Определение наведенного напряжения: Наведенное напряжение: определение, измерение, защита

Методы измерения наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети»



В данной работе описано наведенное напряжение, его влияние на линии, напряжением 0,38/10 кВ, описаны различные способы измерения данного явления, произведен сравнительный анализ, выбран наиболее информативный способ измерения.

Ключевые слова: наведенное напряжение, методы измерения наведенного напряжения, составляющие влияния наведенного напряжения, воздушная линия под наведенным напряжением.

Наведенное напряжение — это разность потенциалов между проводящими частями электроустановок (воздушных линий (ВЛ) или электрооборудованием трансформаторных подстанций (ПС)) и точкой нулевого потенциала, возникающая вследствие влияния электромагнитного поля действующего электрооборудования на электроустановки, находящиеся в непосредственной близости, [1, 2].

Наведенное напряжение характеризуется тремя составляющими влияния:

1. Емкостное влияние. Это тип влияния, при котором на отключенной и выведенной в ремонт ВЛ возникает электрический заряд под действием электрического заряда ВЛ, находящейся под рабочим напряжением. Данное влияние полностью исчезает после заземления (с малым сопротивлением) отключенной линии хотя бы в одной точке.
2. Кондуктивное влияние. Данный тип влияния возникает на отключенной ВЛ при обрыве провода на действующей ВЛ, пересекающей отключенную ВЛ, в месте их пересечения. Проявление данного влияние весьма редко, но оно является наиболее опасным из-за возникновения больших напряжений прикосновения к заземленным опорам и механизмам.
3. Индуктивное влияние. Оно проявляется в появлении на отключенной ВЛ продольной электродвижущей силы (ЭДС) от переменного магнитного поля действующей ВЛ. Наличие поперечно емкостных и активных сопротивлений приводит к появлению напряжений «провод — земля». Индуктивное влияние возникает как на разземленной, так и на заземленной отключенной ВЛ. Индуктивное влияние создает напряжение на ВЛ при любых схемах заземления и без заземления проводов отключенной ВЛ.

Изучение проявления данных явлений необходимо начать с определения линий, находящихся под наведенным напряжением.

Воздушная линия под наведенным напряжением это такая линия ВЛ и/или воздушная линия связи (ВЛС), которые проходят по всей длине или на отдельных участках вблизи действующих ВЛ или вблизи контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока и на отключенных проводах которых при различных схемах их заземления и при наибольшем рабочем токе влияющих ВЛ наводится напряжение более 25 В.

По заданию муниципального унитарного предприятия «Рязанские городские распределительные электрические сети» (МУП РГРЭС) необходимо исследовать линии, находящиеся под наведенным напряжением. Были предоставлены перечни данных линий. В них представлены 39 линий, их наименования и характеристики, а так же наименования наводящих линий.

Наведенное напряжение является очень опасным, так как отсутствует реакция аппаратуры защиты на данное напряжение. При попадании человека под наведенное напряжение, он будет находиться под опасным влиянием, пока его не эвакуируют.

Целью работы является выбор наиболее безопасного и информативного метода измерения наведенного напряжения в сетях напряжение 10/0,38кВ.

Задачи работы:

1. Выбор методики измерения наведенного напряжения в сетях 10/0,38кВ;
2. Выбор приборов для измерения наведенного напряжения в сетях 10/0,38кВ;
3. Составление методических указаний по измерению наведенного напряжения в сетях 10/0,38кВ, обслуживаемых МУП «РГРЭС».

Теоретическая часть

Методика исследования наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ.

Измерение наведенного напряжения необходимо производить в местах, где значения наведенных напряжений наибольшие, а именно:

– в начале и конце ВЛ;

– в местах разделения двухцепных ВЛ на одноцепные;

– в точках, где изменяется расположение воздушных линий относительно друг друга;

– в местах транспозиции отключенной или наводящей ВЛ (рис.1).

Рис. 1. Максимальные значения наведенного напряжения

Существуют различные методы определения наведенного напряжения, [1–4]. Рассмотрим два метода наиболее широко применяемых в электрических сетях.

По одному из них измерения наведенного напряжения на отключенной ВЛ проводятся при нормальном режиме работы влияющей линии в период передачи наибольшей мощности. При прохождении отключенной ВЛ и ВЛС вблизи нескольких влияющих линий основное влияние на значение наведенных напряжений оказывает, как правило, линии, ближайшие к отключенной ВЛ и ВЛС, а в отдельных случаях — линии, более удаленные, но с наибольшей токовой нагрузкой, [2,4]. До начала измерений воздушная линия, на которой предусматривается проведение измерений, должна быть отключена и заземлена по концам (в распределительном устройстве (РУ)). В местах отключения должны быть заземлены все три фазы ВЛ. В общем случае измерения на отключённой ВЛ производятся с заземлением на месте измерения одновременно всех трёх фаз; при этом все установленные в месте измерения переносные заземления должны быть присоединены к одному и тому же заземлителю (опоре, заземляющему спуску) (рис.2).

Рис. 2. Измерение по первому методу

Наведенное напряжение рассчитывается по формуле:

U_{навед.макс.} = U_{навед.изм},(1)

где: U_{навед.изм.—} измеренное напряжение, В;

— наибольший рабочий ток влияющей ВЛ, А;

— ток нагрузки, влияющей ВЛ при измерении, А.

Данный метод очень сложен в использовании, так как требуется более точное определение воздействия двух и более наводящих линий, а так же определение наведенного напряжение в каждом фазном проводнике.

Рассмотрим другой метод измерения наведенного напряжения при различных схемах заземления, [2,3,4].

ВЛ отключается и заземляется, устанавливается переносное заземление на рабочем месте (в целях безопасности в рамках подготовки рабочего места), на диэлектрический коврик устанавливается переключатель и измерительные приборы, на расстоянии не менее 20 метров от опоры и других заземляющих устройств в землю заглубляется измерительный электрод, собирается схема (рис.3).

Рис. 3. Измерение наведенного напряжения при различных схемах заземления

Заземленные измерительные провода подключаются к проводам ВЛ, снимается переносное заземление, установленное на рабочем месте, с использованием изолирующих штанг и переключателя выполняется отключение заземления измерительных проводов и их поочередное соединение с измерительным прибором. Перебором вариантов заземления или разземления проводов и подключения измерительного прибора выбирается схема с максимальным значением наведенного напряжения.

Для определения значения наведенного напряжения при различных схемах заземления и без заземлений ВЛ работу продолжают в следующем порядке:

1. Отключается заземление во втором РУ и проводится измерение наведенного напряжения по схеме без заземления во втором РУ;
2. Отключается заземление в первом РУ и проводится измерение на незаземленной ВЛ при помощи киловольтметра;
3. Включается заземление в первом РУ, проводится измерение наведенного напряжения по схеме без заземления во втором РУ.

На ВЛ, имеющих более двух РУ, измерение выполняется аналогично.

По окончанию измерения рассчитывают значение максимального наведенного напряжения U_макс. при наибольшем рабочем токе влияющей ВЛ:

U_макс. =U_изм,(2)

где — U_изм — измеренное напряжение, В;

— ток нагрузки влияющей ВЛ в момент измерения, А;

— наибольший рабочий ток влияющей ВЛ, А

При прохождении ВЛ в коридоре нескольких влияющих ВЛ:

U_макс = U_изм ,(3)

где — — сумма максимально возможных значений токов, протекающих по влияющим ВЛ, А. Ее значение рассчитывается по формуле:

= ,(4)

где — — сумма максимально возможных измеренных значений токов, протекающих по влияющим ВЛ, A. Рассчитывается по формуле:

= ,(5)

Для измерения наведенного напряжения был выбран второй метод, так как он наиболее информативен и удовлетворяет требованиям безопасности. В качестве прибора для измерения был выбран прибор КНН с ИНН-15 (рис.4).

Рис. 4. Комплект измерения наведенного напряжения с ИНН-15

Вывод

1. В качестве измерения наведенного напряжения в сетях 10/0,38 кВ компании МУП РГРЭС предложен второй метод измерения.
2. Измерение при различных схемах заземления удовлетворяет информативности и необходимой точности для сравнения при предварительном расчете.
3. Данные исследования будут использованы при составлении методических указаний для электротехнического персонала МУП РГРЭС.

Литература:

1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: Учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов.–7-е изд., перераб. и доп.– М.: Высш. школа, 2008. — 528 с.
2. Стандарт организации ПАО “ФСК ЕЭС”: Методические указания по определению наведенного напряжения на отключенных воздушных линиях, находящихся вблизи действующих ВЛ. — М: ВЛ — спецэнерго, 2009. — 27 с.
3. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок РД 153–34.0–03.150–00, ПОТ Р М-016–2001. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. — 180с.
4. Целебровский Ю. Безопасность работ на ВЛ, находящихся под наведенным напряжением, Информационно-справочное издание «Новости ЭлектроТехники», Новосибирский ГТУ, URL:http://www.news.elteh.ru/arh/2008/51/07.php — 2017.

Основные термины (генерируются автоматически): наведенное напряжение, измерение, линия, рабочий ток, различная схема заземления, воздушная линия, заземление, индуктивное влияние, метод измерения, рабочее место.

Определение наведенных напряжений в сетях 0,38–10 кВ



Рассмотрены вопросы определения наведенного напряжения в электрических сетях напряжением 0,38–10кВ с использованием методического указания по наведенному напряжению на отключенных воздушных линиях, находящихся вблизи действующих линий.

Ключевые слова: воздушная линия электропередачи, наведенное напряжение, действующая линия, схема замещения.

При эксплуатации воздушных линий (ВЛ) электропередачи особое внимание необходимо уделять возможности поражения персонала, осуществляющего их техническое обслуживание и ремонт, напряжением, наведенным в отключенных линиях, проходящими вблизи действующих линий. Наведенные напряжения условно подразделяются на электростатическую (емкостное влияние) и электромагнитную (индуктивное влияние) составляющие, [1,2,3]. Электростатическая составляющая зависит от величины напряжения на ВЛ. Она обуславливается емкостными связями между проводами и землей, может достигать значений нескольких киловольт. Однако, её снижение до безопасной величины возможно за счет достаточно простых мероприятий по заземлению линий. Большинство несчастных случаев связано с воздействием электростатической составляющей наведенного напряжения, появляющейся при отсутствии заземлений на отключенной ВЛ. Чем выше напряжение влияющей линии, тем выше электростатическая составляющая. Электромагнитная составляющая определяется в зависимости от тока нагрузки на влияющей ВЛ. Она зависит от расстояний между отключенной и влияющей линиями, их длины, конфигурации участков сближения, а также параметров контура протекания тока. Электромагнитная составляющая достигает меньших значений, чем электростатическая, но снизить её ниже 25 В значительно сложнее, а в некоторых случаях невозможно. Чем выше ток нагрузки на влияющей линии, тем выше электромагнитная составляющая.

Целью работы является анализ нормативных данных о влиянии линий напряжением 10кВ, 35 кВ и 110 кВ на ВЛ 10кВ и прогнозирование по ним влияния ВЛ 10 кВ на ВЛ 0,38 кВ.

Методика исследования. Был осуществлен анализ существующей методики расчета наведенного напряжения в отключенных линиях, проходящих вблизи действующих линий. При определении значений наведенного напряжения используется схема замещения, которая представляет собой источник электродвижущей силы Е₁, сопротивление Z₁ участка ВЛ, ограниченного заземлениями на подстанции R_з1и на опорах линии (рис 1).

Рис. 1. Схема замещения для расчета наведенных напряжений на участке ВЛ, заземленной в двух точках

ЭДС Е₁, наводимая на участке ВЛ x, ограниченном двумя заземлениями, которые находятся в пределах выделенного участка, определяется [] по выражению:

где — значение расчетной функции (таблица 1), [1,2].

Значение функции F(a) приводится только для отключенной ВЛ 10–35 кВ при влиянии линий различных классов напряжений от 35 до 750кВ в зависимости от расстояния между осями ВЛ;

, м — расстояния между отключенной и i-ой ВЛ, оказывающей влияние линии;

, км — протяженность участков влияющей ВЛ, которые наводят напряжение;

кА — значения максимального тока, протекающего по i-ой влияющей ВЛ;

— множество линий, оказывающих влияние на отключенную ВЛ на рассматриваемых участках.

Значения наведенного напряжения зависит от сопротивления заземляющих устройств на рабочих местах , и определяются по выражениям, [1]:

(1)

(2)

где — сопротивление ВЛ на участке, ограниченном двумя заземлениями, установленными на расстоянии друг от друга. Коэффициент определяется по таблице 1, [1].

Результаты исследований. Значения зависят от напряжения на отключенной линии и от расстояния между ВЛ. С учетом перечисленных факторов построен график зависимости изменения наведенного напряжения в отключенной воздушной линии от расстояния между ней и воздушными линиями напряжением 10, 35, 110 кВ (рис.2).

С увеличением напряжения в сети отключенной линии при одном и том же расстоянии численное значение уменьшается, а в точке прогиба ниже всех оказывается график для ВЛ с наименьшим напряжением.

Для исследования влияния линии напряжением 10 кВ на отключенные воздушные линии напряжением 10, 35, 110 кВ находим отношения приращения наведенного напряжения к приращению расстояния между линиями и отношение этой величины к значению напряжения в сети влияющей линии.

Рис. 2. Графики зависимости наведенного напряжения в ВЛ 10, 35, 110 кВ от расстояния между линиями

С целью упрощения записи введем обозначения:

изменение приращения наведенного напряжения при приращении расстояния между линиями

= ;

удельное наведенное напряжение при приращении расстояния между линиями по отношению к номинальному напряжению линии

= .

Построены зависимости (рис. 3, рис. 4) изменения приращения наведенного напряжения для различных значений номинального напряжения линии при расстояниях между линиями от 5 до 30 м. Изображение графиков зависимости для расстояния между линиями, равного 35 м и более, бессмысленно, так как при данном масштабе линии сольются.

Зависимость имеет сложный характер. Для расстояния между линиями, равного 5 и 10 м, это убывающая функция, при больших расстояниях — возрастающая.

Рис. 3. Изменение приращения наведенного напряжения для различных значений номинального напряжения в линии

Рис. 4. График изменения удельного наведенного напряжения для различных значений номинального напряжения в линии

График изменения удельного наведенного напряжения для различных значений номинального напряжения в линии является убывающей функцией для всех значений расстояния между линиями.

По полученным линиям определены математические функции, описывающие полученные линии тренда (таблица 1):

Таблица 1

Уравнения линий тренда

Расстояние между линиями, ai, м	Уравнение для
1	y = 58, 653x-1,822
5	y = 28,969x-1,323
10	y = 11,041x-1,081
15	y = 3,8948x-0,979
20	y = 1,5751x-0,89
25	y = 1,0572x-0,935
30	y = 0,5098x-0,834
35	y = 0,2892x-0,831
40	y = 0,1937x-0,749

В уравнениях у = , х = . В каждое уравнение подставляем значение номинального напряжения , наведенное напряжение на которой нам необходимо спрогнозировать, то есть значение напряжения 0,38 кВ.

Для проверки правильности решения задачи подставим в уравнения значения напряжения соответственно, равные10, 35, 110 кВ. При этом получаем некоторую погрешность. Так, при расстоянии между линиями а = 10м и номинальном напряжении = 10кВ получаем значения напряжения соответственно по методике предложенной в [1], = 0,9, а при предлагаемом прогнозировании = 0,916. То есть погрешность составила менее 2 % (1.78 %). При других значениях расстояния между линиями и значениях напряжения погрешность в соответствии с расчетами не превышает 5 %. Такая погрешность расчета допустима.

Таким образом, подставляя сначала = 0,38 кВ, а затем изменение расстояния между линиями, получим значения наведенного напряжения при влиянии линии напряжением 10 кВ на отключенную линию напряжением 0,38 кВ. Далее, по полученным данным строим график для искомого номинального напряжения и сравниваем его с графиками зависимости влияния линии напряжением 10 кВ на линии напряжением10, 35 и 110 кВ (Рис.5).

Рис. 5. График зависимости наведенного напряжения в ВЛ 0,38 кВ при влиянии ВЛ напряжением 10, 35 и 110 кВ

Для автоматического расчёта написана программа в Microsoft Excel 2013. Она значительно упрощает вычисления (Таблица 2).

Таблица 2

Результаты расчета по программе наведенного напряжения вотключенной ВЛ 0,38кВ при влиянии ВЛ 10кВ

Расчет ЭДС
Значение коэффициента F(a)	15,816
Максимальная сила тока на ВЛ, А	10
Длина участка ВЛ, км	1
Значение ЭДС, В	158,16
Расчет Uнав
Сопротивление 1-го заземления, Ом	4
Сопротивление 2-го заземления, Ом	4
Значение коэффициента g	0,563
Расстояние между ВЛ (x),м	1
Значение Uнав, В	73,88065

Выводы

1. С увеличением напряжения в сети отключенной линии при одном и том же расстоянии численное значение напряжения уменьшается, а в точке прогиба ниже всех оказывается график для воздушной линии с наименьшем напряжением.
2. График изменения удельного наведенного напряжения для различных значений номинального напряжения в линии является убывающей функцией для всех значений расстояния между линиями.
3. При прогнозировании влияния воздушной линии электропередачи на находящуюся вблизи отключенную воздушную линию погрешность расчетов не превышает 5 %.

Литература:

1. Методические указания по определению наведенного напряжения на отключенных воздушных линиях, находящихся вблизи действующих ВЛ. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» Введ. 22.01.2009, — 2008
2. Методические указания по измерению наведенных напряжений на отключенных ВЛ, находящихся вблизи действующих ВЛ напряжением 35 кВ и выше и контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока./ Министерство топлива и энергетики РФ. Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС. Введ.1.07.1993. — 13с.
3. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013г.).

Основные термины (генерируются автоматически): наведенное напряжение, линия, номинальное напряжение, напряжение, расстояние, влияющая линия, значение напряжения, отключенная линия, удельное наведенное напряжение, влияние линии.

механизм возникновения и определение, факторы опасности и меры защиты, рекомендации

Электроремонтные работы как на высоковольтных линиях передач, так и внутри квартиры имеют повышенную опасность из-за ряда факторов. Самый опасный и распространенный — это угроза электроудара. Его причиной может быть наведенное напряжение — опасное для здоровья человека явление из-за своей скрытой природы. Для защиты от него необходимо понимать суть этого явления.

Природа явления

Возникновение побочного или наведенного напряжения в проводнике происходит по такому же принципу, как и напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Суть явления в следующем:

1. при движении электротока вокруг проводника возникает магнитное поле;
2. изменение силы тока и его направления вызывает изменение магнитного поля;
3. меняющееся магнитное поле разделяет разноименные заряды, что приводит к появлению разности потенциалов, то есть к напряжению.

Если не вдаваться в физические тонкости, напряжение наводки — это возникновение разности потенциалов в металлическом проводнике, который не подключен к источнику электротока, под действием электрического тока в расположенном рядом с ним другом проводнике. Чем ближе находятся проводники друг к другу и чем выше разность потенциалов в подключенном к сети проводнике, тем большее напряжение на изолированном проводнике.

Воздействие наведенного электротока имеет две составляющие: электромагнитную и электростатическую. Первая не составляет угрозы для жизни человека, но может сказываться на работоспособности некоторых приборов и устройств. Вторая более опасна для человека, при напряжении более 25 V принимают дополнительные меры безопасности.

Факторы опасности и меры защиты

Считается, что разность потенциалов от наводки более опасна, чем обычная. Штатные защитные устройства не рассчитаны на противодействие от нее. При работе на высоковольтных ЛЭП на отключенной линии может возникнуть разность потенциалов в несколько киловольт. Выполнение работ с вышек или работа кранов вблизи ЛЭП выполняется по допуску и с применением дополнительных защитных мер, так как на металлической части оборудования и техники может возникнуть разность потенциалов. Это грозит поражением людей электротоком и поломкой техники.

