ЗУ при данных условиях (параметры грунта, климатические условия и т.д.) изменяет параметры ЗУ в пределах установленных норм ( не более 4 Ом [2,3]). Заземляющее устройство в данном случае способно обеспечивать электробезопасность людей.
Исходя из вышеизложенного, необходимо продолжить дальнейшие эксперименты в направлении изучения влияния протекания ТКЗ по ЗУ в других климатических условиях и параметрах грунта.
Список литературы:
- Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок [Текст] : РД 153-34.0-20.525-00 : утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политике РАО «ЕЭС России» 07.05.2000 : ввод. в действие с 01.09.2000. – М. : СПО ОРГРЭС, 2000. – 65 с. : ил.
- Объем и нормы испытаний электрооборудования [Текст] : РД 34.45-51.300-97 : утв. Начальником Департамента науки и техники РАО «ЕЭС России» 08.05.1997 : ввод. в действие с 08.05.1997. – М. : НЦ ЭНАС, 1998. – 256 с.
- Правила устройства электроустановок [Текст] : 7 изд. : утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 08.07.2002 : ввод. в действие с 01.01.2003. – М. : НЦ ЭНАС, 2002. –461 с.
- Минаев, В. И. Заземляющие устройства электроустановок и измерение их параметров [Текст]: методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Монтаж и эксплуатация систем электроснабжения» для студентов всех форм обучения направления 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» / В.И. Минаев, А.А. Грибанов / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2013. – 23 с.
- Долин, П. А. Основы техники безопасности в электроустановках [Текст]: учебное пособие для вузов : / П. А. Долин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 448 с. : ил.
- Жук, Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов [Текст] : учебное пособие для вузов / Н. П. Жук. – М. : Металлургия, 1976. – 472 с. : ил.
- Современные проблемы электроэнергетики. Алтай – 2014 [Электронный ресурс] : сборник статей II Международной научно-технической конференции/ Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Электрон. дан. и прогр. — Барнаул: ЦЭОР АлтГТУ, 2014. — 1 электрон., опт. диск (CD-R); УДК 621.31[schema type=»book» name=»ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ОТ РЕЖИМОВ ЕГО РАБОТЫ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД» author=»Минаев Владимир Игоревич, Белицын Игорь Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]