Измерение сопротивлений изоляции и заземления

Цель работы

1. Электрическая изоляция

2. Заземление

3. Процесс растекания электрического тока в грунте

4. Напряжения прикосновения и шага

5. Измерение сопротивления заземляющих устройств и удельного сопротивления грунта

Заключение

Библиографический список электрический изоляция заземление

Цель работы: получить представление об электрической изоляции и заземлении; о процессе растекания тока в грунте Земли; о методах измерения сопротивлений изоляции, заземляющих устройств, удельного сопротивления грунта; познакомиться с упрощённым методом расчёта заземляющих устройств.

1. Электрическая изоляция

Электрическая изоляция — важнейшее средство обеспечения электробезопасности. Наиболее важной характеристикой изоляции является величина её электрического сопротивления.

Действие переменных токов меньших 0,5 мА (пороговое значение ощутимого тока), практически не ощущается организмом человека. Согласно ГОСТ 12.1.038−82* переменный ток частотой 50 Гц, протекающий через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановки и времени воздействия не более 10 мин в сутки, не должен превышать 0,3 мА.

В электроустановках используется несколько видов изоляции. Рабочая изоляция обеспечивает нормальное функционирование электроустановки. Она выбирается исходя из технических требований, поэтому надежность защиты человека не всегда оказывается приемлемой. Дополнительная (защитная) изоляция — независимая изоляция, являющаяся дополнением к рабочей изоляции и предназначенная для защиты человека от поражения электрическим током при повреждении рабочей изоляции. Двойная изоляция — это совокупность рабочей и дополнительной изоляции, при которой доступные прикосновению части электроустановки не приобретают опасного напряжения при повреждении только рабочей или только защитной (дополнительной) изоляции. Усиленная изоляция — это улучшенная с учетом требований электробезопасности рабочая изоляция, обеспечивающая такую же степень защиты от поражения электрическим током, как и двойная. Она может быть однослойной или иметь несколько слоев, конструктивно выполненных так, что каждую из составляющих изоляции отдельно испытать нельзя. Двойную или усиленную изоляцию обязательно должны иметь устройства бытового и аналогичного общего применения.

В электроустановках с двойной изоляцией должна быть полностью исключена возможность прикосновения человека к неизолированным металлическим частям устройства, которые могут оказаться под напряжением при повреждении рабочей изоляции. Электроустановки с двойной или усиленной изоляцией не следует заземлять или занулять, поэтому они не имеют соответствующих присоединительных элементов.

В качестве дополнительной изоляции наиболее широко используют пластмассовые корпуса, ручки, втулки и т. п. Однако устройство с двойной изоляцией может иметь корпус или другие части, доступные прикосновению и выполненные из металлов. В этом случае их отделяют от всех металлических конструктивных элементов электроаппарата, которые могут оказаться под напряжением (шасси, оси регуляторов, статоры электродвигателей и т. п.), изолирующими слоями.

Электрическая изоляция должна выдерживать предельно возможные в условиях эксплуатации электрические, механические и тепловые нагрузки, соответствовать требованиям электробезопасности.

Для обеспечения надежности изоляции при выборе ее материала и параметров следует учитывать ряд факторов и требований. К ним относятся вид, назначение, особенности электроустановки и ее элементов, напряжения и токи, возможные электрические перегрузки, механические, термические и химические воздействия, параметры среды, требования пожарной безопасности, малой токсичности и др.

Со временем из-за старения и негативно действующих эксплуатационных факторов (резкие перепады температуры, чрезмерная увлажненность или сухость воздуха, загрязнения среды, механические и электрические перегрузки и т. п.) параметры изоляции, влияющие на опасность поражения током, могут ухудшиться. Поэтому систематически следует проводить профилактические осмотры состояния изоляции, устранять выявленные дефекты и осуществлять контроль изоляции — измерять ее активное сопротивление.

Различают непрерывный и периодический контроль изоляции.

