Електричний струм в діелектриках

Олеярник Олександр Вікторович – вчитель фізики та астрономії загальноосвітньої школи № 33, Краматорської міської ради, Донецької області

Мета роботи: ознайомити учнів з поняттям діелектрик, склопластик, його практичним використанням, навчити проводити учнів розрахунки сили струму, яка протікає через його організм при роботі з приладами виготовленими з склопластику, порівнювати дані з допустимими значеннями та робити узагальнюючі висновки щодо безпеки роботи людини під напругою, розвивати в учнів вміння прогнозувати ситуацію, виховувати відповідальність, акуратність у роботі.

Електричний струм в діелектриках

Мета:

Навчальна:ознайомити учнів з одним з видів діелектриків, як склопластик, методикою розрахунку струму протікаю чого через тіло людини при роботі під напругою з використанням пристроїв зі склоспластика

Розвиваюча:розвивати критичне мислення, вміння аналізувати інформацію та робити висновки, працювати в команді

Виховна: виховувати наполегливість у досягненні мети, бачити фізику навколо себе, відповідальність, акуратність.

Діелектрик- той, що не проводить струм. Існує багато діелектриків, як у твердому, рідкому так і газоподібному стані. Але все ж таки струм може завдати шкоди людині, навіть при роботі з діелектриками.

Розглянемо протікання струму в діелектриках на прикладі такого твердого діелектрика, як склопластик.

Склопластики є групою матеріалів, які складаються з профільного скловолокна і зв'язуючого, яке  забезпечує з'єднання волокон в єдину монолітну систему, у якості скловолокнистого  наповнювача використовується  алюмоборосилікатне волокно. Волокно одержують методом витягування через фільєру, збирають в жгути змотують у ровінги, а з ровінгів одержують склопластикові стрижні в процесі термообробки. Склопластики є одним з композиційних матеріалів і використовуються, коли необхідне одночасне поєднання високої електричної і механічної міцності. Стеклопластик є трикомпонентною системою, яка складається з полімерної матриці, ущільненої регулярно розташованими нитками і двома видами пусток. У високовольтній техніці використовується профільні склопластик марки СПП – ЕВ, СП – склопластик, П – профільний, Е– епоксидне зв'язуюче, В – високовольтний.

Склопластикові марки   СПП – ЕВ використовуються при виготовленні полімерних ізоляторів, ізолюючих штанг приставних сходів, приступів тощо. Ізольовані електрозахисті засоби забезпечують електричну ізоляцію працівника, який знаходиться під напругою.

Методика розрахунку струму, протікаючого через людину при роботі під напругою

Що найбільше завдає шкоди при роботі з діелектриками під напругою, так це наявність вологи. Вологопоглинання є характеристикою, яка діє на  експлуатаційні властивості склопластику. На рисунку 1 надана залежність електричної міцності склопластикових стрижнів від вологопоглинання. При величині вологопоглинання 0,6 – 0,7% електрична міцність склопластика знижується до 10 – 12 кВ/см.

Рисунок 1– Залежність електричної міцності склопластику

 від вологопоглинання

Для вимірювання поверхневого опору  склопластика скористаємося наступною  формулою:

де b – товщина стрижню:

    l – довжина стрижню;

  R_S – питомий опір склопластику.

Представимо собі ситуацію, коли працівники виконують роботу під напругою, при цьому користуються сходами, виконаними з склопластику. Розрахуємо опір сходів в зволоженому стані. Сходи беруться висотою 5 метрів, з урахуванням  зросту людини і піднятими руками при роботі під напругою, довжина стрижнів, з яких   виготовлені сходи складає 3 метри. Розрахуємо струм, що протікає через людину, і порівняємо з допустимими  умовами. При роботі під напругою схема заміщення включає r₁ – опір людини, що складає 1·10³ Ом, і активний опір сходів  r₂ = 68,4·10⁶ Ом, а ємність сходів складає 24,5·10^-12 Ф. (усі дані є реальними, опір та ємність сходів були взяті з технічної документації фірми «Полімер» м. Бахмут) Опір сходів розрахуємо за  формулою:

R_с =  .

У момент торкання струмонесучих частин  струм може набувати значень до десятих часток амперу, але тривалість протікання струму – декілька мікросекунд. Такий струм  може викликати тільки неприємні  відчуття  тобто  є безпечним. При  часу протікання (0, 2 – 1) секунди і вище, такий струм може бути небезпечним. На рисунку 2 наведено схему заміщення людини, яка виконує роботу під напругою під час встановлювального режиму роботи мережі (тобто людина потрапила під дію електричного струму, і ця дія становить до 1 секунди).

Рисунок 2  – Схема заміщення у сталому режимі

При часі дії 0,2 – 1 секунди і вище, такий струм може бути небезпечним, що відповідає сталому режиму. В таблиці 1 наведені значення струму та напруги, в залежності від роду струму та часу протікання

 Таблиця 1 – Допустимі значення струму і напруги при часі дії, який

                     рівний  спрацьовуванню захисної апаратури

Струм, що протікає  через людину, яка працює під напругою,  розраховується за формулою:

.

Таблиця 2 – Розрахункові результати струму і напруги

Результати розрахунку порівняти з допустимими значеннями струму і напруги, зробити висновок про безпеку людини при роботі під напругою.

Усі дані, що наведені у табліці є реальними, вони були отримані особисто під час виконання дипломної роботи на 5 курсі університету, досліди проводились зі зразками склопластикових стрижнів, що використовуються для виготовлення драбин при роботі під напругою.

Пропоную самостійно провести розрахунки струму, протікаю чого через тіло людини, та яка потрапила під дію струму. Спочатку обчисліть поверхневий опір склопластикового стрижня, замість товщини використовуйте діаметр стрижня. Значення опору склоспластику отримано за допомогою мегометра для двох випадків: зразки були вкриті захисним лаком, та зразки не були вкриті захисним лаком, зразки знаходились в ексикаторі (пристрій що створює умови високої вологості).

Після того проведіть обчислення опору сходів, та визначте значення сили струму, порівняйте з допустимими значеннями. Якщо склопластик знаходиться за нормальних умов його опір становить 68,4 ·10⁶ Ом.

Бажаю успіху.