Необходимые меры безопасности прописаны в правилах техники безопасности при выполнении соответствующих работ. Самым простым и эффективным является устройство заземления отключенной линии. Для надежности заземляющий контур имеет две линии, дублирующие друг друга. При случайном обрыве одной заземление будет осуществляться по другой. Протяженные линии разбивают на отдельные участки, которые заземляются по отдельности.

Следует помнить о технике безопасности и средствах индивидуальной защиты и при проведении измерительных работ. Схема измерений собирается заранее, а потом подключается к проводникам под действующим напряжением или предполагаемом наведенном.

Требования по ТБ:

1. на руки одеваются диэлектрические перчатки;
2. на ноги — резиновые боты, прошедшие проверку и имеющие соответствующую бирку;
3. одежда должна быть сухой, все работы не должны выполняться под дождем.

Все соединительные провода должны иметь исправную изоляцию, рассчитанную на разность потенциалов не менее 1 kV. При необходимости изменения пределов шкалы измерительного прибора отсоединяют всю измерительную схему от воздушной линии.

Наводка в бытовой сети

В квартире, частном доме или офисном помещении тоже можно встретить явление наводки напряжения. Обычно провода с питанием 220 V имеют две жилы: фазу и ноль. При обрыве нулевого провода в нем появляется небольшая разность потенциалов. Если в розетке с обрывом «ноля» искать фазу индикатором напряжения, то измерительный прибор покажет ее сразу на двух контактах, а на самом деле фаза только на одном контакте, на другом — напряжение наводки.

Такая ситуация может ввести в заблуждение при выполнении электроремонтных работ в квартире. При устранении обрыва нулевого провода все приходит в норму — фаза одна и там, где ей полагается быть.

Еще одно проявление наведенного напряжения — это легкое свечение светодиодных ламп в выключенном состоянии. Светодиоды чувствительны к небольшому по величине напряжению. При наводке возникает разница потенциалов всего в несколько вольт, но этого достаточно для испускания небольшого по интенсивности светового потока светодиодами, видимого лишь в темноте.

Дополнительных мер защиты в быту от действия наводки не требуется, так как разница потенциалов в несколько вольт не составляет угрозы для здоровья человека. Обычные автоматические выключатели и устройства защитного отключения вполне справляются с потенциальной угрозой от электрического тока. Достаточно помнить о возможности неправильного определения фазного провода при обрыве нулевого.

Наведенное напряжение и меры защиты

Правилами техники безопасности (ПТБ) при эксплуатации электроустановок определены меры безопасности во время работ на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи , на которых наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий. Отдельно выделены меры безопасности при работах на таких ВЛ, когда заземление их в соответствии с общими требованиями правил не позволяет снизить уровень наводящегося на отключённых проводах потенциала ниже 25 В.

Однако продолжают иметь место случаи поражения обслуживающего персонала электрическим током наведенного напряжения, которые являются результатом недопонимания природы возникновения и механизма проявления этого напряжения. Особенность его проявления состоит в сохранении опасности поражения электрическим током при прикосновении даже к заземлённому по правилам проводу.

Известно, что на любой ВЛ, проходящей параллельно с другими ВЛ , непрерывно наводится сторонний потенциал , обусловленный взаимным влиянием электромагнитных полей этих линий друг на друга. Значение потенциала зависит от рабочего напряжения, токов нагрузки, расстояния между фазными проводами линий и длины участка параллельного их расположения.

Наведенный на каждой из таких линий потенциал (наведенное напряжение) можно условно представить в виде суммы двух составляющих: электростатической и электромагнитной.

Электростатическая составляющая наведенного напряжения на проводах отключённой ВЛ обусловлена воздействием на них электрического поля остающейся в работе соседней (влияющей) линии и при сохранении определённых ПУЭ конструктивных параметров участка параллельного следования зависит только от уровня напряжения влияющей линии. Значение этой составляющей одинаково по всей длине отключённой ВЛ (рис. 1) и определяется по формуле:

Uэ = k Uр.в.

где  k   –  коэффициент ёмкостной связи линий ;

Uр.в. – рабочее напряжение влияющей линии.

Рис. 1. Диаграмма распределения электростатической  составляющей наведенного напряжения.

 

 

Электростатическая составляющая наведенного напряжения снижается до безопасного уровня по всей длине линии при заземлении её в любой, хотя бы одной точке. Следовательно, воздействие этой составляющей полностью устраняется при заземлении отключенной ВЛ по концам (на подстанциях) и на месте производства работ согласно ПТБ.

Совсем иначе проявляет себя электромагнитная составляющая наведенного напряжения , возникновение которой обусловлено суммарным влиянием магнитных полей , создаваемых токами фазных проводов влияющей линии.

Наводимая на отключенной линии ЭДС определяется выражением:

E=MLI

где M  – коэффициент индуктивной связи фазных проводов линии при частоте 50 Гц ;

L   – длина участка параллельного следования линии ;

I  – ток нагрузки влияющей линии.

Коэффициент индуктивной связи для каждого конкретного «коридора» линий практически не меняется. В связи с этим значение наведенной ЭДС обусловлено только длинной участка параллельного следования линий и током нагрузки влияющей линии и не зависит от уровня рабочих напряжений каждой из ВЛ.

При этом потенциал (напряжение относительно земли) любой точки , например x , определяется выражением:

U=- E/L *x + E/2

где E  – наведенная на проводе ЭДС;

x – расстояние от начала линии до точки x.

Отсюда следует, что в начале линии (при x=0 ) электромагнитная составляющая наведенного напряжения Uн=+E/2, в конце линии Uк=-E/2 (при x= L) в середине линии Uср=0 (при x=L/2).

Особенностью проявления электромагнитной составляющей наведенного напряжения  является неизменность её значения независимо от того, изолирован провод от земли или заземлён в одном или даже в нескольких местах.

При изменении числа точек заземления на ВЛ меняется лишь положение точки нулевого потенциала на ней. Специфичность именно этого проявления наведенного напряжения и обусловлены требования ПТБ.

Рис. 2. Диаграмма распределения электромагнитной составляющей наведенного напряжения на отключённой ВЛ в зависимости от места установки на ней защитных заземлений.

На рис. 2 приведены характерные примеры распределения электромагнитной составляющей наведенного напряжения (потенциала) на отключённой ВЛ в зависимости от места установки защитных заземлений. Как видно из диаграмм , при однократном заземлении ВЛ точка нулевого потенциала совпадает с точкой заземления.

С учётом изложенного представлено графическое обоснование опасности организации одновременно двух и более рабочих мест на ВЛ , находящейся в зоне наведения электромагнитной составляющей напряжения. Например , бригада работает в точке С , линия согласно правилам заземлена только в одной этой точке , где напряжение равно нулю (рис.3а).

Если теперь для подготовки второго рабочего места установить защитное заземление в другой точке D , то нулевой потенциал переместится на участок между двумя этими заземлениями (рис. 3б). При этом напряжение в местах заземления (точки С и D) может превысить допустимый уровень , и работающие там люди подвергнутся опасности поражения электрическим током.

Аналогичный эффект  проявляется и при производстве работ на линейном разъединителе , находящемся под наведенным напряжением ВЛ. Заземление разъединителя со стороны линии в этом случае гарантирует электробезопасность только при условии , что эта линия нигде больше не заземлена (см. рис. 2б, д).

Если установить дополнительное заземление на каком-либо другом участке , например , включить заземляющие ножи на подстанции с другого конца линии , то уровень наведенного напряжения на линейном разъединителе в месте производства работ «подскочит» до максимума (см. рис. 2г).

 

Рис. 3. Примеры распределения электромагнитной составляющей напряжения на отключённой ВЛ при работе ремонтной бригады в различных условиях.

Проявления наведенного напряжения вынуждают эксплутационный персонал резко сокращать фронт работы на ВЛ (до одной бригады) , находящихся в зоне усиленного действия этого напряжения. Разделение линии на отдельные электрически несвязанные участки путём разрезания шлейфов также вызывает дополнительные затраты времени на поочерёдное разрезание и последующее их восстановление. Однако необходимость обеспечения безопасности линейного персонала обязывает считаться с этими фактами.

Вместе с тем одной из альтернативных мер, снимающих практически все ограничения в расширении фронта производства работ во всех случаях (при сохранении безопасности линейного персонала) , является выполнение работ под напряжением.

При подготовке рабочего места на ВЛ следует обращать особое внимание на надёжность контактов защитных заземлений с фазными проводами и заземлителем. Нельзя забывать, что при случайной потере контакта (разземлении линии) точка нулевого потенциала в то же мгновение может изменить своё местоположение , а напряжение на рабочем месте превысить допустимое значение  Uс  (рис 4). Следовательно, для гарантии безопасности в месте производства работ целесообразно устанавливать параллельно два заземления.

Рис. 4. Диаграмма распределения электромагнитной составляющей наведенного напряжения при заземлении линии в точке С и при её разземлении

 

Итак, наибольшего значения электромагнитная составляющая наведенного напряжения достигает на границах участка взаимного влияния линий (в общем случае – на отключённых линейных разъединителях). Именно в этих точках, непосредственно на спуске шины заземления линейного разъединителя или на первой от подстанции опоре, следует производить измерения при включённых с обеих концов линии заземляющих ножах.

Класс напряжения используемых для этого вольтметров необходимо подбирать по ожидаемому уровню наведенного напряжения. В первом приближении можно использовать вольтметр с пределом измерения до 0,5í1,0 кВ.

Пересчёт результатов измерения на условия максимальных нагрузок влияющей линии можно провести по формуле , полученной из соотношения:

где   Uизм – измеренное наведенное напряжение ;

Iизм   – ток нагрузки влияющей ВЛ в момент измерения ;

Iмакс  – максимальный допустимый ток нагрузки влияющей линии.

Следует отметить, что включенные заземляющие ножи, рама разъединителя, соединительные провода и вольтметр во время измерений могут находиться под опасным напряжением. В целях обеспечения безопасности персонала, производящего измерения, соединять схему измерения с фазными проводами линии следует только после сборки схемы измерения. При необходимости переключения пределов шкалы или замены вольтметра предварительно необходимо отсоединить схему измерения от провода ВЛ.

Персонал должен пользоваться диэлектрическими ботами и перчатками. Используемые при измерениях провода должны иметь изоляцию, рассчитанную на напряжение 1 кВ.

 

Способ определения величины наведенного напряжения на воздушной линии с двуцепными (многоцепными) опорами (варианты)

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для обеспечения мер безопасности персонала во время выполнения работ на отключенной одной из воздушных линий электропередачи сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах, на которой наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. — М.: ПАТЕНТ, 2008. — с. 97], так как позволяет обеспечить безопасность выполнения ремонтных работ систем транспортировки и распределения электроэнергии.

Правилами по охране труда [Межотраслевые Правила по Охране Труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок (ПОТ Р М-016-2001, РД 153-34.0-03.150-00). Утверждено Министерством труда и социального развития РФ, Министерством энергетики РФ 05.01.2001. Введено с 01.07.2001. Далее в тексте — просто ПОТ] при эксплуатации электроустановок определены меры безопасности во время работ на воздушных линиях электропередачи, на которых наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий.

Согласно ПОТ воздушные линии под наведенным напряжением — это линии, которые проходят по всей длине или на отдельных участках вблизи действующих воздушных линий или вблизи контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока и на отключенных проводах которых при различных схемах их заземления и при наибольшем рабочем токе влияющих воздушных линий наводится напряжение более 25 В. При параллельном расположении линий, сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах, наводится наибольшее по сравнению с другими расположениями линий наведенное напряжение в отключенной линии. Это также отражено в Правилах Устройства Электроустановок п. 1.7.53 [Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Утверждено Министерством энергетики РФ, приказ от 8 июля 2002 г. №204, Введено с 01.01.2003. Далее в тексте — просто ПУЭ].

Отдельно в ПОТ выделены меры безопасности при работах на таких линиях, когда заземление их в соответствии с общими требованиями правил не позволяет в месте производства работ снизить уровень наводящегося на отключенных проводах потенциала ниже 25 В. Пункт 4.15.53 ПОТ гласит: «Если на отключенной воздушной линии (цепи), находящейся под наведенным напряжением, не удается снизить это напряжение до 25 В, необходимо работать с заземлением проводов только на одной опоре или на двух смежных. При этом заземлять воздушную линию (цепь) в распределительном устройстве не допускается. Допускается работа бригады только с опор, на которых установлены заземления, или на проводе в пролете между ними».

Наведенным напряжением в данном случае называется разность потенциалов между каждым фазным проводом отключенной линии и землей, возникающая в результате воздействия переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей, создаваемых расположенными на двухцепных (многоцепных) опорах проводами работающей линии, находящейся под напряжением.

Наведенное напряжение в каждой фазном проводе отключенной линии можно условно представить в виде суммы двух составляющих: электростатической и электромагнитной. Электростатическая составляющая обусловлена воздействием электрического поля соседней работающей линии, наличием совместных емкостных связей линий и зависит от конфигурации опор, трассы и уровня напряжения работающей линии. Электростатическая составляющая наведенного напряжения снижается до безопасного уровня при заземлении ее в точке производства работ. Электромагнитная составляющая наведенного напряжения обусловлена суммарным влиянием изменяющихся магнитных и электромагнитных полей, создаваемых токами фазных проводов соседней работающей линии. Электромагнитная составляющая является функцией токов нагрузки, протекающих по фазным проводам соседней работающей линии. Это основная причина высокого уровня наведенного напряжения, а также слабой зависимости значения наведенного напряжения, определяемого электромагнитной составляющей от того, изолирован фазный провод отключенной линии от земли или заземлен в одном или даже в нескольких местах.

Значение наведенного напряжения можно получить двумя путями. Один путь — это непосредственное измерение наведенного напряжения на отключенной линии при выезде на ремонтируемый участок линии. Для этого вначале нужно установить переносное заземление проводов каждой фазы отключенной линии на месте производства работ с контурами заземления ближайших опор линии. Следующие пункты ПОТ предписывают установку заземлений на воздушных линиях:

3.6.1. Воздушные линии напряжением выше 1000 В должны быть заземлены во всех распределительных устройствах и у секционирующих коммутационных аппаратов, где отключена линия.

3.6.2. На рабочем месте каждой бригады должны быть заземлены провода всех фаз, а при необходимости и грозозащитные тросы.

Также пункт 3.6.8 ПОТ описывает процедуру установки заземлений; «Переносные заземления следует присоединять на металлических опорах — к их элементам, на железобетонных и деревянных опорах с заземляющими спусками — к этим спускам после проверки их целости. Переносное заземление на рабочем месте можно присоединять к заземлителю, погруженному вертикально в грунт не менее чем на 0,5 м».

Согласно ПУЭ, п. 1.7.19: «Заземляющее устройство — совокупность заземлителя и заземляющих проводников». Переносное заземление состоит из заземляющего спуска, к которому присоединены три межфазных провода, оснащенных штангами с зажимами для крепления к фазным проводам отключенной линии. Толщина всех гибких проводов переносного заземления позволяет кратковременно (до срабатывания защиты линии) выдержать воздействие токов короткого замыкания. Заземляющий спуск переносного заземления присоединяется к заземлителю.

Установка переносного заземления позволяет снизить влияние электростатической составляющей наведенного напряжения до безопасного уровня. Установка переносных заземлений даже с обеих сторон участка производства работ не всегда позволяет снизить значения наведенного напряжения, определяемого электромагнитной составляющей до безопасного уровня. Описанные в ПОТ и ПУЭ способы учета и снижения наведенного напряжения приняты за аналог.

Недостатком аналога является, во-первых, трудность измерения значения наведенного напряжения. Более детально измерения значения наведенного напряжения, основанные на базе ПОТ и ПУЭ, приведены в «Методические указания по определению наведенного напряжения» [СТО 56947007-29.240.55.018-2009. Методические указания по определению наведенного напряжения на отключенных воздушных линиях (ВЛ), находящихся вблизи действующих ВЛ. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 22.01.2009, далее просто СТО]. СТО предписывает следующие действия. Установить заземлитель не ближе 25 метров от линии на глубину не менее полметра. В разрыв между этим заземлителем и заземляющим спуском установить вольтметр с возможностью изменения диапазона измерения, так как в зависимости от протекающего тока во влияющей линии значение наведенного напряжения изменяется от единиц и даже долей вольта до сотен вольт и более. Другой конец заземляющего спуска со штангой последовательно прицеплять к фазам А, В и С отключенной линии и последовательно замерить значение наведенного напряжения в фазах А, В и С соответственно. Это приходится делать при аварии на линии, которые происходят при любой погоде, в любое время суток и круглый год, кроме того, почва по трассе линии самая разнообразная, например каменистая или скальные породы. Но даже на рыхлой почве зимой установить заземлитель на глубину не менее полметра дело непростое.

Во-вторых, недостатком аналога является некоторая неопределенность. Ремонтная бригада приехала на место производства работ, расположилась, установила переносные заземления и замерила значение наведенного напряжения в каждой фазе. Пусть оно не превышает 25 В. Бригада начала работу, однако во время работы нагрузка во влияющей линии могла возрасти. Это приведет к росту наведенного напряжения в каждой фазе. Значит, один из членов ремонтной бригады постоянно должен следить за величиной наведенного напряжения в каждой фазе. Пусть значение наведенного напряжения во время работы бригады превысило 25 В, и бригада это обнаружила. Тогда согласно упомянутому пункту 4.15.53 ПОТ «заземлять воздушную линию (цепь) в распределительном устройстве не допускается», то есть необходимо снять заземление в распределительном устройстве. Протяженность линий достигает десятки и сотни километров, значит в распределительном устройстве, расположенном в начале линии, находится другая бригада. Далее, значение наведенного напряжения во время выполнения работ может несколько раз изменяться, например, от 20 В до 30 В вслед за меняющейся нагрузкой во влияющей линии. И в распределительном устройстве необходимо столько же раз устанавливать или снимать заземление.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является заземление фазных проводов по концам отключенной линии и на месте производства работ.

Другой путь определения значения наведенного напряжения — это расчет величины наведенного напряжения согласно СТО. Этот способ принят за прототип.

Недостатком прототипа является, во-первых, сложность расчетов, так как используется одиннадцать формул, хотя согласно п. 2.3 СТО это называется: «упрощенная расчетная методика».

Во-вторых, для расчетов требуется большое число исходных данных, например длина воздушных линий, расстояния между осями трасс воздушных линий, наибольшие значения сопротивлений контуров заземления подстанций и опор, максимальные значения токов при аварийных режимах и др., которые, как правило, точно неизвестны, так как либо их измерение непростая задача, либо они изменяются со временем. Это приводит к большим погрешностям расчетов.

В-третьих, расчет значений наведенного напряжения на отключенной воздушной линии для сетей любой конфигурации производится по универсальной схеме замещения, параметры которой можно определить только оценочно, что также приводит к погрешностям.

Наконец, определяются только максимальные значения наведенных напряжений, а для безопасного производства ремонта воздушных линий электропередачи требуется знание текущего значения наведенного напряжения на месте производства работ.

Задачей изобретения является создание доступной, простой технологии определения величины наведенного напряжения на воздушной линии, смонтированных на двухцепных (многоцепных) опорах, которая не только позволяет в любой момент времени узнать значение наведенного напряжения на отключенной воздушной линии, но и осуществлять мониторинг величины наведенного напряжения, и своевременно оповещать выездные бригады, производящие ремонт воздушных линий электропередачи, о превышении допустимого наведенного напряжения 25 В. Это особенно важно в летний период, когда грозовые разряды приводят к перенапряжениям и скачкам тока.