Непрерывный контроль постоянно осуществляется в действующей электроустановке, находящейся под напряжением, автоматическими устройствами. Устройства непрерывного контроля позволяют осуществлять постоянное наблюдение за состоянием электрической изоляции. Они могут автоматически сигнализировать о случаях возникновения каких-либо дефектов изоляции, что позволяет принять меры для быстрого поиска, устранения повреждения и исключить длительное существование опасной ситуации. Непрерывный контроль изоляции используется в сетях с изолированной нейтралью, в которых электрическая изоляция (как средство защиты от поражения током) играет исключительно важную роль.

Периодический контроль изоляции — это измерение ее активного сопротивления в установленные Правилами сроки, а также после проведения планово-предупредительных работ, ремонта, монтажа. В помещениях без повышенной опасности (в них отсутствуют химически активная среда и признаки повышенной опасности: относительная влажность воздуха более 75%, токопроводящие пыль или пол, температура воздуха более 35 ⁰С; возможность одновременного прикосновения к металлическим корпусам электрооборудования и металлическим элементам зданий, имеющих соединение с землей) периодичность измерения -1 раза в 3 года. В помещениях с повышенной опасностью, где действует лишь один из признаков повышенной опасности и отсутствуют химически активная среда и особая сырость (относительная влажность близка к 100%), измерения должны проводиться 1 раз в год. В особо опасных помещениях (в них действует не менее двух признаков повышенной опасности или же химически активная среда, или особая сырость) изоляцию контролируют 2 раза в год. Изоляцию переносного электроинструмента проверяют перед выдачей на руки для пользования, после ремонта и периодически — 1 раз в месяц.

Все измерения, связанные с периодическим контролем изоляции, должны осуществляться при обесточенном участке электрической сети и отключенных электроустановках. К токоведущим элементам, изоляция между которыми контролируется, в процессе измерения прикладывается измерительное напряжение, повышенное относительно напряжения электрической сети, что обеспечивается специальными измерительными приборами — мегаомметрами.

Мегаомметр предназначен для измерения сопротивлений и испытания на электрическую прочность (т. е. на отсутствие электрического пробоя) изоляции электрооборудования, не находящегося под напряжением. В процессе контроля в мегаомметре формируется измерительное напряжение постоянного тока, прикладываемое к объекту испытания. Величина этого напряжения регламентирована Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и может быть равной от 100 до 2500 В.

В мегаомметрах М4100, М1101 для получения измерительного напряжения используется встроенный электромеханический генератор, приводимый в действие путём вращения от руки. Скорость вращения указывается в паспорте (обычно 1−2 об/с). В приборе Ф4101 для формирования измерительного напряжения используется электронный преобразователь низковольтного напряжения элементов питания в высоковольтное со значениями о 100 до 1000 В.

В процессе измерения не следует прикасаться к соединительным проводам, клеммам и элементам испытуемой цепи для исключения протекания тока через тело работающего с прибором.

При контроле сетевых электропроводок измеряют сопротивления изоляции на отдельных, предварительно обесточенных и отсоединенных от остальной части сети участках. Под участком электрической сети в данном случае понимают её часть, расположенную между двумя смежными аппаратами защиты (плавкими предохранителями, автоматическими выключателями) или за последним из них и нагрузкой.

Перед измерениями ограничивающие участок автоматы защиты отключают, плавкие вставки предохранителей удаляют, принимают меры для разряда емкостей с целью снятия возможных остаточных зарядов. Участок сети оказывается обесточенным. В силовых цепях отключают все электроприемники (приборы, оборудование), в осветительных цепях вывинчивают (вынимают) лампы, а штепсельные розетки, выключатели и групповые щитки оставляют присоединенными.

После этого на исследуемом участке сети мегаомметром измеряют сопротивления изоляции между каждым проводом и землей (заземленным корпусом), а также между двумя любыми проводами.

Согласно ПУЭ контролируемое сопротивление изоляции на каждом участке сети с напряжением до 1 кВ должно быть не менее 500 кОм.