Изобретение направлено на повышение безопасности персонала при выполнении работ на выведенных в ремонт воздушных линиях, за счет оперативности определения и оповещения выездной бригады факта превышения допустимого наведенного напряжения 25 В на ремонтируемой линии.

Технический результат изобретения заключается как в точном определении величины наведенного напряжения на отключенных для производства ремонта воздушных линиях электропередачи сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах от воздействия текущего значения тока нагрузки на параллельной неотключенной линии без выезда на место выполнения работ, так и в организации оперативного контроля величины наведенного напряжения в любой момент времени путем измерения текущего значения тока нагрузки на параллельной неотключенной линии, находящейся под напряжением. Этот контроль может осуществляться как на подстанциях диспетчерскими службами, так и на месте выполнения работ путем измерения с помощью высоковольтных клещей (на линиях до 10 кВ).

В первом независимом пункте формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа определения величины наведенного напряжения в каждой из фаз А, В, С отключенной и заземленной на обоих концах одной из воздушных линии, сооруженной на двухцепных (многоцепных) опорах, от воздействия переменного электромагнитного поля, создаваемого токами, протекающими в фазных проводах другой работающей и расположенной на этих же опорах линии, отличающегося тем, что после отключения линии вначале на обоих ее концах замеряют величины наведенных напряжений, и последующие измерения и контроль наведенного напряжения осуществляют на том ее конце, на котором наведенное напряжение больше, затем замеряют и фиксируют величину наведенного напряжения в каждой фазе U_1i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, и величину тока нагрузки I₁ на параллельной работающей линии, которую также фиксируют, при изменении тока нагрузки повторяют эти действия, получая соответственно U_2i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, и величину тока нагрузки I₂, после этого в любой момент времени замеряют текущую величину тока нагрузки I на параллельной работающей линии, которую фиксируют при первом измерении, а значение наведенного напряжения U_i, в каждой из фаз, i=А, В, С, отключенной линии вычисляют по математическому выражению

,

где U_1i, U_2i, i=А, В, С, — значения ранее измеренных наведенных напряжений в трех фазах отключенной линии, В;

I₁, I₂ — значения ранее измеренных токов нагрузки на параллельной работающей линии, А;

I — текущее значение тока нагрузки на параллельной работающей линии, А,

при превышении 25 В текущим значением наведенного напряжения в любой из фаз об этом немедленно информируются члены бригады на месте производства работ.

В зависимом от первого пункта (п. 1 формулы изобретения) пункте 2 формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа по п. 2 формулы изобретения, отличающегося тем, что с целью увеличения точности определении величины наведенного напряжения при каждом изменении на 5% текущего значения тока нагрузки / на параллельной работающей линии от ранее зафиксированного повторяют замеры и фиксацию величины наведенного напряжения U_1i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, и значения тока нагрузки на параллельной работающей линии I₁, при изменении тока нагрузки повторяют также замеры и фиксацию величины наведенного напряжения U_2i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С и значения тока нагрузки на параллельной работающей линии I₂ и вычисление наведенного напряжения U_i в каждой из фаз, i=А, В, С, осуществляют по математическому выражению п. 1 формулы изобретения с новыми значениями U_1i,, U_2i и I₁, I₂.

Во втором независимом пункте (п. 3 формулы изобретения) раскрыта техническая сущность способа определения величины наведенного напряжения в каждой из фаз А, В, С отключенной и заземленной на обоих концах одной из воздушных линий, сооруженной на двухцепных (многоцепных) опорах, от воздействия переменного электромагнитного поля, создаваемого токами протекающих в фазных проводах другой работающей и расположенной на этих же опорах линии, отличающегося тем, что после отключения линии вначале на обоих ее концах замеряют величины наведенных напряжений, и последующие измерения и контроль наведенного напряжения осуществляют на том конце ее конце, на котором наведенное напряжение больше, затем фиксируют величину тока нагрузки I на параллельной работающей линии и в каждой фазе отключенной линии замеряют величину наведенного напряжения U_i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, при каждом изменении тока нагрузки I_j работающей линии замеряют в отключенной линии величину наведенного напряжения U_ji, где i -обозначение фазы, то есть А, В или С, формируя тем самым массивы из n взаимосвязанных наблюдений I_j и U_ji, j=1, …, n, при прибытии бригады на место выполнения ремонтных работ для каждой из фаз А, В, С определяют значения коэффициентов a_i, и b_i, i=А, В, С, по следующим математическим выражениям

,

где U_ji — j-ое, j=1, …, n, измерение наведенного напряжения в i-ой фазе,

i=А, В, С, В;

I_j — j-ое, y=1, …, n, измерение тока нагрузки, протекающего по работающей линии, А;

суммирование ведется по j, j=1, …, n;

n — число измерений,

по замерам текущего тока нагрузки работающей линии осуществляют контроль величины наведенного напряжения U_i в i-ой фазе, i=А, В, С, отключенной линии по математическому выражению

U_i=a_i exp(b_i I),

где a_i и b_i — определенные выше коэффициенты;

I — текущий ток нагрузки, протекающий по неотключенной линии, А, при превышении 25 В текущим значением наведенного напряжения в любой из фаз, информируются члены бригады на месте производства работ о немедленном прекращении работы на линии.

В зависимом от второго пункта (п. 3 формулы изобретения) пункте 4 формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа по п. 4 формулы изобретения, отличающегося тем, что после определения значений коэффициентов a_i и b_i и величины наведенного напряжения в каждой фазе отключенной линии, U_i, i=А, В, С, на месте производства работ измеряют ток I_i, i=А, В, С, протекающий в каждом фазном проводе отключенной линии, определяют значение сопротивления заземления для каждого фазного провода отключенной линии по закону Ома R_i=U_i/I_i, i=А, В, С, и последующий контроль величины наведенного напряжения в каждой фазе отключенной линии осуществляют на месте производства работ путем замера текущего значения тока в этой фазе I_Ti, i=А, В, С, и вычисления величины наведенного напряжения по математическому выражению

U_i=R_i·IT_i,

где R_i, i=А, В, С — значение сопротивление заземления для каждого фазного провода отключенной линии, Ом;

I_Ti, i=А, В, С — текущее значение тока в каждом фазном проводе отключенной линии, А,

при превышении 25 В текущим значением наведенного напряжения в любой из фаз немедленно прекращают работы на линии.

В зависимом от первого (п. 1 формулы изобретения) и второго (п. 3 формулы изобретения) пунктов в пункте 5 формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа по п. 5 формулы изобретения, отличающегося тем, что для линий напряжением до 10 кВ включительно, все действия осуществляют на месте производства работ.

Отличия от прототипа доказывают новизну технического решения, охарактеризованного в формуле изобретения.

Новый подход позволяет повысить безопасность работ в электроустановках за счет постоянного определения и контроля величины текущего наведенного напряжения, что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемого способа, охарактеризованного в формуле изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется графическими материалами.

Фиг. 1 — График зависимости величины наведенного напряжения на отключенных для производства ремонта воздушных линиях электропередачи сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах от тока нагрузки на параллельной неотключенной линии.

Способ осуществляют следующим образом.

Значение наведенного напряжения U отключенной и заземленной на обоих концах линии определяется током нагрузки второй линии, находящейся под напряжением, то есть основной вклад в генерацию наведенного напряжения осуществляет его электромагнитная составляющая, поскольку установка переносного заземления позволяет снизить влияние электростатической составляющей наведенного напряжения до безопасного уровня. Чем больше ток нагрузки второй линии, тем больше величина наведенного напряжения в каждом проводе первой, отключенной трехфазной линии. Таким образом, измерив токи нагрузки линии, находящейся под напряжением, можно оценить величину наведенного напряжения в фазах отключенной линии в любой момент времени, кроме того, можно планировать (прогнозировать) время отключения линии и период выполнения работ при минимальной величине наведенного напряжения, когда нагрузка второй линии минимальна.

Значение текущего тока нагрузки I на параллельной неотключенной линии, находящейся под напряжением, определяется диспетчерскими службами в любой момент времени согласно известному математическому выражению [Электротехника и электроника. Кн. 1. Электрические и магнитные цепи: Учеб. для вузов. / В.Г. Герасимов, Э.В. Кузнецов, О.В. Николаева и др.; Под ред. В.Г. Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1996. — 288 с: ил.]

где Q_л — текущая полная мощность линии, Вт;

U_л — среднее действующее напряжение линии, В, полученное по формуле U_л=∑U_i/3, где суммирование ведется по всем фазам i, i=А, В, С;

U_i — текущее действующее напряжение в каждой фазе i, i=А, В, С.

Исследования величины наведенного напряжения U на отключенных для производства ремонта воздушных линиях электропередачи, сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах, с установкой переносного заземления на рабочем месте для ВЛ 110 кВ, ВЛ 35 кВ и ВЛ 10 кВ показали, что значения наведенного напряжения имеют экспоненциальную зависимость от текущего значения тока нагрузки I (1) на параллельной неотключенной линии.

Эта зависимость для всех исследуемых номинальных напряжений линий имеет вид

где a и b — коэффициенты, учитывающие конфигурацию опор, трассы, параметров грунта, погодных условий, уровня напряжения, токов нагрузки работающей линии, совместных емкостных и индуктивных связей линий;

I — текущий ток нагрузки неотключенной линии.

Значения коэффициентов a и b меняются для разных номинальных напряжений линии.

Исходные данные для воздушных линий электропередачи 110 кВ, сооруженных на двухцепных опорах, приведены в Таблице 1. Общее число наблюдений составляет 78 строк (протоколов измерений). Для В Л 35 кВ и В Л 10 кВ значения наведенного напряжения не превышали 25 В, поэтому здесь не приведены. Исследования проводились на линиях разной конфигурации и разной номинальной мощности, поэтому в первой колонке Таблицы 1 приведено относительное значение тока I_o работающей линии, то есть отношение текущего значения тока нагрузки I к номинальному току линии I_ном, I_о=I_/I_ном. С точки зрения используемых математических выражений для определения величины наведенного напряжения согласно зависимости (2) безразлично учитывать или текущее значение тока нагрузки, или относительное значение этого тока. Поэтому в формуле предлагаемого изобретения, которая рассчитана для применения на некоторой конкретной линии с известным номинальным током (а также номинальной мощности и номинального напряжения), используется текущее значение тока нагрузки I.

Во второй колонке Таблицы 1 приведены значения наведенного напряжения, из которой видно, что точность измерения невысокая, особенно в области низких наведенных напряжений, так как для разных относительных значений тока нагрузки замеры показали одинаковые значения наведенного напряжения. Но это, во-первых, фактические реальные данные измерений, а, во-вторых, низкие значения наведенного напряжения нас не интересуют.

По данным двух первых колонок построен график, приведенный на Фиг. 1. По оси абсцисс отложено относительное значение тока работающей линии, по оси ординат — значение наведенного напряжения в отключенной линии. Тонкая сплошная линия — это зависимость (2), в которой коэффициенты a и b определены методом наименьших квадратов, a=0,0768, b=6,5223. Результаты расчетов согласно зависимости (2) приведены в третьей колонке Таблицы 1.

Из Фиг. 1, а также сравнивая измеренное и вычисленное значения наведенного напряжения (вторая и третья колонки Таблицы 1), видим, что зависимость (2) отражает физическую сущность процесса возникновения наведенного напряжения в отключенной линии. При этом нужно учесть, что измерение проводились на разных линиях, то есть у каждой линии свой рельеф местности, разные сечения проводов, своя геометрия расположения проводов и тросов заземления на опоре относительно земли и друг друга, свой тип и параметры грунта и измерения проводились круглый при разных погодных условиях. Все это влияет на разброс результатов измерения и погрешность определения величины наведенного напряжения. При измерениях на одной линии разброс результатов измерения и погрешность определения величины наведенного напряжения будут меньше. Более того, накапливая и обрабатывая статистику величины наведенного напряжения как функции текущего значения тока нагрузки на параллельной неотключенной линии, можно постоянно уточнять значения коэффициентов a и b в зависимости (2) для данной конкретной линии.

Определение коэффициентов a и b в зависимости (2) согласно первому независимому и второму зависимому пунктам формулы предлагаемого изобретения осуществляется по двум точкам. Замеры величины наведенного напряжения U_1i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, в каждой из фаз А, В, С отключенной и заземленной на обоих концах одной из воздушных линий, сооруженной на двухцепных (многоцепных) опорах, и величину тока нагрузки I₁ на параллельной работающей линии выполняют вначале при одном значении тока нагрузки, затем повторяют эти действия при другом значении тока нагрузки, получая соответственно U_2i, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, и величину тока нагрузки h, лишь бы значения токов нагрузки I₁ и I₂ были различны. Требование неравенства токов нагрузки I₁ и I₂ необходимо, так как иначе не определить значения коэффициентов a и b, но не является критичным, поскольку нагрузка в сети постоянно меняется (всегда кто-то что-то включает или выключает).

Математические выражения для определения коэффициентов a и b по двум точкам для каждой из фаз А, В, С отключенной и заземленной на обоих концах одной из воздушных линии имеют вид

где U_1i, U_2i — значения ранее измеренных наведенных напряжений в трех фазах, i=А, В, С, соответственно на обоих концах линии, В;

I₁ и I₂ — значения токов нагрузки соответственно при первом и втором измерениях, А.

Вычисленные по двум близлежащим точкам (по двум строкам) согласно математическим выражениям (3) значения коэффициентов a и b приведены в колонках 4-5 Таблицы 1. В колонках 6-7 Таблицы 1 приведены значения величины наведенного напряжения, вычисленные с использованием коэффициентов a и b текущей строки, когда ток изменяется в сторону увеличения на одну строку (колонка 6) и в сторону уменьшения тоже на одну строку (колонка 7). Из приведенных в колонках 6-7 Таблицы 1 данных видно, что вычисленные значения величины наведенного напряжения незначительно отличаются от действительных (колонка 2), если вычисления наведенного напряжения осуществляются в окрестностях двух точек, по которым определяли коэффициенты a и b. Этот подход отражен в п. 1 формулы изобретения, в котором математические выражения (3) подставлены в выражение (2).

Исследования показали, что изменение токов нагрузки на 5% от их значений при определении коэффициентов a и b несущественно изменяет величину наведенного напряжения. При большем изменении токов нагрузки увеличивается погрешность определения величины наведенного напряжения. Поэтому лучше заново определить, повторить процедуру определения коэффициентов а и b согласно математическим выражениям (3), что отражено в зависимом п. 2. формулы изобретения.

Накапливая и усредняя значения коэффициентов a и b, вычисленных по математическим выражениям (3) для данной конкретной линии, можно постоянно уточнять их значения и увеличивать точность определения величины наведенного напряжения.

С целью увеличения точности в определении величины наведенного напряжения на отключенных для производства ремонта воздушных линиях электропередачи сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах в третьем независимом пункте формулы предлагаемого изобретения рассмотрен способ, когда коэффициенты a и b зависимости (2) вычислены методом наименьших квадратов. Для этого за промежуток времени после отключения линии и до прибытия бригады на место выполнения ремонтных работ диспетчерские службы формируют статистику изменения наведенного напряжения U_ji, где i — обозначение фазы, то есть А, В или С, от изменении тока нагрузки Ij работающей линии при каждом i-ом измерении. После прибытия бригады на место выполнения ремонтных работ диспетчерские службы вычисляют значения коэффициентов a и b по следующим математическим выражениям

,

где U_ji — j-ое, j=1, …, n, измерение наведенного напряжения в z-ой фазе, i=А, В, С, В;

lnU_ji — логарифм U_ji;

I_j — j-ое, j=1, …, n, измерение тока нагрузки, протекающего по работающей линии, А;

суммирование ведется по j, j=1 ,…, n;

n — число измерений,

по замерам текущего тока нагрузки работающей линии осуществляют контроль величины наведенного напряжения U_i в i-ой фазе, i=А, В, С, отключенной линии по математическому выражению

U_i=a_i exp(b_i I),

где a _i и b_i — определенные выше коэффициенты;

I — текущий ток нагрузки, протекающий по неотключенной линии, А, при превышении 25 В текущим значением наведенного напряжения в любой из фаз, информируются члены бригады на месте производства работ о немедленном прекращении работы на линии. Этот подход зафиксирован в независимом п. 3. формулы изобретения.

Контроль над текущим значением наведенного напряжения можно осуществлять на месте производства работ. Для этого диспетчерские службы сразу после определения значений коэффициентов a _i и b_i и величины наведенного напряжения в каждой фазе отключенной линии, U_i, i=А, В, С, передают их на место производства работ. На месте производства работ измеряют ток I_i, i=А, В, С, протекающий в каждом фазном проводе отключенной линии, определяют значение сопротивления заземления для каждого фазного провода отключенной линии по закону Ома R_i=U_i/I_i, i=А, В, С. Это соответствует п. 1.7.26 ПУЭ, «Сопротивление заземляющего устройства — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю». Последующий контроль величины наведенного напряжения в каждой фазе отключенной линии осуществляют на месте производства работ путем замера текущего значения тока в этой фазе I_Ti, i=А, В, С, и вычисления величины наведенного напряжения по математическому выражению

U_i=R_i·I_Ti,

где R_i, i=А, В, С — значение сопротивление заземления для каждого фазного провода отключенной линии, Ом;

I_Ti, i=А, В, С — текущее значение тока в каждом фазном проводе отключенной линии, А,

при превышении 25В текущим значением наведенного напряжения в любой из фаз немедленно прекращают работы на линии. Это способ отражен в зависимом п. 4. формулы изобретения.

Еще одно обстоятельство, касающееся обеспечения мер безопасности персонала во время выполнения работ на отключенной одной из воздушных линий электропередачи сооруженных на двухцепных (многоцепных) опорах, на которой наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий. Аварии на линии происходят в любой ее точке, поэтому величины наведенных напряжений справа и слева от точки аварии не равны друг другу.

Напомним, что электростатическая составляющая наведенного напряжения обусловлена наличием совместных емкостных связей линий и зависит, кроме всего прочего, от длины линии. То есть чем длиннее пластины конденсатора, тем больше емкость и величина наведенного напряжения. Электромагнитная составляющая наведенного напряжения обусловлена наличием совместных индуктивных связей линий и также зависит, кроме всего прочего, от длины линии. Чем длиннее катушки, тем больше их индуктивность и взаимоиндукция, и соответственно величина наведенного напряжения.

Поэтому после отключения линии вначале необходимо замерить величины наведенных напряжений на обоих ее концах, и последующие измерения и контроль наведенного напряжения осуществлять на том конце ее конце, на котором наведенное напряжение больше. И если устанавливается только одно переносное заземление, то устанавливать его необходимо именно на этом конце.

Учитывая, что высоковольтные переносные измерительные приборы для работы на линии производятся до 10 кВ включительно, то на линиях напряжением до 10 кВ все измерения и расчеты можно делать на месте производства работ, например, с помощью программы на ноутбуке. Это отражено в зависимом п. 5. формулы изобретения.

Контролировать текущее значение наведенного напряжения необходимо в течение всего времени производства работ.

(PDF) О безопасности работ на объектах, находящихся под наведённым напряжением

2

Определение наведённого напряжения

Прежде всего, определим понятие «наведённое напряжение»,

которое отсутствует как в прежних, так и действующих Правилах [1].

Наведённое напряжение – напряжение, возникающее на отключённых,

заземлённых и незаземлённых токоведущих, открытых проводящих и

сторонних проводящих частях в результате влияния магнитного и (или)

электрического полей данной или (и) соседней электроустановки.

Очевидное с электротехнической точки зрения это определение

требует существенных пояснений применительно к конкретным

токоведущим, открытым проводящим и сторонним проводящим частям

электроустановок. Следует отметить, что использованные в предыдущем

предложении термины определены Правилами устройства

электроустановок [6] и конкретизируются далее.