После окончания контроля участки сети подключают друг к другу, включают потребители и их сопротивления изоляции оказываются соединенными параллельно. Разветвленная сеть имеет большое число участков, поэтому результирующее сопротивление изоляции сети в целом может составлять, например, десятки кОм.

В электроинструментах сопротивление рабочей изоляции должно быть не менее 2 МОм, а усиленной или двойной — 7 МОм.

Выводы о соответствии сопротивлений изоляции требованиям ПУЭ делают на основе сравнения измеренных значений сопротивлений с нормативными.

2. Заземление

Заземлением называется преднамеренное электрическое соединение какого-либо элемента электроустановки (ЭУ) с землей. В зависимости от назначения различают несколько видов заземления.

Рабочее заземление предназначено для выполнения технических требований и обеспечивает нормальное функционирование ЭУ. При этом может заземляться какая-либо точка токоведущей части ЭУ, например нейтраль источника питания сети (трансформатора, генератора).

Молниезащитное или грозозащитное заземление используют для защиты от молний и атмосферных перенапряжений.

Защитное заземление специально предназначено для обеспечения электробезопасности и позволяет уменьшить напряжение, приложенное к телу человека, до длительно допустимого значения. При этом заземляют металлические нетоковедущие части (корпус) электроустановки, доступные прикосновению человека, которые могут оказаться под напряжением, например, из-за повреждения изоляции фазного проводника сети.

Заземления электроустановок различных назначений, территориально приближенных одна к другой, рекомендуется конструктивно и электрически объединять в одно общее устройство заземления.

Для реализации заземления заземляемый элемент ЭУ соединяют с помощью заземляющего проводника с заземлителем, надежно контактирующим с землей и предназначенным для отвода в неё тока.

Заземляющий проводник с двумя или более ответвлениями называется магистралью заземления. Присоединение заземляемых частей ЭУ к магистрали заземления осуществляется с помощью отдельных проводников, последовательное подключение не допускается. Соединения заземляющих проводников между собой должны выполняться посредством сварки, а для присоединения их к заземляемым частям ЭУ можно использовать также болтовые соединения.

Совокупность заземлителя и заземляющих проводников представляет собой заземляющее устройство

Заземлитель — это проводник или группа электрически соединенных проводников, непосредственно контактирующих с грунтом Земли. К заземлителю подключаются (заземляются) нетоковедущие (при нормальном режиме работы) элементы электроустановок (например, их корпуса). Различают естественные и искусственные заземлители, которые могут использоваться как отдельно, так и совместно.

Естественные заземлители — непосредственно контактирующие с грунтом Земли электропроводящие элементы коммуникаций, зданий и сооружений, специально не предназначенные для целей заземления, но используемые как заземлители. К ним относятся, например, металлические водопроводные трубы, проложенные в земле, арматура железобетонных фундаментов, обсадные трубы скважин. Запрещается использовать в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, взрывоопасных или горючих газов и смесей, а также трубопроводы, покрытые изолирующим слоем для защиты от коррозии.

Согласно ПУЭ для заземления рекомендуется в первую очередь использовать естественные заземлители.

Искусственные заземлители специально предназначены для целей заземления и обычно изготовляются из стали. Их применяют, если естественные заземлители отсутствуют или не удовлетворяют требованиям электробезопасности. Искусственные и естественные заземлители включают параллельно.

Различают одиночные (одноэлектродные) искусственные заземлители и групповые (многоэлектродные), состоящие из электрически соединённых, чаще всего вертикальных электродов, расположенных в ряд или по контуру.

Одиночный заземлитель обычно представляет стальной электрод (стержень, труба, полоса, уголок), погруженный в землю вертикально (вертикальный заземлитель) или горизонтально (горизонтальный заземлитель). Обычно используют групповые заземлители, вертикальные электроды которых подключают сваркой к соединительной полосе. Соединительную полосу, расположенную в грунте, можно рассматривать как горизонтальный заземлитель, подключенный параллельно вертикальному заземлителю, состоящему из группы вертикально погруженных в грунт электродов.

Глубиной заложения заземлителя называется расстояние от поверхности грунта до верхнего конца вертикального электрода или до горизонтального электрода (соединительной полосы). Для группового заземлителя глубину заложения выбирают в пределах 0,5 — 0,7 м.

Вертикальные электроды обычно имеют длину до нескольких метров и представляют собой стальные стержни диаметром не менее 10 мм или трубы диаметром 50 — 60 мм с толщиной стенок не менее 3,5 мм. Их погружают в грунт путем забивания, ввертывания или заглубления вибраторами. Полосовая сталь соединительной полосы должна иметь сечение не менее 48 мм² при толщине не менее 4 мм.

3. Процесс растекания электрического тока в грунте

При замыкании токоведущих элементов электрооборудования на заземлённый металлический корпус или, например, при падении токоведущего провода на землю в грунте Земли возникает процесс растекания электрического тока.

Анализ процессов растекания электрического тока в грунте лежит в основе теории заземляющих устройств и сводится к выявлению распределения потенциалов в окрестности заземлителя.

Наиболее простым является случай, когда ток замыкания I_З растекается в однородном грунте через полусферический заземлитель с радиусом r_З равномерно по всем направлениям (рис.1).

Рис. 1. Процесс растекания электрического тока в грунте

Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), которая может возникнуть между произвольной точкой с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x = ?): U_Х = ц_Х — ц_?, потенциал которой условно принимают равным нулю. Поэтому U_Х = ц_Х .

Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля E_Х = j_Х с ,

где j_Х = I_З / S_Х — плотность тока через полусферическую поверхность S_Х = 2рx², x — радиус воображаемой полусферы, с — удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление с зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта с обычно уменьшается, а при его промерзании — значительно увеличивается.

Падение напряжения в элементарном слое грунта толщиной dx dU_X = E_Xdx = j_Х сdx ={I_Зс/(2рx²)}dx.

Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от данной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до заземлителя:

(1)

Полученная зависимость показана на рис. 1.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой возникает практически заметная разность потенциала, называется зоной растекания электрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20 м от места стекания тока в землю.

Сопротивление металлического заземлителя пренебрежимо мало, поэтому потенциалы всех его точек оказываются практически одинаковыми и равными величине потенциала, образующегося в точке соприкосновения заземлителя с грунтом.

Поэтому потенциал самого заземлителя ц_З или напряжение относительно точки с нулевым потенциалом U_З определяются соотношением

U_З = ц_З = I_Зс/(2рr_З). (2)

Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя — отношение напряжения U_З к току I_З, стекающему через заземлитель в грунт: R_З = U_З /I_З = с/2рr_З .

Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта © и геометрией заземлителя (r_З). Таким образом, U_З = I_ЗR_З .

На практике часто используют групповые заземлители. Если отдельный одиночный заземлитель обладает сопротивлением R_ЗО, то сопротивление группового вертикального заземлителя определяется по формуле: R_ЗГВ = R_ЗО /(nз_В), (3)

где n — число заземлителей в группе; коэффициент з_В < 1 учитывает взаимовлияние отдельных заземлителей друг на друга, если их зоны растекания пересекаются (если расстояние между ними меньше 40 м).

Сопротивление заземляющего устройства (R_ЗУ) — сумма сопротивлений заземлителя R_З и заземляющего проводника R_ЗП: R_ЗУ = R_З + R_ЗП. Поэтому сопротивление заземляющего проводника при расчетах следует учитывать, хотя обычно выбирают R_ЗП << R_З. В ПУЭ нормируют сопротивление заземляющего устройства. В электроустановках напряжением до 1000 В R_ЗУН? 4 Ом. При мощности генератора или трансформатора до100 кВ•А R_ЗУН? 10 Ом. Если удельное сопротивление грунта с > 500 0м•м, то указанные значения R_ЗУН допускается повысить в 0,002с раз, но не более чем в 10 раз.