В действующих Правилах [1] существует понятие «ВЛ под

наведённым напряжением», которое определяется как (п. 4.4): «ВЛ, КВЛ1,

ВЛС2, воздушные участки КВЛ, которые проходят на всей длине или на

отдельных участках вблизи действующих ВЛ или контактной сети

электрифицированной железной дороги переменного тока, на

отключённых проводах (тросах) которых при заземлении линии по концам

(в РУ) на отдельных её участках сохраняется напряжение более 25 В при

наибольшем рабочем токе влияющих ВЛ (при пересчёте на наибольших

рабочий ток влияющих ВЛ)». Отметим пять принципиальных недостатков

процитированного определения.

1. Определение относится только к ВЛ (КВЛ, ВЛС и не учитывает

такие отключённые токоведущие части как монтируемые провода и тросы,

которые в РУ не заземляются; высокочастотные заградители; отключённую

ошиновку ОРУ на подстанции больших размеров (см. п. 4.9 [1]) и пр.

2. Наведённое напряжение может возникнуть не только на

токоведущих (см. п. 2.6 [1]), но и на заземлённых открытых проводящих

1 Линии для передачи электроэнергии, состоящие из участков в воздушном и

кабельном исполнении, соединенных между собой.

2 Воздушные линии связи.

Наведенное напряжение и его особенности

Автор adminВремя чтения 40 мин.Просмотры 111Опубликовано 27.11.2019

Что такое наведенное напряжение и чем оно опасно?

Возникновение наводки на воздушных линиях электропередачи и в электроустановках, связанных с ними, представляет опасность не меньшую, чем присутствие рабочего напряжения на них. Также данное явление возникает в бытовых условиях в сети 220 В, поэтому необходимо понимать природу возникновения и меры защиты от наведенного напряжения, о чем мы и поговорим далее.

Причины возникновения

Наведенное напряжение возникает на выведенной в ремонт и обесточенной воздушной линии электропередач (ВЛ), вследствие влияния на нее электромагнитного поля расположенной в непосредственной близости работающей электроустановки или другой ВЛ, которая находится под напряжением. Таким образом, ВЛ, которая проходит параллельно отключенной линии, наводит сторонний потенциал, который представляет существенную опасность для обслуживающей ремонтной бригады. Значение наведенного напряжения в проводе изменяется в зависимости от протяженности участка, на котором ВЛ идут параллельно, тока нагрузки и величины рабочего напряжения, отдаленности фазных проводов, метеорологических условий. Потенциал, который наведен на ВЛ, объединяет в себе два вида воздействия – электромагнитную и электростатическую составляющую:

• Электромагнитная часть появляется под действием магнитного поля, возникающего от протекания тока по работающей рядом ВЛ. Отличительной особенностью данной составляющей является то, что при заземлении даже в нескольких местах линии, она не изменяет свою величину. Единственное, что можно изменить с помощью заземлений – это расположение точки нулевого потенциала.
• Электростатическая часть, в отличие от электромагнитной, устраняется путем заземления линии в ее концах и в месте ведения работ. Снизить же величину наведенного напряжения возможно установив заземление хотя бы в единственной точке ВЛ.

Давайте рассмотрим подробнее, что это такое – наведенное напряжение и природу его возникновения. Чтобы понять, как оно появляется, обратимся к фото, на котором изображен проводник:

Имеется проводник, обозначенный на картинке как А-А. При протекании по нему переменного тока создается электромагнитное поле, интенсивность которого уменьшается по мере отдаления от проводника (на изображении можно заметить снижение яркости окраски).

Также изменяются пульсации электромагнитного поля с изменением направления и величины тока. При попадании в поле любого другого проводника в нем индуцируется наведенное напряжение.

Ниже на картинке показаны проводники с подключенными измерительными приборами для определения величины напряжения:

Какое значение считается опасным для персонала? Считается, что если на отключенной ВЛ присутствует наведенное напряжение и его значение не превышает 25 В, то ремонтные мероприятия производятся с применением обычных средств защиты.

В случае превышения безопасной величины следует пользоваться специальными средствами защиты и выполнять технические мероприятия, обеспечивающие требуемую степень защиты от опасного воздействия наведенного потенциала.

Такими мерами безопасности могут быть разземление вначале и конце линии, разрез провода, установка заземления на участках ВЛ.

Узнать о том, какие электрозащитные средства используют в установках выше 1000 Вольт, вы можете из нашей статьи!

В чем опасность явления?

Наведенное напряжение можно считать более опасным и коварным в отличие от рабочего в силу того, что на него никак не реагирует защитная аппаратура.

Например, при попадании под него ремонтного персонала, работник будет находиться под опасным воздействием до момента освобождения от его влияния.

А вот если на человека воздействует рабочее напряжение, то срабатывает защита и происходит автоматическое отключение, вследствие короткого замыкания.

Кстати, о коротком замыкании (КЗ). При КЗ в рабочей линии происходит наводка на отключенную ВЛ и многократное превышение тока, что, естественно, отражается на персонале, занятом ремонтом на отключенной ВЛ.

Последствия могут быть весьма плачевными – от сильных ожогов, до протекания тока по жизненно важным органам с их поражением, вплоть до летального исхода.

Поэтому не нужно пренебрегать правилами безопасности при проведении работ на отключенных ВЛ.

Что же делать в случае попадания человека под наведенное напряжение? Как избавиться от его воздействия? Необходимо устранить протекание тока через тело человека. Для этого понадобится соединить опасную часть электроустановки с «землей», набросив на нее заземление.

Наводка в квартире

Не считая ВЛ и электроустановок, наведенное напряжение может также возникать в квартире и в частном доме в сети 220 В. Так называемая «наводка» появляется в кабеле, проложенном опять же рядом с проводом, по которому протекает ток.

Для примера приведем ситуацию, когда при выключенном выключателе на диодных лампочках появляется еле заметное свечение. Происходит это из-за того, что рядом с проводом, питающим лампы, проложен проводник с фазной жилой. А действие электромагнитного поля никто не отменял.

Отсюда и возникает небольшая наводка, величины которой достаточно для того, чтобы «подсветить» светодиоды.

Еще один случай – это наводка в розетке. Возникает она, если произошел обрыв нулевого провода. Тогда при измерении индикатором на клеммах розетки получим две фазы. Но на самом деле, фазный провод как был один, так и останется, а «вторая фаза» пропадет, как только нулевой провод будет заново подключен.

С примером опасного влияния наводки вы можете ознакомиться на видео:

Вот мы и рассмотрели, что такое наведенное напряжение, чем опасно это явление и какие меры защиты нужно предпринимать для того, чтобы обезопасить персонал от поражения электрическим током. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Наверняка вы не знаете:

Наведенное напряжение: причины возникновения и меры защиты

Ремонтные бригады довольно часто сталкиваются с проблемой наличия напряжения в разорванной цепи. Такое явление случается на воздушных линиях, нередко в бытовой электросети. Это так называемое наведенное напряжение, появляющееся на отключенных проводах вследствие воздействия электромагнитного поля, от работающих рядом электролиний.

Для лучшего понимания эффективности защитных мер при ремонте воздушных линий электропередач (ВЛ) рассмотрим более подробно физическую сущность наводки. Это поможет лучше понять механизмы защиты от поражения током, образовавшимся на отключенных проводах.

Официальная терминология наведённым напряжением называет потенциал, опасный для жизни, возникающий в результате электромагнитных воздействий параллельной воздушной линии или электричества циркулирующего в контактных сетях. Этот потенциал является паразитным, порождённым влиянием функционирующей параллельной линией электрической сети и прямо не относится к транспортируемому току. Отсюда и название – наведённое напряжение.

В чем опасность явления?

Наличие в проводах потенциала, наведённого переменным током или статическим электричеством часто невозможно предсказать. В этом кроется главная опасность наводки.

На наведённое напряжение не реагируют штатные защитные приборы.

На электромеханика, попавшего под действие наводки, будет действовать ток, пока он самостоятельно, либо с помощью напарника не высвободит руку или другую часть тела, соприкоснувшуюся с оголенным проводом.

Если в результате короткого замыкания на ВЛ произойдёт срабатывание защиты, отключающее рабочее напряжение, провода могут оказаться под наведённым током. Опасность также возникает при появлении грозовых разрядов, в т. ч. и междуоблачных.

Опасность обусловлена поведением наведённого тока. Дело в том, что источником тока является наводка от соседних ВЛ, распространяющаяся по всей длине провода не одинаково. Поэтому поведение таких токов отличается от привычного для нас рабочего электричества.

Наличие штатного линейного заземления не гарантируют безопасности, а наоборот, сопутствует появлению электрического тока в отсоединённых проводах. Как видно на рисунке 1, максимальный ток находится в точках заземления, то есть на заземляющих ножах.

Рис. 1. Значение напряжений между заземляющими ножами

В некоторых случаях целесообразно отключить заземления ВЛ, а для защиты использовать переносные заземления, которые устанавливают с каждой стороны от места повреждения, как можно ближе к точке проведения работ.

Причины возникновения

Для начала рассмотрим физическую картину возникновение наводки, а потом выясним причины явления в различных ситуациях:

• на воздушной линии;
• электроустановках;
• в квартире;
• электропроводке.

Если расположить параллельно два длинных проводника и по одному из них пропустить переменный ток, то на втором возникнет напряжение.

Причём проявится электромагнитное влияние и действие электростатической составляющей.

 Величины электрических потенциалов на неподключённом проводнике зависят от длины, расстояния между проводами, а также от тока нагрузки. Подобные явления происходят и в реально действующих линиях энергоснабжения.

На воздушной линии (ВЛ)

Ток, который создаёт электростатическая составляющая, имеет одинаковый потенциал по всему проводнику: Uэ = k×Uв, где Uэ – наведённое электростатическое напряжение, k является коэффициентом ёмкостной связи, а Uв – рабочее влияющее напряжение. Очевидно, что наведённое напряжение зависит от разницы потенциалов на проводах параллельно расположенной влияющей линии.

Заметим, что электростатическое напряжение является результатом не только действия расположенных поблизости электромагнитных полей фазных проводов. Любое статическое электричество вызывает такой же эффект. Например, в северных широтах статическую наводку может вызвать полярное сияние, а также, упомянутые выше грозовые разряды (показано на рисунке ниже).

Рис. 2. Статическое напряжение от полярного сияния

Для устранения электростатического потенциала достаточно заземлить провод в любом месте.

Компонент напряжения электромагнитной составляющей, сильно отличается от статического. Потенциал возникает вследствие действия электромагнитных полей, образованных токами проводов фазы. На рисунке 3 показана схема образования наведённого напряжения.

Электромагнитная составляющая наведённого напряжения

Важные особенности электромагнитной составляющей:

• её величина пропорциональна рабочем току ВЛ;
• зависит от расстояния до влияющей воздушной линии;
• на наведённый потенциал влияет протяжённость взаимодействующих проводов;
• выраженная зависимость от схемы переносного заземления ВЛ и от сопротивления заземления.

Наведённая ЭДС в этом случае вычисляется по формуле:

E = M × L× I, 

Здесь M – коэффициент индуктивной связи, L – протяжённость параллельного участка, I – сила тока влияющей линии.

Как видно из формулы, величина напряжения провода фазы не влияет на ЭДС.

В конкретной точке x наведённое напряжение можно вычислить по формуле:

U = – (E*x)/L+ E/2 , где E – ЭДС, L – длина параллельного следования, x – расстояние от точки вычисления напряжения до начала линии.

Очевидно, что напряжение в точке отсечения (где x  = 0) принимает значение: U = + E/2 , в середине линии (x равняется условной единице) U = 0, а в конечной точке U = – E/2.

Понятно, что напряжение уже не является константой на всём участке проводов линии. Оно линейно изменяется между заземлениями, образуя нулевой потенциал в определённой точке.

Если заземление одно, тогда положение нулевой точки находится в месте входа заземляющего ножа.

На схемах, приведённых ниже (рисунок 4), видно как распределяется наведённое напряжение. Обратите внимание, как перемещается точка нулевого потенциала и как она зависит от выбранного способа заземления.

Рис. 4. Схемы распределения наводимого напряжения в зависимости от расположения точек заземления

Из схематических изображений видно, как работа обслуживающего персонала одновременно в нескольких местах отключённой ВЛ может представлять опасность.

Ввиду несимметрии токов наведённое напряжение может распределиться таким образом, что нулевые потенциалы сдвинутся за пределы рабочего пространства людей. Вследствие этого ремонтники могут оказаться под опасным воздействием наведённого напряжения.

В электроустановках

Ввиду того, что стационарные электроустановки неразрывно связаны с ВЛ, существует вероятность попадания наведённого напряжения на токоведущие части оборудования. Чаще всего это случается при обрыве нуля.

Особенность электроустановок в том, что там используются изолированные кабели, в которых плотно уложены провода. Хотя длина такой проводки обычно незначительна, однако, наводка в кабеле может иметь существенный потенциал (из-за плотного размещения проводов).

Поэтому при работе с электроустановками необходимо обеспечивать защитные меры по снятию опасного наведённого напряжения, использовать средства индивидуальной защиты, отвечающие классу напряжения.

Необходимо придерживаться ПУЭ, выставлять ограждения для соблюдения безопасных расстояний к токоведущим частям электроприборов.

В квартире

Наводка в обычной бытовой сети наблюдается при обрыве нулевого провода на входе или на участке воздушной линии. Если поискать индикатором фазу в розетке – он покажет напряжение на каждом из выходов. В действительности же, рабочее напряжение существует на проводе фазы, а на нулевом – наблюдается ток наводки. При устранении неисправности всё становится на свои места.

Поскольку поиск и ликвидация неисправности в квартире проводится при отключенных предохранителях, то тем самым обеспечивается необходимая защита.

В электропроводке

Электропроводка в доме монтируется с использованием двух-, а иногда трёхжильных проводов. Обычно кабели укладываются в короба, откуда выходят разветвления.

Если выключатель разъединяет нулевой провод, то при такой укладке в нём неизбежно появится наводка. Возникает напряжение безопасной величины, однако его достаточно для зажигания диодного освещения (выключенные диодные лампы тускло светятся).

Проблема решается просто – необходимо на выключателе поменять местами провода фазы и нуля.

Известны случаи, когда для заземления розетки использовался провод трёхжильного кабеля. На этом проводнике всегда присутствует довольно ощутимое наведённое напряжение. Поэтому для заземления используйте отдельный одножильный кабель большого сечения и прокладывайте его как можно далее от проводки с номинальными напряжениями.

Меры защиты

Учитывая то, что наведённые токи могут достигать предельно опасных значений, особенно на участках ВЛ или в электроустановках, при их обслуживании следует применять меры защиты [ 2 ]:

• использовать сигнализаторы напряжения;
• обеспечивать безопасный уровень напряжения на участках, где предстоит работа;
• использовать защитную одежду, диэлектрические коврики и т.п.;
• пользоваться указателями напряжения, универсальными электроизолирующими штангами для оценки значений токов наводки.
• применять приспособления для снятия напряжений.

Перед проведением работ на линиях с наводкой устанавливайте переносные заземления с двух сторон повреждённого участка ВЛ на небольшом расстоянии. Заземляйте провода с поверхности земли, используя изоляционные штанги. Выдерживайте расстояния срабатывания защиты заземлений.

https://www.youtube.com/watch?v=1LtEAS2uxj8

На рисунке 5 показано как влияет расстояние от заземления на снижение наведённого напряжения.

Рис. 5. Снижение наведённого напряжения

Измерение напряжения проводите в изолирующих перчатках и ботах, а измерительные приборы располагайте на ковриках или подставках.

Используйте только те измерительные устройства, которые предназначены для указанных целей и рассчитаны на измерение в соответствующих пределах. Помните, что штатные защитные приспособления для наведённого тока не предназначены.

Нельзя проводить измерения в условиях тумана, осадков, а также при сильном ветре.

Всегда проверяйте наличие фазного тока на всех проводах. Если с помощью прибора УПСФ-10 вы определили линейное рабочее напряжение, то использовать переносное заземление запрещается.

В целях безопасности всегда считайте нулевой кабель таким, что находится под напряжением.

Видео в тему

Наведенное напряжение

Главная > Теория > Наведенное напряжение

Содержание

• 1 Природа явления
• 2 Явление в быту
• 3 Основы безопасности
• 4 Видео

Наведённым называют напряжение, возникающее в обесточенном проводнике, находящемся под воздействием располагающегося рядом высоковольтного оборудования или провода. Это явление уникально и представляет собой немалую опасность, по этой причине стоит узнать о нем более подробно.

Воздушная линия электропередачи

Для того чтобы разобраться в природе явления, придётся немного освежить в памяти уроки физики. Итак, что такое наведённое напряжение, и чем оно опасно?

Природа явления

Суть наведённого напряжения в том, что в обесточенном проводнике, который находится рядом с источником электромагнитного поля, возникает опасный потенциал. Источником излучения может стать находящаяся рядом с обесточенным проводом линия ВЛ или другое оборудование, создающее такое поле.

Наиболее ярким примером будет рассмотрение наведённого напряжения на ВЛ (воздушной линии электропередачи).

При отключении одного провода от источника тока рядом находящийся провод электропередачи имеет электромагнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт потенциал в обесточенном проводнике.

Этот потенциал вполне может принимать опасные для здоровья и жизни значения, особенно при расположении рядом мощного источника магнитного поля.

Значение потенциала зависит лишь от рабочего напряжения, токов нагрузки и общего расположения относительно друг друга. Потенциал условно представлен суммой электромагнитной и электростатической частей:

Электростатическая составляющая наведённого потенциала обусловлена воздействием на проводник электрического поля рядом расположенного источника, в нашем случае это оставшийся в работе провод. Номинальное значение этого параметра зависит только от электрического потенциала влияющей ВЛ, это значение постоянно наводится действующим рядом источником поля. Наводка осуществляется на всем протяжении отключённого от источника тока проводника. Для снижения её до безопасного уровня достаточно заземлить её на любом участке сети;

Электромагнитная часть, она появляется от воздействия магнитных полей, которые создают токи фазных проводов. Отсюда её нестабильность, особенностью проявления этой составляющей служит то, что её значение неизменно на всем протяжении участка сети и не зависит от заземления или изоляции провода от земли. Наводка в этом случае не зависит от включённой линии, а только от параметров магнитного поля и отдаления. При изменении расположения или числе точек заземления на ВЛ меняется лишь расположение точки нулевого потенциала. Само же наведённое напряжение остаётся прежним.

Пикового значения электромагнитная часть достигает на концах взаимного влияния линий, на нашем примере это расположение отключённых линейных разъединителей. В этих точках и измеряется его значение.

Стоит отметить, что даже в процессе определения значения обязательно заземление обоих концов ВЛ.

Класс оборудования, применяемого для измерения значений и параметров тока, подбирается, исходя из расчётных параметров потенциала, чаще всего используются приборы с пределом измерения не менее 0,5-1 кВ.

В процессе измерения потенциала обязательно соблюдение правил техники безопасности, ввиду того что вольтаж может иметь значение намного выше расчётного. Нарушение правил техники безопасности чревато электротравмой или ожогами.

Понятно, что электростатическую составляющую можно легко исключить и тем самым обеспечить безопасность работы по обслуживанию или ремонту отключённого провода. Но с электромагнитной частью потенциала справиться не так легко.

Одним из вариантов борьбы с ним служит процесс разделения линии на отдельные участки, электрически не связанные между собой, либо работы под воздействием напряжения.

Согласно нормам ПУЭ, номинальное значение до 25В считается формально неопасным и позволяет проводить работу при строгом следовании правилам техники безопасности .

Тем не менее, на сегодняшний день существует мнение, что требования Правил охраны труда на электрообъектах несколько устарели. Ряд специалистов считает, что заземление воздушной линии электропередачи в одной точке и такелажная схема не обеспечивают безопасность монтажников. По этой причине требуются другие способы обеспечения защиты ремонтных бригад при работе.

Важно! Нужно отметить, что несмотря на приведённый пример, источником наводки тока может служить не только рядом расположенная ВЛ, это просто наиболее яркий случай возникновения этого потенциала. Наведённые токи могут возникнуть в любом проводнике при наличии рядом работающего оборудования, создающего электромагнитное поле, в том числе генератора или трансформатора.

Работа на ВЛ

Явление в быту

Несмотря на сравнительно небольшое напряжение, используемое для бытовых электросетей, наводка токов может возникнуть и внутри дома или квартиры.

Достаточно часто это можно видеть на светодиодных лампах или лентах, чей провод включения проходит рядом с кабелем, который находится под напряжением, он и производит наводку напряжения на провод или сами лампы.

Под влиянием наведённого тока лампочки начинают светиться.

Также в качестве примера можно рассмотреть розетку при обрыве провода ноля в ней. При использовании индикатора можно обнаружить в розетке две фазы, несмотря на то, что она подключена к однофазной домашней сети. Для исчезновения второй фазы достаточно устранить обрыв.

Схема

Основы безопасности

Явление возникновения напряжения в проводнике под воздействием электромагнитного поля и статического электричества уникально, но вместе с тем оно достаточно опасно. Привычные устройства, обеспечивающие защиту, действуют на него избирательно, либо не действуют вообще.

Примером может служить замыкание цепи при попадании в неё человека, в этом случае автоматика просто отключит источник питания. Но при наведённом потенциале сети нет, а, значит, при отключении устройства безопасности не будет.

Это служит причиной того, что к наводке тока нужно относится внимательно и осторожно.

Безопасность работы при возможности существования наведённого напряжения обеспечивается, в первую очередь, правилами безопасности.

Если есть хоть небольшая возможность его возникновения, то следует измерить вольтаж отключённого провода. При наличии его обеспечить безопасность монтажников.

Правила безопасности проведения работ на отключённых линиях электропередач написаны на печальном опыте предыдущих поколений и изучения работы с токами различных типов.

Стоит учитывать! Фактическое значение наведённого напряжения может достигать десятка и более киловольт. Неаккуратное обращение с таким потенциалом может привести к поражению электротоком, вследствие чего к ожогам и другим травмам.

Основными мерами безопасности в этом случае служат:

• работа в средствах индивидуальной защиты: резиновых перчатках, ботах с использованием диэлектрических ковриков и инструментов;
• заземление и выравнивание потенциалов провода заземления и рабочего места электрика;
• при необходимости проведения работ одновременно в нескольких местах обязательно разделение электросети на несколько не связанных между собой участков с последующим их заземлением;
• дублирование заземления, особенно при разъединении основной линии, в этом случае заземление устанавливается с обеих сторон места отреза провода.

Только в этом случае можно приступать к работе, уже не опасаясь замкнуть на себя ток, наводка которого в этом случае затруднена.

При проведении контрольно-измерительных операций также стоит озаботиться безопасностью. Все сборки схем измерений производятся перед подключением, а не в процессе или после него. При изменении контрольно-измерительной схемы её предварительно отключают от линии электропередачи.

Замер

Наведённое напряжение – уникальное физическое явление, в этом случае источником тока служит расположенный неподалёку объект-излучатель. Вполне возможно именно этот эффект и хотел использовать в своей работе Никола Тесла, создавая свою башню для воздушной передачи энергии.

Но на настоящее время полезное использование наведённых токов невозможно, а вот борьба с ними продолжается с переменным успехом. Пока наука смогла обеспечить безопасную работу с ним. Но кто знает, что будет дальше.

Вполне возможно, именно эффект наведённого напряжения в последующем послужит человечеству для передачи энергии на расстояния без использования линий проводников.

Видео

Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность

Наводка напряжения на линиях воздушной электропередачи возникает не так уж редко.

Это наведенное напряжение также возникает в бытовых условиях и в электроустановках, связанных с линиями электропередач. Это явление создает такую же опасность для жизни человека, как и рабочее напряжение.

Для того, чтобы правильно защитить себя от такого опасного явления, необходимо рассмотреть природу его появления.

Причины возникновения

Наведенное напряжение может появиться на воздушной линии электропередач, которая выведена в ремонт и отключена от питания, из-за воздействия на нее находящейся рядом действующей электроустановки, либо другой линии под напряжением. Действие оказывает не сама линия или электроустановка, а их электромагнитное поле.

Поэтому, воздушная линия, параллельно протянутая возле обесточенной линии, наводит внешний потенциал, представляющий большую опасность для ремонтного и обслуживающего персонала.

Величина такого наведенного напряжения не является постоянной, и меняется в зависимости от длины участка линии, параллельной действующей, а также значения рабочего напряжения, тока нагрузки, удаленности фазных проводников, погодных условий.

Наведенное напряжение на линии электропередач разделяется по видам воздействия:

• Электромагнитная часть. Возникает вследствие воздействия магнитного поля, появляющегося от течения электрического тока по действующей линии электропередач.

Особенностью и отличием такой составляющей является фактор того, что при заземлении линии в разных нескольких местах, электромагнитное влияние не исчезает и ее величина остается прежней. Влияет разве что нахождение точки нулевого потенциала.
• Электростатическая составляющая.

Она отличается от электромагнитной тем, что исчезает путем подключения заземления на краях линии и в месте производства работы. Уменьшить значение наведенного напряжения можно путем заземления одной точки линии.

Разберемся, отчего возникает наводка, и каков его принцип действия. На рисунке изображен проводник А-А. При прохождении по нему переменного тока образуется электромагнитное поле, действие которого снижается по мере удаления от провода (окраска менее яркая).

Пульсации электромагнитного поля также изменяются при изменении величины электрического тока и его направления. Если в это поле попадает другой проводник, то в нем возникает наводка. На рисунке показаны провода с подсоединенными приборами измерения для контроля значения напряжения.

Необходимо определить, какая величина напряжения будет опасной для человека, обслуживающего линию электропередач. Принято считать, что наличие на отключенной воздушной линии наведенного напряжения не более 25 вольт, предполагает применение защитных мер обычного использования.

Если это значение будет превышено, то требуются специальные средства безопасности и осуществление мероприятий, создающих необходимую степень защиты от опасного действия потенциала напряжения. Такими мерами являются отключение заземления по концам линии, подключение заземления на рабочем участке воздушной линии, а также возможен разрез проводника на отдельные части.

Опасность наведенного напряжения

Это явление считается более опасным и уникальным в отличие от действующего рабочего напряжения, ввиду того, что защитные устройства на него не действуют. Если электромонтер попадет под наводка, то под его действием он будет находиться, пока не освободится от него. А при воздействии рабочего напряжения срабатывает устройство защиты и электричество автоматически отключается.

При коротком замыкании на действующей линии осуществляется наводка на обесточенную линию, и ток возрастает в несколько раз. Это оказывает опасное воздействие на ремонтный персонал, работающий на обесточенной линии передач.

Последствия таких наведений напряжения бывают очень серьезными: сильные ожоги тела, поражения током важных органов, летальные исходы.

Поэтому необходимо соблюдать правила безопасности при работах на выключенных линиях электропередач.

Наведенное напряжение может достигать несколько десятков киловольт. Иногда приходится работать одновременно в нескольких местах. При работе с вышки, ее обязательно необходимо заземлить, при этом нельзя забывать о выравнивании потенциала провода заземления и корзины вышки, с которой производится работа.

При заземлении линии по ее концам, на участке работы напряжение может превысить допустимую величину, так как нулевой потенциал сместится в точку между заземлениями. Если возникла необходимость работы на линии в нескольких местах, то вся линия должна быть разделена на отдельные участки, электрически не связанные между собой.

На таком участке можно приступить к ремонту, заземлившись в одной лишь точке.

Для гарантии безопасности необходимо устанавливать на рабочем месте два заземления. Случится что-нибудь с одним заземлением – подстрахует второе. Это особенно необходимо, если предстоит разъединить провод. До разъединения провода заземление следует устанавливать с обеих сторон от места предполагаемого разрыва с обязательным подсоединением их к одному заземлению

Теперь можно разъединить шлейф, не опасаясь, что замкнете на себя уравнительный ток между концами провода. Заземлив линию в единственной точке на участке только на месте работы, можете быть уверены, что вашей жизни ничто не угрожает.

Нельзя забывать об основных мерах безопасности при осуществлении различных измерений на линии. Соединительные провода, вольтметр и рама разъединителя могут быть под напряжением, поэтому для безопасности необходимо перед измерением собрать схему измерений, а потом уже подключать ее к проводникам фаз.

Соединительные проводники должны иметь изоляцию, которая рассчитана на минимальное напряжение 1 кВ. Работники должны находиться в диэлектрических перчатках и ботах. Если при измерении напряжения будет нужно изменить пределы шкалы прибора, то сначала отключают от напряжения всю схему измерений от воздушной линии.

Наведенное напряжение в квартире

Явление наводки напряжения кроме воздушных линий может возникать и в бытовых условиях в квартире, либо собственном доме в бытовой сети. Наводка возникает в кабеле, находящемся рядом с проводником, подключенным к бытовой сети. Рассмотрим это на примере.

При отключенном выключателе на лампах освещения, которые имеют в своей конструкции светодиоды, может появиться слабое свечение. Это явление образуется вследствие расположенного рядом проводника питания фазного напряжения. Поэтому при воздействии электромагнитного поля возникает наведенное напряжение, хотя и незначительное, но достаточное для слабого свечения светодиодов.

Другим примером может служить наведенное напряжение в розетке. Она появляется в том случае, если образовался обрыв провода ноля. При этом, измеряя индикатором в розетке напряжение, обнаруживаются две фазы. На самом деле фаза одна. Вторая фаза исчезнет после устранения обрыва нулевого проводника.

Похожие темы:

Наведенное напряжение: механизм возникновения и определение, факторы опасности и меры защиты, рекомендации

Электроремонтные работы как на высоковольтных линиях передач, так и внутри квартиры имеют повышенную опасность из-за ряда факторов. Самый опасный и распространенный — это угроза электроудара. Его причиной может быть наведенное напряжение — опасное для здоровья человека явление из-за своей скрытой природы. Для защиты от него необходимо понимать суть этого явления.

• Природа явления
• Факторы опасности и меры защиты
• Наводка в бытовой сети

Возникновение побочного или наведенного напряжения в проводнике происходит по такому же принципу, как и напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Суть явления в следующем:

при движении электротока вокруг проводника возникает магнитное поле;

изменение силы тока и его направления вызывает изменение магнитного поля;

меняющееся магнитное поле разделяет разноименные заряды, что приводит к появлению разности потенциалов, то есть к напряжению.

Если не вдаваться в физические тонкости, напряжение наводки — это возникновение разности потенциалов в металлическом проводнике, который не подключен к источнику электротока, под действием электрического тока в расположенном рядом с ним другом проводнике. Чем ближе находятся проводники друг к другу и чем выше разность потенциалов в подключенном к сети проводнике, тем большее напряжение на изолированном проводнике.

Воздействие наведенного электротока имеет две составляющие: электромагнитную и электростатическую. Первая не составляет угрозы для жизни человека, но может сказываться на работоспособности некоторых приборов и устройств. Вторая более опасна для человека, при напряжении более 25 V принимают дополнительные меры безопасности.

Факторы опасности и меры защиты

Считается, что разность потенциалов от наводки более опасна, чем обычная. Штатные защитные устройства не рассчитаны на противодействие от нее. При работе на высоковольтных ЛЭП на отключенной линии может возникнуть разность потенциалов в несколько киловольт.

Выполнение работ с вышек или работа кранов вблизи ЛЭП выполняется по допуску и с применением дополнительных защитных мер, так как на металлической части оборудования и техники может возникнуть разность потенциалов.

Это грозит поражением людей электротоком и поломкой техники.

Необходимые меры безопасности прописаны в правилах техники безопасности при выполнении соответствующих работ. Самым простым и эффективным является устройство заземления отключенной линии.

Для надежности заземляющий контур имеет две линии, дублирующие друг друга. При случайном обрыве одной заземление будет осуществляться по другой.

Протяженные линии разбивают на отдельные участки, которые заземляются по отдельности.

Требования по ТБ:

на руки одеваются диэлектрические перчатки;

на ноги — резиновые боты, прошедшие проверку и имеющие соответствующую бирку;

одежда должна быть сухой, все работы не должны выполняться под дождем.

В квартире, частном доме или офисном помещении тоже можно встретить явление наводки напряжения. Обычно провода с питанием 220 V имеют две жилы: фазу и ноль.

При обрыве нулевого провода в нем появляется небольшая разность потенциалов.

Если в розетке с обрывом «ноля» искать фазу индикатором напряжения, то измерительный прибор покажет ее сразу на двух контактах, а на самом деле фаза только на одном контакте, на другом — напряжение наводки.

Еще одно проявление наведенного напряжения — это легкое свечение светодиодных ламп в выключенном состоянии. Светодиоды чувствительны к небольшому по величине напряжению. При наводке возникает разница потенциалов всего в несколько вольт, но этого достаточно для испускания небольшого по интенсивности светового потока светодиодами, видимого лишь в темноте.

Дополнительных мер защиты в быту от действия наводки не требуется, так как разница потенциалов в несколько вольт не составляет угрозы для здоровья человека. Обычные автоматические выключатели и устройства защитного отключения вполне справляются с потенциальной угрозой от электрического тока. Достаточно помнить о возможности неправильного определения фазного провода при обрыве нулевого.

Наведенное напряжение и опасность его воздействия на работников

Наведенное напряжение – высокое переменное напряжение возникающее в результате влияния высоковольтной линии передачи переменного тока на проходящие рядом низковольтные линии электропередач, линии связи или на любые протяженные проводники, изолированные от земли. Это напряжение может представлять существенную опасность для ремонтного персонала.

К числу возможных источников наведенных напряжений следует отнести прежде всего воздушные сети электрифицированного транспорта (на переменном токе — в рабочем и аварийном режимах, на постоянном токе — только в аварийном).

При электрификации железных дорог на переменном токе, наведенные напряжения возникают и в условиях нормальной работы ЛЭП — в переменных режимах, особенно, если напряжение составляет 500 кВ и выше.

Опасные ситуации могут возникать в следующих случаях:

прямое прикосновение к незаземленному проводу (тросу) ВЛ при нормальном режиме работы.

косвенное прикосновение к любым открытым проводящим частям, на которые заземлен провод (трос).

Опасность поражения при косвенном прикосновении существует как при нормальном, так и при аварийном режимах работы. Объектами прикосновения, как правило, являются:

опоры и фундаменты ВЛ;

подъемные механизмы;

раскаточные механизмы и оборудование.

При косвенном прикосновении человек попадает под напряжение прикосновения, вызванное стеканием тока с заземлителя.

Наведенные напряжения можно подразделить на мешающие и опасные. К мешающим следует отнести напряжения, вызывающие акустические удары в телефонах, ложные срабатывания блокировочных и сигнализационных элементов, нарушения телеграфной связи.

Опасными называют напряжения, которые могут вызвать электрическую, акустическую и ожоговую травму и повредить аппаратуру связи. Опасные напряжения возникают, как правило, только в аварийных режимах (короткие замыкания в сетях напряжением выше 1000 В, обрывы проводов и т. д.

), а мешающие — не только в случае аварии, но и в условиях нормальной работы в результате коммутационных явлений на линии электропередачи.

В качестве защитных мер в этих случаях можно рекомендовать создание временных электрических связей между металлическими частями механизмов и поверхностью земли.

Созданию таких связей способствует, например, применение стальной цепи, прикрепленной к шасси автомашины и волочащейся за ней по дороге, обвязывание автопокрышек стальными цепями, соединенными со ступицами колес, или, наконец, что лучше всего, использование автопокрышек, изготовленных из резины, проводящей электричество.

Запрещено раскатывать под линией электропередачи одновременно несколько ниток провода; находясь на земле, нельзя прикасаться к лежащим на земле линейным проводам, если их общая длина превышает 600 м.

Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 3276;

Наведенное напряжение

Содержание:

Нередко возникают ситуации, когда даже обесточенные линии электропередачи и связанные с ними электроустановки, могут представлять серьезную опасность для обслуживающего персонала. Причиной этого становится наведенное напряжение, суть которого будет рассмотрена ниже. Данное явление иногда возникает и в быту, при эксплуатации обычных сетей 220 вольт.

Почему возникает наведенное напряжение

Во многих случаях наведенное напряжение появляется на обесточенных воздушных линиях электропередач, выведенных из эксплуатации в ремонт.

Основным условием его возникновения считается электромагнитное поле, расположенное возле высоковольтной линии. Данная воздушная линия, проходящая параллельно с отключенной линией, производит наведение стороннего потенциала.

Это и будет наиболее простым ответом на вопрос, что такое наведенное напряжение.

Значение этого параметра постоянно изменяется, в зависимости от влияния определенных факторов, таких как протяженность участка, расстояние до фазных проводов, те или иные метеорологические условия.

Потенциал, наведенный на отключенную воздушную линию, состоит из двух активных составляющих – электромагнитной и электростатической.

• Электромагнитная составляющая образуется под влиянием магнитного поля. Само поле, в свою очередь, возникает под действием тока, протекающего по высоковольтной линии, расположенной рядом. Его величина будет оставаться неизменной даже при наличии заземления, устроенного в нескольких местах. Под действием заземления может измениться лишь место, где расположена точка с нулевым потенциалом.
• Электростатическую часть, наоборот, можно нейтрализовать с помощью заземляющей системы, которая устраивается на концах линии и в местах проведения работ. Величина наведенного напряжения снижается, если заземление выполнено хотя-бы в одной точке высоковольтной линии.

Теоретически возникновение наведенного напряжения происходит в следующем порядке. Если по проводнику течет переменный ток, то вокруг него будет создаваться электромагнитное поле. Интенсивность поля будет снижаться при постепенном удалении от проводника.

Кроме того, в электромагнитном поле наблюдается изменение пульсаций, когда направление и величина тока также изменяются. Если в зону действия поля попадет какой-либо другой проводник, в нем будет индуцировано наведенное напряжение. Значение напряжения определяется с помощью подключенных измерительных приборов. Таким образом определяется степень опасности для работающего персонала.

Например, если отключенная высоковольтная линия будет находиться под напряжением, не превышающим 25 вольт, ремонтные работы можно выполнять в обычных защитных средствах. Когда это значение будет превышено, потребуется проведение специальных технических мероприятий, использование дополнительных средств защиты.

Опасность наведенного напряжения

Все, кто работает с электричеством следует помнить, что в отличие от обычного рабочего, наведенное напряжение — это очень опасное явление, от которого не спасают традиционные защитные устройства и аппаратура.

Когда кто-нибудь из ремонтного персонала попадает под его воздействие, он будет находиться в таком состоянии, пока не будет с посторонней помощью освобожден от негативного влияния.

В такой же ситуации при рабочем напряжении происходит срабатывание защиты и автоматическое отключение цепи.

Отрицательно влияет и короткое замыкание. Когда замыкание случается на рабочей линии, многократное превышение тока захватывает и отключенную воздушную линию. Работающий персонал может получить ожоги, а в некоторых случаях не исключается летальный исход. Поэтому, даже если сеть полностью отключена, все равно необходимо соблюдение всех правил электробезопасности на линии.

Если же человек все-таки попал под влияние наведенного напряжения, следует как можно быстрее остановить течение тока через тело. Одним из спасательных технических мероприятий становится соединение с землей опасной части электроустановки. Самое простое, что можно сделать в данной ситуации, это убрать провод с помощью любого изолированного предмета.