4. Напряжения прикосновения и шага Напряжение прикосновения U_ПР — это напряжение, приложенное непосредственно к телу человека, или падение напряжения на электрическом сопротивлении тела человека. В случае нахождения человека за пределами заземлителя (x > r_З) напряжение прикосновения определяется формулой

U_ПР = ц_З — ц_Х = I_Зс (1/r_З — 1/х) /(2р),

где ц_З — потенциал заземленного корпуса установки, к которому прикасается человек; ц_Х — потенциал основания (грунта) под человеком.

Если человек находится на заземлителе (x? r_З), то U_ПР = 0, а если он расположен за пределами зоны растекания (x > 20 м), U_ПР = U_З.

Напряжение шага (U_Ш) — это разность потенциалов между двумя точками x1 и x2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека:

U_Ш = ц_Х1 — ц_Х2 = I_Зс (1/x1 — 1/x2) /(2р),

где x1? x2.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага L_Ш = x2 — x1. По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда одна нога человека находится на заземлителе, а вторая — за его пределами на расстоянии шага.

5. Измерение сопротивления заземляющих устройств и удельного сопротивления грунта Измерение сопротивления заземляющего устройства производится периодически не реже 1 раза в год (летом при наибольшем просыхании или зимой при наибольшем промерзании грунта), после монтажа, при сдаче-приёмке, после реконструкции или ремонта электрооборудования.

Измерение сопротивления заземлителя может быть проведено различными способами. Одним из простейших является метод амперметра-вольтметра (рис. 2). Согласно данному методу измерительная цепь (рис. 2, а) содержит измерительный трансформатор ИТ, амперметр А, вольтметр В, токовый Т и потенциальный П измерительные электроды, погружаемые в грунт Земли, и собственно испытуемый заземлитель З. С помощью амперметра, А измеряется величина тока I_з, проходящего через заземлитель З и токовый электрод T, а с помощью вольтметра В — напряжение U_З на заземлителе относительно потенциального электрода П, расположенного в точке грунта с условно нулевым потенциалом. В этом случае сопротивление заземлителя

R_З = U_З /I_З.

В лабораторной работе используется переносной прибор М-416.

а б Рис. 2. Измерение сопротивления заземлителя

Схема включения прибора М-416 для измерения сопротивления заземлителя показана на рис. 2, б. Изменяя положение ручки реохорда прибора (при нажатой кнопке Кн), добиваются установки стрелки индикатора на нулевую отметку и по шкале реохорда, градуированной в омах, определяют измеряемое сопротивление заземлителя.

Рис. 3. Схема измерения удельного сопротивления грунта

Измерение удельного сопротивления грунта с помощью прибора М-416 осуществляется следующим образом (рис. 3). В исследуемом месте в грунт погружают четыре измерительных электрода T₁, П₁, П₂ и Т₂. Токовые электроды T₁ и T₂ подключаются к выходным зажимам 1 и 4 источника переменного тока, встроенного в прибор, и предназначены для создания в земле измерительного тока I_изм, а потенциальные электроды П₁ и П₂ подключаются к зажимам 2 и 3 и используются для измерения разности потенциалов (U_ИЗМ) между точками в местах их расположения.

Напряжение U_ИЗМ оказывается пропорциональным удельному сопротивлению грунта с, току I_ИЗМ и зависит от расстояний между электродами. В результате удельное электрическое сопротивление грунта определяется по формуле с = 2ра_ИЗМR, (4)

где R — показание прибора, 0 м; а_ИЗМ = 8 м — расстояние между измерительными электродами для прибора М-416.

Заключение

Применение электрической изоляции в электроустановках необходимо для достижения двух основных целей:

обеспечение работоспособности электроустановок;

обеспечение защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Защитные функции электрической изоляции заключаются в отделении человека от токопроводящих элементов изолирующим слоем (диэлектриком) с большим электрическим сопротивлением. В случае контакта человека с электрической изоляцией токопроводящих элементов электрическая изоляция позволяет, исключая непосредственный контакт человека с токопроводящими элементами, существенно уменьшить ток через тело человека.

Библиографический список Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергоатомиздат, 1984, 2003.

Охрана труда в электроустановках /Под ред. Б. А. Князевского. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 2003.