Возникновение наводки в бытовых условиях

По мнению многих специалистов возникновение наведенного напряжения вполне возможно и в бытовых условиях, в домашней электрической сети напряжением 220 вольт.

Чаще всего это явление возникает в проводе, проложенном рядом с другим проводником, находящимся под напряжением.

Визуально это проявляется чуть заметным свечением диодных лампочек, когда выключатель находится в отключенном состоянии и означает, что рядом с обесточенным проводом очень близко проложена фазная жила.

Под действием электромагнитного поля возникает наводка незначительной величины. В некоторых случаях наведенное напряжение может появиться и в розетке из-за обрыва нулевого проводника.

Сущность и коварство наведенного напряжения – filmorsha

Сценарий видеофильма по технике безопасности: «Физическая  сущность и коварство наведенного напряжения».                                           Уважаемые работники, обслуживающие энергетическое оборудование, часто возникают ситуации, когда Вы подвергаетесь повышенной опасности.

Для обеспечения безопасности персонала в энергетике наработана необходимая нормативная база, четко выполняя которую, исключаются любые нештатные ситуации. 

Настоящий фильм – попытка еще раз напомнить Вам о строгом соблюдении всех необходимых Правил при проведении работ в энергоустановках в условиях наведенного напряжения.

Ваша жизнь – в Ваших руках 

!В этом фильме мы намерены расширить Ваши теоретические знания о коварном факторе, который подстерегает Вас при обслуживании всех видов энергоустановок.

Так что же такое наведенное напряжение? Какова его природа? Какие факторы определяют величину наведенного напряжения? Эти и ряд других вопросов мы осветим в первой части фильма “физическая сущность наведенного напряжения” .

 Как известно, при движении переменного тока по любому проводнику вокруг него возникает переменное электромагнитное поле. Оно более сильное возле проводника и слабеет по мере удаления от него. Это физическое явление проиллюстрировано на данных рисунках.

Здесь по проводнику A-A протекает переменный рабочий ток (J раб.) Красный цвет на рисунке – это условное обозначение электромагнитного поля. Интенсивность же окраски характеризует величину возникшего вокруг проводника лектромагнитного поля.

Как мы установили, по мере удаления от проводника, уменьшается интенсивность электромагнитного поля и на рисунке соответственно, по мере удаления от проводника снижается интенсивность окраски этого поля. В свою очередь, одновременно с изменением в проводнике величины и направления тока также пульсирует и возникающее вокруг проводника и электромагнитное поле.

На практике – проводник, это запитанные воздушные линии электропередачи, либо контактная сеть переменного тока железной дороги. Как параллельного следования, так и пересекающие отключенные воздушные линии, где Вы намерены работать.

 Физические свойства электромагнитного поля таковы, что при попадании в это поле любого другого металлического проводника, например воздушной линии, в последней, в результате преобразования электромагнитного поля, возникает, то есть индуцируется наведенное напряжение. Оно, как и рабочее – напряжение, смертельно опасно для жизни обслуживающего персонала.

Более того – значительно коварнее рабочего напряжения! 0 причинах его коварства поговорим ниже. Сейчас же рассмотрим еще один рисунок поясняющий суть вышеизложенного физического явления преобразования электромагнитного поля рабочего проводника в наведённое напряжение нерабочего проводника.

На этом рисунке, как и ранее, по проводнику А – А протекает переменный рабочий ток (J раб.). Вокруг этого проводника существует электромагнитное поле. (окрашено в красный цвет).

В это поле, например, попал неподключённый проводник Б – Б. В результате, если к концам этого проводника подключить вольтметр (V нав.), то он покажет наличие напряжения и в этом отключенном проводнике. Это и есть наведенное напряжение.

В целом, необходимо отметить, что наведенное напряжение бывает двух видов – электростатического (Vэ/стат.) и электромагнитного (Vэ/магн.) происхождения.Таким образом, все наведенное напряжение 

равно их сумме (V нав.= Vэ/стат. + Vэ/магн).

При обслуживании энергетического оборудования обязательно следует учитывать тот факт, что в отключенных энергоустановках и воздушных линиях может присутствовать наведенное напряжение.

А при пересечении и параллельном следовании включенных линий электропередачи переменного тока, оно присутствует всегда в отключенных энергоустановках и воздушных линиях электропередачи!!       

Причем, в целом по Республике определены линии электропередачи на которых даже после наложения всех необходимых заземлений, имеются участки где присутствует наведенное напряжение более 42 вольт опасное для жизни человека. 

А сейчас давайте рассмотрим все факторы, определяющие величину наведённого напряжения. Их три. Это значение рабочего тока, протекающего по проводнику.

Например, по воздушной линии электропередачи или пересекающей контактной сети переменного тока железной дороги. В целом, это и понятно.

Ведь чем больше значение тока, протекающего по рабочему проводнику, тем, естественно, и сильнее электромагнитное поле вокруг этого проводника. Соответственно, будет выше и значение наведенного напряжения в нерабочем проводнике.

Далее. Расстояние между рабочим проводником и нерабочим. То есть между запитанными линиями и отключёнными линиями электропередачи. Аналогично и с расстоянием между этими проводниками. Чем ближе нерабочий проводник расположен к рабочему, тем он больше попадает в более сильное электромагнитное поле рабочего проводника.

Соответственно, в нерабочем проводнике возникает и более высокое наведенное напряжение. И наоборот. По мере удаления нерабочего проводника от рабочего, ослабевает электромагнитное поле и соответственно – уменьшается значение наведенного напряжения в нерабочем проводнике. И наконец – значение длины параллельного следования рабочего и нерабочего проводников.

Чем больше расстояние параллельного или попутного следования какой – либо запитанной воздушной линии с отключенной воздушной линией, тем более сильное oнa испытывает влияние электромагнитного поля запитанной линии. И соответственно, будет выше и значение наведенного напряжения в отключённой линии.

 При эксплуатации энергоустановок в целях обеспечения надлежащей электробезопасности следует учитывать все вышеперечисленные факторы, влияющие на величину наведенного напряжения. Но это мы рассмотрели лишь физическую сущность наведенного напряжения. Так сказать его лицо.

А характер этого явления? В чём проявляется коварство наведенного напряжения и каковы последствия для персонала, попавшего под его воздействие?Наведенное напряжение воздействует на организм человека аналогично рабочему напряжению.

Так, протекание тока от наведённого напряжения через жизненно важные органы либо парализует их (при малой величине тока), либо разрушает (при более значительных токах). Причём, как правило, при этом не происходит сильных ожогов или возгораний, так как мощность этого поражающего фактора невелика.

В то же время величина наведенного напряжения достаточна, чтобы преодолеть сопротивление одежды и обуви. Иначе говоря, там, где попадание человека под рабочее напряжение 220 или 380 вольт иногда может окончиться благополучно из – за изолирующих свойств одежды и обуви работающего, то в случае с попаданием под наведённое напряжение та же одежда и обувь будут пробиты, 

Кроме этого отличия, есть и еще ряд явлений характерных только для наведенного напряжения, проясняющих его коварство и делающих его значительно опаснее рабочего напряжение.

Одно из этих явления – короткое замыкание в рабочей линии, которое одновременно провоцирует аналогичный по времени всплеск тока и наведенного напряжения в отключенной линии. Этот ток может продолжаться от долей до единиц секунд.

Нередко у персонала притупляется бдительность, проявляется расхлябанность и безрассудность к соблюдению ими Правил техники безопасности.

А зря! Ведь не исключено, что во время их работы на отключенной, но не заземлённой цепи, в соседней рабочей цеписможет возникнуть короткое замыкание или другой всплеск значения тока! Что тогда?.

. Последствия непредсказуемы. Вплоть до смертельного исхода! Кроме этих факторов имеется еще два отличия, делающих наведенное напряжение значительно опаснее рабочего. Первое отличие состоит в том, что при попадании работающего под наведенное напряжение, этого факта никакая защита не чувствует и пострадавший находится под воздействием этого опасного фактора до его освобождения.  Ведь когда человек попадает под рабочее напряжение,то в электрической цепи возникает короткое замыкание, что приводит к срабатыванию защиты и автоматическому отключению данной энергоустановки. Таким образом, время воздействия электрического тока на организм пострадавшего равно времени срабатывания защиты (от долей секунды до единиц секунд).

 В низковольтных сетях роль защиты выполняют предохранители или автоматы В цепях выше тысячи вольт эту роль выполняют устройства pелейной защиты с воздействием на масляные (вакуумные) выключатели или отделители. 

В этом случае пострадавший, в основном, получает сильные ожоги, но достаточно слабое воздействие от протекания электрического тока. Случаи выживания в такой ситуации довольно часты.

В случае же попадания под наведённое напряжение никакая защита этого не чувствует, так как в работающей линии электрический ток практически не увеличивается и, естественно, рабочая линия по этой причине не отключаются.

Значит, опасный или смертельные ток наведённого напряжения будет протекать через пострадавшего до тех пор, пока кто либо не примет специальных мер по освобождению пострадавшего от воздействия наведённого напряжения. А это могут быть секунды, минуты. Поэтому большинство попаданий под наведенное напряжение кончаются.

трагически, хотя внешние повреждения тела при этом бывают незначительны.

И последняя специфика влияния наведённого напряжения на работающего попавшего под его воздействие – пострадавший, как правило, успевает ухватиться за отключенный проводник,где присутствует ток наведенного напряжения и из-за судорожного захвата руками за проводник – под воздействием тока находится до тех пор, пока не будут приняты меры по прекращению протекания тока через пострадавшего. При опасном приближении к рабочему напряжению выше тысячи вольт пострадавший пopажаетсс еще до прикосновения к токоведущим частям, поскольку пробивается воздух и его как бы «отбрасывает» электрическим ударом. В сочетании с автоматическим отключением установки воздействие электрического тока сводится к возможному минимуму и нередко жизнь пострадавшего бывает спасена. Таким образом, если при попадании под рабочее напряжение пострадавшего как бы “отбрасывает” рабочее напряжение, то при воздействии наведённого напряжения, наоборот, работающего как бы “притягивает” к проводу, тросу и так далее. А учитывая, что в последнем случае еще и не срабатывает никакая защита в электрический цепи рабочего проводчика, то в большинстве случаев попадания под наведенное напряжение, исход трагичен – смерть! Но если все же работающий попал под воздействие наведенного напряжения, то какие необходимо принять меры по освобождению пострадавшего от воздействия наведенного напряжения? Во – первых следует помнить, что освобождение пострадавшего от воздействия наведенного напряжения без изолирующих средств опасно для лиц, оказывающих первую медицинскую помощь. Чаще всего, пострадавший держится руками за элемент с наведенным напряжением, то есть его «притянуло».Самым надежным и правильным способам освобождения пострадавшего от воздействия наведенного напряжения является принятие мер по исключению протекания поражающего тока через человека. С этой целью необходимо металлической связью соединить с «землей» часть энергоустановки, за которую держится пострадавший. То есть таким образом создать однопотенциальную зону в месте поражения Руки пострадавшего разомкнутся, поскольку через него полностью прекратится протекание тока наведённого напряжения, Что в данном случае происходит явно видно на рисунке.Наиболее эффективным способом освобождения пострадавшего от наведенного напряжения является применение наброса – заземления. Причём в момент касания набрасываемого металлического предмета на части, находящиеся под наведенным напряжением, следует исключить касание этого металлического набрасываемого предмета людей, включая и самого пострадавшего. Во всех случаях освобождения пострадавшего следует помнить, что как только прекратится воздействие наведенного напряжения, судорожное сжатие рук кончается и пострадавший падает. В результате, он может получить ещё и механическую травму. Поэтому необходимо накануне освобождения пострадавшего, принять меры по предотвращению падения пострадавшего. Но это трагический случай. Чтобы исключить подобное следует в полном объеме принимать меры безопасности по защите от воздействия наведенного напряжения?

  Они определены “Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок”, “указаниями по подготовке рабочих мест и допуску к работам на воздушных линиях 220 –750 киловольт под наведенным напряжением” и соответствующими типовыми Технологическими картами по эксплуатации и ремонту линий электропередачи. 

Полное и правильное выполнение требований, изложенных в этих нормативных документах мы рассмотрим в следующем видеофильме.

Сейчас же, уважаемый зритель, надеемся, Вы поняли не только природу наведенного напряжения, но уяснили главное, что наведенное напряжение более коварно и опасно, чем рабочее напряжение и что оно может появиться в любой момент в установках переменного тока! Об этом! следует помнить постоянно! Не всякий ток убивает, но всякий ток может убить!                                        

 Автор сценария и фильма                   Э. НАВОГОНСКИЙ

Как рассчитать индукционные токи, напряжение и петли — Видео и стенограмма урока

Приложения

Трансформаторы — это устройства, используемые для увеличения или уменьшения напряжения. Они состоят из железного металлического сердечника в форме рамки для фотографий. По обе стороны от железного сердечника — петли из проволоки. Напряжение первичной обмотки влияет на напряжение вторичной обмотки. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная обмотка, напряжение повышается до более высокого напряжения. Если вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная обмотка, напряжение понижается до более низкого напряжения.Он используется при передаче электроэнергии от электростанций к жилым домам и предприятиям.

Электрические зубные щетки заряжаются за счет наведенного напряжения. Внутри зарядного устройства находится катушка с проводом. Зарядное устройство имеет катушку, которая испытывает изменяющееся магнитное поле из-за переменного тока в электрической системе дома. Поскольку магнитное поле изменяется из-за переменного тока, в катушке индуцируется ток, который заряжает электрическую зубную щетку.

Теперь давайте сделаем расчет с учетом наведенных напряжений и токов из-за изменения магнитных полей.

Пример

Подсказка: круглый провод с радиусом 10 см подвергается воздействию магнитного поля 0,1 Тл, направленного вверх. Круглый проводник перпендикулярен магнитному полю и имеет сопротивление 0,2 Ом. Магнитное поле увеличивается до 0,5 Тл за 0,5 секунды. Какова величина индуцированного напряжения, индуцированного тока и направления тока?

Решение: Всегда полезно нарисовать сценарий.

Магнитное поле увеличивается с 0,1 Тл до 0,5 Тл за 0,5 с.

Нам нужно определить ΔΦ , то есть изменение магнитного потока. Поскольку петля круговая, площадь будет вычисляться с использованием уравнения площади круга, πr2 .

Расчет изменения магнитного потока

Теперь мы можем подставить ΔΦ в наше уравнение:

Наведенное напряжение

Как видим, наведенное напряжение ≈ 0.025 В. С помощью закона Ома можно определить силу тока в контуре.

V = IR

I = V / R

I = 0,025 В / 0,2 Ом

I ≈ 0,13 ампер

Мы можем определить направление тока, указав правой рукой большой палец вверх, потому что проволочная петля не хочет, чтобы магнитное поле изменялось, и оно уменьшается в направлении вниз. Кончик большого пальца правой руки направлен вверх, а пальцы правой руки согнуты влево.Если посмотреть на петлю, это будет поток против часовой стрелки.

Наведенный ток против часовой стрелки

Итоги урока

Давайте рассмотрим. Закон Фарадея определяет наведенное напряжение в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока. Магнитный поток — это величина магнитного поля, проникающего перпендикулярно через область. Катушка с проволокой, которая испытывает изменяющееся магнитное поле и / или изменение площади катушки, вызывает изменение магнитного потока.

Магнитный поток

Это вызовет напряжение, создающее электрический ток через провод. Направление тока создаст магнитное поле в том направлении, которое будет пытаться поддерживать постоянное чистое магнитное поле.

Наведенное напряжение

Закон Ома ( В = IR ) можно использовать для определения наведенного тока в контуре.

Трансформаторы — это устройства, которые увеличивают или уменьшают напряжение в зависимости от количества витков провода вокруг первичной и вторичной катушек на противоположных сторонах железного сердечника. Они используются для передачи электроэнергии от электростанций к жилым домам и предприятиям, а также в системах зарядки электрических зубных щеток.

Закон индукции Фарадея: Закон Ленца

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте ЭДС, ток и магнитные поля, используя закон Фарадея.
• Объясните физические результаты Закона Ленца

Закон Фарадея и Ленца

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению магнитного потока Δ Φ . Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δ t наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δ t . Наконец, если катушка имеет Н витков, будет создана ЭДС, которая в Н в раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна Н .Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[латекс] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея . Обычно единицами измерения ЭДС являются вольты. Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые препятствуют изменению потока Δ Φ — это известно как закон Ленца . Направление (обозначенное знаком минус) ЭДС настолько важно, что оно было названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц так ясно изложил его, что ему приписывают его открытие. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. (a) Когда стержневой магнит вставляется в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном стержневому магниту, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противодействует изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с RHR-2.

Стратегия решения проблем закона Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определите направление магнитного поля B.
3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению магнитного потока, добавляя или вычитая из исходного поля.
5. Используйте RHR-2, чтобы определить направление индуцированного тока I, ответственного за индуцированное магнитное поле B.
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительного вывода ЭДС и возвращающийся к его отрицательному выводу.

Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным на Рисунке 1, и другим, которые являются частью следующего текстового материала.

Применение электромагнитной индукции

Существует множество применений закона индукции Фарадея, которые мы исследуем в этой и других главах. На этом этапе позвольте нам упомянуть несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное приложение связано с аудио- и видеопленкой , записывающей ленты . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, вокруг которого намотана катушка с проволокой — электромагнит (рис. 2).Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые являются функцией амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, таким образом записывая сигнал. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по конструкции записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в проволочной катушке в воспроизводящей головке.Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

Рис. 2. Головки для записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитными лентами. (кредит: Стив Джурветсон)

Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютера, только с гораздо большей скоростью. Здесь записи находятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывающие головки создавались по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается серия нулей или единиц.Сегодня большинство считывающих устройств с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того факта, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке из железа и хрома могут вызывать гораздо большие изменения электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти на магнитной полосе на магнитной полосе. на оборотной стороне вашей личной кредитной карты, которая использовалась в продуктовом магазине или в банкомате.Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеокассета, упомянутая в последнем абзаце, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

Другое применение электромагнитной индукции — это когда электрические сигналы должны передаваться через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном на внешней стороне черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе.Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы должны передаваться через различные среды.

Рис. 3. Электромагнитная индукция, используемая при передаче электрического тока через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (кредит: Бьорн Кнетч)

Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно реализуется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование.Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно объяснить нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге. В транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в головном мозге. В идентифицированных участках индуцируются слабые электрические токи, которые могут привести к восстановлению электрических функций в тканях мозга.

Апноэ сна («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей, и это может быть причиной внезапной детской смерти [SID]).У таких людей дыхание может неоднократно останавливаться во время сна. Прекращение действия более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. У младенцев проблема заключается в задержке дыхания на это более длительное время. В одном из типов мониторов, предупреждающих родителей о том, что ребенок не дышит, используется электромагнитная индукция. В проводе, обмотанном вокруг груди младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца во время дыхания изменяет площадь спирали.В расположенной рядом катушке датчика индуцируется переменный ток из-за изменения магнитного поля исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, наведенный ток изменится, и родители могут быть предупреждены.

Установление соединений: сохранение энергии

Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии.Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца — следствие. Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика наведенная ЭДС?

Рассчитайте величину наведенной ЭДС, когда магнит, показанный на Рисунке 1 (а), вдавливается в катушку, учитывая следующую информацию: одноконтурная катушка имеет радиус 6.00 см, а среднее значение B cos θ (это дано, поскольку поле стержневого магнита сложное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

Стратегия

Чтобы найти величину ЭДС , мы используем закон индукции Фарадея, как указано в [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex], но без знака минус, указывающего направление:

[латекс] \ text {emf} = N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Решение

Нам дано, что N = 1 и Δ t = 0.100 с, но мы должны определить изменение потока Δ Φ , прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что

ΔΦ = Δ ( BA cos θ ) = AΔ ( B cos θ ).

Теперь Δ ( B cos θ ) = 0,200 Тл, поскольку было задано, что B cos θ изменяется от 0,0500 до 0,250 Тл. Площадь контура A = πr2 = (3,14…) ( 0,060 м) ² = 1,13 × 10 ⁻² м ² .{2} \ right) \ left (0.200 \ text {T} \ right)} {0.100 \ text {s}} = 22.6 \ text {mV} \\ [/ latex].

Обсуждение

Хотя это напряжение легко измерить, его явно недостаточно для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

Поиграйте с стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея.Поднесите стержневой магнит к одной или двум катушкам, чтобы лампочка загорелась. Просмотрите силовые линии магнитного поля. Измеритель показывает направление и величину тока. Просмотрите силовые линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Человек, работающий с большими магнитами, иногда помещает голову в сильное поле.Она сообщает, что у нее кружится голова, когда она быстро поворачивает голову. Как это может быть связано с индукцией?
2. Ускоритель частиц отправляет заряженные частицы с высокой скоростью по откачанной трубе. Объясните, как катушка с проволокой, намотанная вокруг трубы, может обнаруживать прохождение отдельных частиц. Нарисуйте график выходного напряжения катушки при прохождении через нее одиночной частицы.

Задачи и упражнения

1. Как показано на Рисунке 5 (а), каково направление тока, индуцируемого в катушке 2: (а) Если ток в катушке 1 увеличивается? (b) Если ток в катушке 1 уменьшается? (c) Если ток в катушке 1 постоянный? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

Рис. 5. (a) Катушки лежат в одной плоскости. (б) Проволока находится в плоскости катушки.

2. Как показано на Рисунке 5 (b), каково направление тока, индуцируемого в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? (б) Если ток в проводе уменьшится? (c) Если ток в проводе внезапно меняет направление? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

3. Как показано на Рисунке 6, каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (a) Когда переключатель в первый раз замыкается? (б) Когда переключатель был замкнут в течение длительного времени? (c) Сразу после размыкания переключателя?

Рисунок 6.

4. Повторите предыдущую проблему с перевернутой батареей.

5. Убедитесь, что единицами измерения Δ Φ / Δ t являются вольты. То есть показать, что 1 Тл м ² / с = 1 В.

6. Предположим, что 50-витковая катушка лежит в плоскости страницы в однородном магнитном поле, направленном внутрь страницы. Змеевик изначально имел площадь 0,250 м ² . Он растягивается, чтобы не было площади за 0,100 с. Каковы направление и величина наведенной ЭДС, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1.50 т?

7. (a) Техник МРТ перемещает свою руку из области очень низкой напряженности магнитного поля в поле 2,00 Тл сканера МРТ, указывая пальцами в направлении поля. Найдите среднюю ЭДС, индуцированную в его обручальном кольце, учитывая его диаметр 2,20 см и предполагая, что для его перемещения в поле требуется 0,250 с. (б) Обсудите, может ли этот ток существенно изменить температуру кольца.

8. Integrated Concepts Ссылаясь на ситуацию в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно 0.0100 Ом? (б) Какая средняя мощность рассеивается? (c) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

9. ЭДС индуцируется вращением катушки с 1000 витками диаметром 20,0 см в магнитном поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл. Какая средняя ЭДС индуцируется, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и повернута параллельно полю за 10,0 мс?

10.Катушка с 500 витками радиусом 0,250 м поворачивается на одну четверть оборота за 4,17 мс, первоначально ее плоскость перпендикулярна однородному магнитному полю. (Это 60 об / с.) Найдите напряженность магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

11. Integrated Concepts Примерно как ЭДС, наведенная в петле на рисунке 5 (b), зависит от расстояния центра петли от провода?

12. Integrated Concepts (a) Молния создает быстро меняющееся магнитное поле.Если болт ударяется о землю вертикально и действует как ток в длинном прямом проводе, он вызывает напряжение в петле, выровненной, как показано на рисунке 5 (b). Какое напряжение индуцируется в петле диаметром 50,0 м 1,00 м от удара молнии 2,00 × 10 6 , если ток падает до нуля за 25,0 мкс? (b) Обсудите обстоятельства, при которых такое напряжение может привести к заметным последствиям.

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:

средство вычисления ЭДС в катушке из-за изменения магнитного потока, заданное как [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex]

Закон Ленца:

знак минус в законе Фарадея, означающий, что ЭДС, индуцированная в катушке, противодействует изменению магнитного потока

Избранные решения проблем и упражнения

1.(a) CCW (b) CW (c) Отсутствие индуцированного тока

3. (a) 1 против часовой стрелки, 2 против часовой стрелки, 3 по часовой стрелке (b) 1, 2 и 3 без тока индуцированного (c) 1 CW, 2 CW, 3 CCW

7. (a) 3,04 мВ (b) В качестве нижнего предела для кольца, оценка R = 1,00 мОм. Передаваемое тепло составит 2,31 мДж. Это небольшое количество тепла.

9. 0,157 В

11. пропорционально [латексу] \ frac {1} {r} \\ [/ latex]

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея | Электромагнетизм

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея (ESBPY)

Ток, индуцированный изменяющимся магнитным полем (ЭСБПЗ)

В то время как удивительное открытие электромагнетизма Эрстедом проложило путь для более практического применения электричество, именно Майкл Фарадей дал нам ключ к практическому производству электричества: электромагнитная индукция .

Фарадей обнаружил, что когда он перемещал магнит рядом с проводом, на нем генерировалось напряжение.Если бы магнит был при неподвижном состоянии напряжение не генерировалось, оно существовало только во время движения магнита. Мы называем это напряжение наведенной ЭДС (\ (\ mathcal {E} \)).

Контурная петля, подключенная к чувствительному амперметру, будет регистрировать ток, если он настроен, как на этом рисунке, и магнит перемещается вверх и вниз:

Магнитный поток

Прежде чем мы перейдем к определению закона электромагнитной индукции Фарадея и примерам, нам сначала понадобится потратить некоторое время на изучение магнитного потока.Для петли площади \ (A \) при наличии форменной магнитное поле, \ (\ vec {B} \), магнитный поток (\ (φ \)) определяется как: \ [\ phi = BA \ cos \ theta \] Где: \ begin {align *} \ theta & = \ text {угол между магнитным полем B и нормалью к петле в области A} \\ A & = \ text {область петли} \\ B & = \ text {магнитное поле} \ end {align *}

Единицей измерения магнитного потока является Вебер (Вб).

Вы можете спросить себя, почему включен угол \ (\ theta \). Поток зависит от магнитного поля, которое проходит через поверхность. Мы знаем, что поле, параллельное поверхности, не может вызвать ток, потому что оно не проходят через поверхность. Если магнитное поле не перпендикулярно поверхности, то есть составляющая который перпендикулярен и компонент, параллельный поверхности. Параллельный компонент не может вносить свой вклад в поток может только вертикальная составляющая.

На этой диаграмме мы показываем, что магнитное поле под углом, отличным от перпендикулярного, может быть разбито на компоненты. Компонент, перпендикулярный поверхности, имеет величину \ (B \ cos (\ theta) \), где \ (\ theta \) — угол между нормалью и магнитным полем.

временный текст

Закон электромагнитной индукции Фарадея

ЭДС \ (\ mathcal {E} \), создаваемая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитный поток φ через область A петли.Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

где \ (\ phi = B · A \), а B — напряженность магнитного поля. \ (N \) — количество контуров схемы. Магнитное поле измеряется в теслах (Тл). Знак минус указывает направление и что индуцированный ЭДС имеет тенденцию противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно игнорировать при вычислении величины.

временный текст

Закон Фарадея связывает наведенную ЭДС со скоростью изменения магнитного потока, который является произведением магнитного поля и площадь поперечного сечения, через которую проходят силовые линии.

Это не площадь самого провода, а площадь, которую он ограничивает. Это означает, что если вы согнете провода в круг, площадь, которую мы будем использовать при вычислении потока, — это площадь поверхности круга, а не провод.

На этом рисунке, где магнит находится в той же плоскости, что и контур цепи, ток не будет даже если магнит перемещался все ближе и дальше. Это потому, что силовые линии магнитного поля не проходят через замкнутая территория, но параллельны ей.Силовые линии магнитного поля должны проходить через область, ограниченную контурная петля для наведения ЭДС.

Направление индуцированного тока (ESBQ2)

Самая важная вещь, которую следует помнить, — это то, что индуцированный ток противостоит происходящим изменениям.

На первом рисунке (слева) контурная петля имеет южный полюс приближающегося магнита. Величина поле от магнита становится больше. Отклик от индуцированной ЭДС будет заключаться в том, чтобы попытаться противостоять полю. к полюсу становится сильнее.Поле является векторным, поэтому ток будет течь в таком направлении, что поля из-за тока имеют тенденцию нейтрализовать поля от магнита, сохраняя результирующее поле неизменным.

Чтобы противостоять переходу от приближающегося южного полюса сверху, ток должен приводить к силовым линиям, которые отойти от приближающегося полюса. Следовательно, индуцированное магнитное поле должно иметь силовые линии, идущие вниз на внутренняя часть петли. Направление тока, указанное стрелками на контуре цепи, будет достигнуто.Проверьте это, используя Правило правой руки. Поместите большой палец правой руки в направлении одной из стрелок и обратите внимание на поле закручивается вниз в область, ограниченную петлей.

На второй диаграмме южный полюс удаляется. Это означает, что поле от магнита будет становиться слабее. Реакция на индуцированный ток будет заключаться в создании магнитного поля, которое добавляется к существующему. от магнита, чтобы сопротивляться его уменьшению в силе.

Другой способ представить ту же функцию — просто использовать полюса. Чтобы противостоять приближающемуся южному полюсу, течению индуцированное создает поле, которое выглядит как еще один южный полюс со стороны приближающегося южного полюса. Подобно отталкиванию полюсов, вы можете представить себе, как течение создает южный полюс, чтобы отразить приближающийся южный полюс. В на второй панели течение устанавливает северный полюс, чтобы привлечь южный полюс и остановить его движение.

Мы также можем использовать вариант правила правой руки, помещая пальцы в направлении тока к направьте большой палец в направлении силовых линий (или северного полюса).

Мы можем проверить все это на случаях, когда северный полюс перемещается ближе или дальше от цепи. Для В первом случае приближения северного полюса ток будет сопротивляться изменению, создавая поле в противоположное направление полю от усиливающегося магнита. Используйте Правило правой руки, чтобы подтвердить что стрелки создают поле с полевыми линиями, которые загибаются вверх в замкнутой области, отменяя те закручиваясь вниз от северного полюса магнита.

Подобно отталкиванию шестов, в качестве альтернативы проверьте, направив пальцы правой руки в направлении ток оставляет ваш большой палец направленным вверх, указывая на северный полюс.

Для второго рисунка, где северный полюс удаляется, ситуация обратная.

Направление индуцированного тока в соленоиде (ESBQ3)

Подход к просмотру направления тока в соленоиде аналогичен подходу, описанному выше.Единственная разница в том, что в соленоиде есть несколько витков проволоки, поэтому величина наведенного ЭДС будет другой. Поток будет рассчитан с использованием площади поверхности соленоида, умноженной на количество петель.

Помните: направления токов и связанных с ними магнитных полей можно найти с помощью только Правило правой руки. Когда пальцы правой руки направлены в направлении магнитного поля, большой палец указывает в направлении тока.Когда большой палец направлен в направлении магнитного поле, пальцы указывают в направлении тока.

Направление тока будет таким, чтобы препятствовать изменению. Мы бы использовали установку, как в этом скетче, чтобы сделать тест:

В случае, когда северный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте, используя Правый Правило руки):

В случае, когда северный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что южный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его:

временный текст

Самый простой способ создать магнитное поле изменяющейся интенсивности — переместить постоянный магнит рядом с проводом или катушка с проволокой.Магнитное поле должно увеличиваться или уменьшаться по напряженности перпендикулярно к проводу (так что силовые линии магнитного поля «пересекают» проводник), иначе не будет индуцироваться напряжение.

Индуцированный ток создает магнитное поле. Наведенное магнитное поле имеет направление, которое стремится к компенсируют изменение магнитного поля в петле из проволоки. Итак, вы можете использовать Правило правой руки, чтобы найти направление индуцированного тока, помня, что индуцированное магнитное поле противоположно по направлению к изменению магнитного поля.

Индукция

Электромагнитная индукция находит практическое применение при строительстве электрогенераторов, использующих механическая сила для перемещения магнитного поля мимо катушек с проволокой для генерации напряжения. Однако это отнюдь не единственное практическое применение этого принципа.

Если вспомнить, магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом, всегда перпендикулярно проводу, и что сила потока этого магнитного поля зависит от величины тока, который проходит через него.Мы Таким образом, можно увидеть, что провод способен создавать напряжение на своей собственной длине , если ток равен меняется. Этот эффект называется самоиндукцией . Самоиндукция — это когда изменяющееся магнитное поле создается путем изменения тока через провод, вызывающего напряжение по длине того же провода.

Если магнитный поток усиливается за счет сгибания проволоки в форме катушки и / или наматывания этой катушки вокруг материала с высокой проницаемостью этот эффект самоиндуцированного напряжения будет более интенсивным.Устройство сконструированный так, чтобы воспользоваться этим эффектом, называется дросселем .

Помните, что индуцированный ток создает магнитное поле, которое противодействует изменению магнитного потока. Это известно как закон Ленца.

Рабочий пример 1: закон Фарадея

Рассмотрим плоскую квадратную катушку с 5 витками. Катушка — это \ (\ text {0,50} \) \ (\ text {m} \) с каждой стороны и имеет магнитное поле \ (\ text {0,5} \) \ (\ text {T} \), проходящее через него.Плоскость катушки перпендикулярна магнитное поле: поле указывает за пределы страницы. Используйте закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС, если магнитное поле увеличивается равномерно от \ (\ text {0,5} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {1} \) \ (\ text {T} \) в \ (\ text {10} \) \ (\ text {s} \). Определите направление индуцированного тока.

Определите, что требуется

Мы обязаны использовать Закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под прямым углом к ​​поверхности и поэтому выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \). Стартовый или начальное магнитное поле, \ (B_i \), задается как конечная величина поля, \ (B_f \). Мы хотим определить величина ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус.2 (\ text {1} — \ text {0,50})} {\ text {10}} \\ & = \ текст {0,0625} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Наведенный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны нарастающего магнитного поля.

Рабочий пример 2: закон Фарадея

Рассмотрим соленоид из 9 витков с неизвестным радиусом \ (r \). На соленоид действует магнитное поле величиной \ (\ text {0,12} \) \ (\ text {T} \). Ось соленоида параллельна магнитному полю.Когда поле равномерно переключается на \ (\ text {12} \) \ (\ text {T} \) в течение 2 минут ЭДС с величиной \ (- \ text {0,3} \) \ (\ text {V} \) индуцируется. Определите радиус соленоида.

Определите, что требуется

Требуется определить радиус соленоида. Мы знаем, что связь между индуцированными ЭДС и поле регулируются законом Фарадея, который включает геометрию соленоида.Мы можем использовать это отношения, чтобы найти радиус.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под прямым углом к ​​поверхности и поэтому выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \). Стартовый или начальное магнитное поле \ (B_i \) задается как конечная величина поля, \ (B_f \).{- \ text {2}} \) \ (\ text {m} \). В соленоид подвергается воздействию переменного магнитного поля, которое равномерно изменяется от \ (\ text {0,4} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {3,4} \) \ (\ text {T} \) в интервале \ (\ text {27} \) \ (\ text {s} \). Ось соленоида составляет угол \ (\ text {35} \) \ (\ text {°} \) к магнитному полю. Найдите наведенную ЭДС.

Определите, что требуется

Мы обязаны использовать Закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под углом к ​​нормали к поверхности. Это означает, что мы должны учитывать угол, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \ cos (\ theta) \). Стартовый или начальный магнитный поле, \ (B_i \), задается как конечная величина поля, \ (B_f \). Мы хотим определить величину ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус.{- \ text {3}} \ text {V} \ end {выровнять *}

Наведенный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны нарастающего магнитного поля.

временный текст

Реальные приложения

Следующие устройства используют в своей работе закон Фарадея.

• индукционные плиты

• магнитофонов

• металлоискатели

• трансформаторы

Реальные применения закона Фарадея

Выберите одно из следующих устройств и поищите в Интернете или библиотеке, как ваше устройство работает.В объяснении вам нужно будет сослаться на закон Фарадея.

• индукционные плиты

• магнитофонов

• металлоискатели

• трансформаторы

Закон Фарадея

Учебное упражнение 10.2

Изложите закон электромагнитной индукции Фарадея словами и запишите математическое соотношение.

ЭДС \ (\ mathcal {E} \), создаваемая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитного потока φ через площадь A контура. Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

где \ (\ phi = B · A \), а B — напряженность магнитного поля. \ (N \) — номер цепи петли.Магнитное поле измеряется в теслах (Тл). Знак минус указывает направление и что наведенная ЭДС стремится противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно игнорировать при расчете звездных величин.

Опишите, что происходит, когда стержневой магнит вдавливается в соленоид, подключенный к амперметр. Нарисуйте картинки, подтверждающие ваше описание.

В случае, когда северный полюс направлен к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте используя Правило правой руки):

В случае, когда северный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что южный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его:

Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

Поток связан с магнитным полем:

\ (\ phi = BA \ cos \ theta \)

Если \ (\ cos \ theta \) равно 0, то магнитный поток будет равен 0, даже если есть магнитное поле. В этом случае магнитное поле параллельно поверхности и не проходит через нее.

Используйте правило правой руки, чтобы определить направление индуцированного тока в соленоиде ниже.

Южный полюс магнита приближается к соленоиду. Закон Ленца говорит нам, что ток будет течь чтобы противостоять изменению. Южный полюс на конце соленоида будет противодействовать приближающемуся югу. столб. Ток будет циркулировать по странице в верхней части катушки, так что большой палец справа рука указывает налево.

Рассмотрим круговую катушку из 5 витков с радиусом \ (\ text {1,73} \) \ (\ text {m} \).Катушка подвергается к изменяющемуся магнитному полю, которое равномерно изменяется от \ (\ text {2,18} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {12,7} \) \ (\ text {T} \) в интервале \ (\ text {3} \) \ (\ text {minutes} \). Ось соленоид составляет угол \ (\ text {27} \) \ (\ text {°} \) к магнитному полю. Найдите наведенную ЭДС.

Мы знаем, что магнитное поле расположено под углом к ​​нормали к поверхности.{2} \ cos (\ text {27}) (\ text {12,7} — \ text {2,18})} {\ text {3} \ times \ text {60}} \ right) \\ & = \ текст {2,45} \ текст {V} \ end {выровнять *}

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {A \ cos \ theta (B_ {f} — B_ {i})} {\ Delta t} \\ & = 11 \ left (\ frac {\ pi (\ text {13,8} \ times \ text {10} ^ {- \ text {2}}) ^ {2} \ cos (\ text {13}) ( \ text {2,7} — \ text {5,34})} {12} \ right) \\ & = — \ текст {0,14} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Если угол изменить на \ (\ text {67,4} \) \ (\ text {°} \), какой радиус должен быть для ЭДС остаться прежней?

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {A \ cos \ theta (B_ {f} — B_ {i})} {\ Delta t} \\ — \ text {0,14} & = 11 \ left (\ frac {\ pi (r) ^ {2} \ cos (\ text {67,4}) (\ text {2,7} — \ text {5 , 34})} {12} \Правильно) \\ — \ text {1,68} & = — \ text {35,06} (r) ^ {2} \\ г ^ {2} & = \ текст {0,0479} \\ г & = \ текст {0,22} \ текст {м} \ end {выровнять *}

Найдите изменение потока, если ЭДС равна \ (\ text {12} \) \ (\ text {V} \) за период \ (\ text {12} \) \ (\ текст {s} \).

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ 12 & = 5 \ left (\ frac {\ Delta \ phi} {12} \ right) \\ \ Delta \ phi & = \ text {28,8} \ text {Wb} \ end {выровнять *}

Если угол изменить на \ (\ text {45} \) \ (\ text {°} \), какой временной интервал должен изменить на, чтобы наведенная ЭДС оставалась прежней?

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = \ cos \ theta \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t} \ end {выровнять *}

Все значения остаются неизменными в двух описанных ситуациях, за исключением угла и время.Мы можем приравнять уравнения для двух сценариев:

\ begin {align *} \ mathcal {E} _1 & = \ mathcal {E} _2 \\ \ cos \ theta_1 \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t_1} & = \ cos \ theta_2 \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t_2} \\ \ cos \ theta_1 \ frac {1} {\ Delta t_1} & = \ cos \ theta_2 \ frac {1} {\ Delta t_2} \\ \ Delta t_2 & = \ frac {\ Delta t_1 \ cos \ theta_2} {\ cos \ theta_1} \\ \ Delta t_2 & = \ frac {(\ text {12} \ cos (\ text {45}} {\ cos (\ text {23})} \\ \ Delta t_2 & = \ text {9,22} \ text {s} \ end {выровнять *}

Закон Ленца — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Используйте закон Ленца для определения направления наведенной ЭДС при изменении магнитного потока
• Используйте закон Фарадея с законом Ленца, чтобы определить наведенную ЭДС в катушке и соленоиде

Направление, в котором наведенная ЭДС движет ток по проволочной петле, можно определить через отрицательный знак.Однако обычно это направление легче определить с помощью закона Ленца, названного в честь его первооткрывателя Генриха Ленца (1804–1865). (Фарадей также открыл этот закон, независимо от Ленца.) Мы формулируем закон Ленца следующим образом:

Закон Ленца

Направление индуцированной ЭДС движет ток по проволочной петле, чтобы всегда противодействовать изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС.

Закон Ленца также можно рассматривать с точки зрения сохранения энергии. Если толкание магнита в катушку вызывает ток, энергия в этом токе должна исходить откуда-то.Если индуцированный ток вызывает магнитное поле, противодействующее увеличению поля магнита, который мы втолкнули, тогда ситуация ясна. Мы приложили магнит к полю и поработали с системой, и это проявилось как ток. Если бы индуцированное поле не препятствовало изменению магнитного потока, магнит был бы втянут, создавая ток без каких-либо действий. Была бы создана электрическая потенциальная энергия, нарушив закон сохранения энергии.

Чтобы определить наведенную ЭДС, вы сначала рассчитываете магнитный поток, а затем получаете Величину, заданную по формуле. Наконец, вы можете применить закон Ленца для определения значения.Это будет развиваться на примерах, которые иллюстрируют следующую стратегию решения проблем.

Стратегия решения проблем: закон Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определите направление приложенного магнитного поля
3. Определите, увеличивается или уменьшается его магнитный поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля. Индуцированное магнитное поле пытается усилить магнитный поток, который уменьшается, или противодействует магнитному потоку, который увеличивается. Следовательно, индуцированное магнитное поле добавляет или вычитает приложенное магнитное поле в зависимости от изменения магнитного потока.
5. Используйте правило правой руки 2 (RHR-2; см. Магнитные силы и поля), чтобы определить направление индуцированного тока I , который отвечает за индуцированное магнитное поле
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь может управлять обычным током в этом направлении.

Давайте применим закон Ленца к системе (Рисунок) (a). Мы обозначаем «перед» замкнутой проводящей петли как область, содержащую приближающийся стержневой магнит, а «заднюю часть» петли как другую область. По мере того, как северный полюс магнита движется к петле, поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что напряженность силовых линий, направленных от передней части петли к задней, увеличивается. Поэтому в контуре индуцируется ток. По закону Ленца направление индуцированного тока должно быть таким, чтобы его собственное магнитное поле было направлено таким образом, чтобы противостояло изменяющемуся потоку, вызванному полем приближающегося магнита.Следовательно, индуцированный ток циркулирует так, что силовые линии его магнитного поля через петлю направлены от задней части петли к передней. При использовании RHR-2 поместите большой палец напротив силовых линий магнитного поля, то есть к стержневому магниту. Ваши пальцы сгибаются против часовой стрелки, если смотреть со стороны стержневого магнита. В качестве альтернативы мы можем определить направление индуцированного тока, рассматривая токовую петлю как электромагнит, который противодействует приближению северного полюса стержневого магнита.Это происходит, когда индуцированный ток течет, как показано, поскольку тогда поверхность петли ближе к приближающемуся магниту также является северным полюсом.

Изменение магнитного потока, вызванное приближением магнита, индуцирует ток в контуре. (а) Приближающийся северный полюс индуцирует ток против часовой стрелки по отношению к стержневому магниту. (b) Приближающийся южный полюс индуцирует ток по часовой стрелке относительно стержневого магнита.

На части (b) рисунка показан южный полюс магнита, движущийся к проводящей петле.В этом случае поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что количество силовых линий, направленных от задней части петли к передней, увеличивается. Чтобы противодействовать этому изменению, в петле индуцируется ток, силовые линии которого через петлю направлены спереди назад. Эквивалентно, мы можем сказать, что ток течет в направлении, так что поверхность петли ближе к приближающемуся магниту является южным полюсом, который затем отталкивает приближающийся южный полюс магнита.При использовании RHR-2 ваш большой палец направлен в сторону от стержневого магнита. Ваши пальцы сгибаются по часовой стрелке, что соответствует направлению индуцированного тока.

Другой пример, иллюстрирующий использование закона Ленца, показан на (Рисунок). Когда переключатель разомкнут, уменьшение тока через соленоид вызывает уменьшение магнитного потока через его катушки, что вызывает ЭДС в соленоиде. Эта ЭДС должна противодействовать вызывающему его изменению (прекращению тока). Следовательно, наведенная ЭДС имеет указанную полярность и движется в направлении исходного тока.Это может вызвать дугу на выводах переключателя при его размыкании.

(а) Соленоид, подключенный к источнику ЭДС. (b) Размыкающий переключатель S прекращает подачу тока, что, в свою очередь, индуцирует ЭДС в соленоиде. (c) Разность потенциалов между концами заостренных стержней создается за счет индукции ЭДС в катушке. Эта разность потенциалов достаточно велика, чтобы образовалась дуга между острыми точками.

Проверьте свое понимание Найдите направление индуцированного тока в проводной петле, показанной ниже, когда магнит входит, проходит и покидает петлю.

Для показанного наблюдателя ток течет по часовой стрелке по мере приближения магнита, уменьшается до нуля, когда магнит центрируется в плоскости катушки, а затем течет против часовой стрелки, когда магнит покидает катушку.

Проверьте свое понимание Проверьте направления наведенных токов на (рисунок).

Сводка

• Мы можем использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС.
• Направление наведенной ЭДС всегда противодействует изменению магнитного потока, которое вызывает ЭДС, результат, известный как закон Ленца.

Концептуальные вопросы

Круглые токопроводящие петли, показанные на прилагаемом рисунке, параллельны, перпендикулярны плоскости страницы и соосны. (a) Когда переключатель S замкнут, в каком направлении индуцируется ток в D ? (b) Когда переключатель разомкнут, какое направление тока индуцируется в контуре D ?

а.CW со стороны схемы; б. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны схемы

Северный полюс магнита перемещается к медной петле, как показано ниже. Если вы смотрите на петлю сверху магнита, скажете ли вы, что индуцированный ток циркулирует по или против часовой стрелки?

На прилагаемом рисунке показано проводящее кольцо в различных положениях при его движении в магнитном поле. В чем смысл индуцированной ЭДС для каждой из этих позиций?

При входе в петлю наведенная ЭДС создает ток против часовой стрелки, а при выходе из петли индуцированная ЭДС создает непрерывный ток.В то время как петля полностью находится внутри магнитного поля, нет изменения потока и, следовательно, нет индуцированного тока.

Покажите, что и у вас такие же единицы.

Укажите направление индуцированного тока для каждого случая, показанного ниже, наблюдая со стороны магнита.

а. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны магнита; б. CW, если смотреть со стороны магнита; c. CW, если смотреть со стороны магнита; d. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны магнита; е. CW, если смотреть со стороны магнита; f. нет тока

Проблемы

Одновитковая круговая петля из проволоки радиусом 50 мм расположена в плоскости, перпендикулярной пространственно однородному магнитному полю.За интервал времени 0,10 с величина поля равномерно увеличивается от 200 до 300 мТл. (а) Определите ЭДС, наведенную в петле. (б) Если магнитное поле направлено за пределы страницы, каково направление тока, индуцируемого в петле?

а. ; б. CCW с того же ракурса, что и магнитное поле

Когда магнитное поле включается впервые, поток через 20-витковую петлю изменяется со временем в зависимости от того, где он находится в милливеберах, t в секундах, а петля находится в плоскости страницы с нормальным направлением единицы наружу.(а) Какая ЭДС индуцируется в контуре как функция времени? Каково направление индуцированного тока при (б) t = 0, (в) 0,10, (г) 1,0 и (д) 2,0 с?

а. 150 А вниз через резистор; б. 46 А вверх через резистор; c. 0,019 А вниз через резистор

Используйте закон Ленца для определения направления индуцированного тока в каждом случае.

Глоссарий

Закон Ленца

направление наведенной ЭДС противодействует изменению магнитного потока, который ее произвел; это отрицательный знак в законе Фарадея

Калькулятор закона Фарадея

Этот калькулятор закона Фарадея поможет вам найти электродвижущую силу, индуцированную в замкнутой цепи.

Что такое электромагнитная индукция?

Если вы прикрепите металлический провод к батарее, вы создадите ток — электроны будут двигаться по проводу. Тогда, если вы поместите этот провод в магнитное поле, дополнительная электрическая сила будет индуцирована движением электронов в этом поле.

Этот эффект также работает в обратном направлении — когда неподвижные электроны помещаются в переменное магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), и начинает течь ток. Это явление известно как электромагнитная индукция.

Магнитное поле и поток

Магнитное поле имеет две основные характеристики. Первый — это величина поля B и измеряется в теслах (символ Т), или ньютонах на метр на ампер. Второй — магнитный поток Φ — определяется как магнитное поле, проходящее через поверхность, и измеряется в веберах (символ Wb).

Величина и поток взаимозависимы — вы можете использовать приведенное ниже уравнение, чтобы легко переключаться между ними. A обозначает площадь поперечного сечения катушки, в которой индуцируется ЭДС.

Φ = B * A

Teslas и веберов связаны следующей формулой:

1 Вт / 1 м² = 1 T

Закон Ленца и формула закона Фарадея

Закон Фарадея гласит, что индуцированное в цепи напряжение равно скорости изменения — то есть изменения во времени — магнитного потока через контур:

ЭДС = dΦ / dt

Закон Ленца — это второй ключевой закон, описывающий электромагнитную индукцию.Он не описывает величину, а скорее направление тока, утверждая, что ток всегда будет противодействовать потоку, который его произвел. Он включен в закон Фарадея со знаком минус:

ЭДС = - dΦ / dt

Если вы попытаетесь вызвать электродвижущую силу в катушке с несколькими витками, вы также можете умножить это значение на количество витков, чтобы учесть количество витков N :

ЭДС = - N * dΦ / dt

Это формула, используемая нашим калькулятором закона Фарадея.

Как рассчитать электродвижущую силу?

Обычно вы не сразу узнаете, каков магнитный поток в катушке. Но не волнуйтесь — наш калькулятор электромагнитной индукции тоже может его найти! Просто выполните следующие действия, чтобы рассчитать наведенное напряжение.

1. Определитесь с площадью поперечного сечения и количеством витков в петле. Например, вы можете использовать круглую катушку сечением 30 см² и десятью витками.

2. Узнайте, какова величина магнитного поля.Например, мы можем принять поле в 0,4 тесла.

3. Рассчитайте изменение магнитного потока как произведение магнитного поля на площадь поперечного сечения:

dΦ = B * A

dΦ = 0,4 * 30 * 10⁻⁴ = 0,0012 Wb

4. Теперь определите, за какое время магнитное поле изменится на 0,4 Тл. Можно предположить, что это заняло 8 секунд.

5. Используйте формулу закона Фарадея для вычисления электродвижущей силы:

ЭДС = - N * dΦ / dt

ЭДС = - 10 * 0.0012/8 = -0,0015 В

Индуцированное напряжение равно 0,0015 В. Знак минус указывает, что направление тока противоположно направлению магнитного потока.

Подобные калькуляторы

Если вам понравился этот калькулятор закона Фарадея, не забудьте также проверить калькулятор закона Ома!

Наведенный ток — MagLab

А ток может индуцироваться в проводящей петле, если на нее воздействовать изменяющимся магнитным полем.

А ток может индуцироваться в проводящей петле, если на нее воздействовать изменяющимся магнитным полем.Это изменение может быть произведено несколькими способами; вы можете изменять силу магнитного поля, перемещать проводник в поле и из него, изменять расстояние между магнитом и проводником или изменять площадь петли, находящейся в стабильном магнитном поле. Независимо от того, как достигается изменение, результат — индуцированный ток — один и тот же. Сила тока будет меняться пропорционально изменению магнитного потока, как предполагает закон индукции Фарадея. Направление тока можно определить, рассматривая закон Ленца, который гласит, что индуцированный электрический ток будет течь таким образом, что генерирует магнитное поле, которое противодействует изменению поля, которое его породило.Другими словами, если приложенное магнитное поле увеличивается, ток в проводе будет течь таким образом, что магнитное поле, которое он создает вокруг провода, уменьшит приложенное магнитное поле.

В приведенном выше руководстве катушка с проводом, подключенная к амперметру , помещена в стабильное магнитное поле; представьте, что линия потока направлена ​​прямо в каждую из крестиков на доске. Площадь катушки можно изменить, регулируя ползунок Coil Area , тем самым увеличивая или уменьшая площадь внутри катушки, через которую проходит магнитное поле.Обратите внимание, что при перемещении ползунка возникает электрический ток, как показывает амперметр; направление тока отражается как в показании амперметра (положительное или отрицательное), так и в появившихся черных стрелках. Обратите внимание, что характеристика амперметра также зависит от того, как быстро вы перемещаете ползунок формы катушки. Поскольку сила индуцированного тока частично зависит от скорости изменения магнитного потока, изменение формы катушки очень быстро дает более высокие показания амперметра, чем при медленной настройке катушки.

3 лучших инструмента для проверки электробезопасности

Джим Уайт, директор по обучению, Shermco Industries, Inc.

Вы собираетесь проверить отсутствие напряжения и прошли процедуру блокировки / маркировки. Вы носите соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), у вас есть подходящий тестер напряжения, и вы знаете, как им пользоваться. Прикоснувшись щупами к цепи, вы получите напряжение там, где его не должно быть! В чем дело?

1. Возможно, вы выбрали не то оборудование. Уж точно не ты! Это настолько большая проблема, что NFPA 70E включил новую статью об этом в редакцию 2009 года в статью 130.7 (E), «Методы оповещения», «(4) Двойное оборудование. электрически безопасные условия существуют в рабочей зоне с другим находящимся под напряжением оборудованием, аналогичным по размеру, форме и конструкции, один из методов изменения в 130.7 (E) (1), (2) или (3) должен использоваться для предотвращения сотруднику от входа в двойное оборудование.»
2. Неужели он выключен? Если выключатель или предохранитель, питающий нашу цепь, не имеет четкой маркировки или сработал автоматический выключатель в литом корпусе, происходят шокирующие вещи! — автоматический выключатель только для того, чтобы обнаружить, что контакты не открылись полностью. Они не будут проводить ток, но они обязательно будут иметь напряжение! Всегда устанавливайте сработавший выключатель в положение полного ВЫКЛ., прежде чем работать с ним. «может присутствовать напряжение. Многие думают, что индуцированные напряжения возникают только на высоковольтных подстанциях вне помещения. Хотя это самая большая опасность из-за наведенных напряжений, низковольтные цепи, проложенные в кабельных лотках, могут также индуцировать напряжение в обесточенных кабелях, которые находятся в том же кабельном лотке (см. Рисунок 1). Рисунок 1. Сценарий наведенного напряжения низкого напряжения.

   Применение статического заземления к этой цепи без проблем рассеяло бы напряжение, поскольку индуцированное напряжение не допускает тока короткого замыкания.

3. Может быть с обратной подачей. Управляющие силовые трансформаторы (CPT), сигнальные лампы и «посторонние» цепи (те, которые исходят от другой панели или области) могут быть виноваты. Применение статического заземления к цепи с обратным питанием может вызвать искрение, что небезопасно.

Обратные напряжения

Часто обратные напряжения и индуцированные напряжения могут быть очень похожими. Индуцированные напряжения обычно намного ниже номинального напряжения схемы, но обратные токи могут быть в том же диапазоне напряжений, что и индуцированные напряжения.Поскольку заземлять обратное питание небезопасно, что мы можем сделать?

Обратные напряжения — это напряжения, которые часто исходят из другой цепи или части оборудования, но «обратные» питаются сигнальными лампами, управляющими силовыми трансформаторами или даже резисторами в оборудовании. Эти напряжения обычно меньше номинального напряжения цепи и могут быть примерно такими же, как индуцированные напряжения. Может быть трудно отличить обратное или индуцированное напряжение. Если индуцированное напряжение подключено к земле, источник генерации (тока) отсутствует, и напряжение будет рассеиваться.Напряжение с обратной связью, даже если оно ниже номинального, имеет источник, питающее его, и при подключении к земле возникает дуга.

Инструменты тестирования низкого и высокого импеданса

Решение состоит в том, чтобы использовать комбинацию инструментов тестирования, чтобы определить, является ли сигнал обратным или индуцированным, а затем проверить первоначальные результаты.

Качественные тестеры напряжения обычно имеют высокий входной импеданс. Я понял ценность этого, когда тестировал чиллер мощностью 9000 тонн, в котором периодически возникала проблема.Я подключил испытательный зонд к одной стороне катушки, и когда я коснулся земли другим зондом, катушка замкнулась, отключив чиллер. Это был не момент для карьерного роста. Входной импеданс измерителя, который я использовал, составлял всего несколько тысяч Ом. Когда я подключил катушку под напряжением к земле, через измеритель протекло достаточно тока для работы катушки. Измеритель с высоким входным импедансом не пропустит через измеритель достаточный ток, чтобы катушка заработала.Я взял свой недорогой мультиметр с низким входным сопротивлением домой и купил устройство хорошего качества с высоким входным сопротивлением.

Итак, после первого измерения напряжения стандартным вольтметром с высоким входным сопротивлением используйте цифровой мультиметр с опцией низкого импеданса, такой как Fluke 117 или 289. Эти измерители предлагают как высокий, так и низкий входной сигнал. функция импеданса. Если напряжение индуцируется, низкоомный вход должен рассеивать напряжение после того, как он подключен к земле. Используя низковольтный бесконтактный тестер, произведите измерения вдоль тестируемой цепи, пока еще подключен низкоомный тестер напряжения.На рисунке 2 показаны конечные показания; нет напряжения, показываемого бесконтактным тестером, и нет напряжения, отображаемого тестером с низким входным сопротивлением.

Рисунок 2. Индикация наведенного напряжения.

Если тестер напряжения с низким входным импедансом измеряет напряжение, как на рисунке 3, даже если оно может составлять всего несколько вольт, а бесконтактный тестер показывает наличие напряжения, напряжение в цепи, вероятно, является обратным током и должно быть найдено перед продолжением.