Явление при растекании тока к земле

Явлением при растекании тока к земле (замыканием на землю) называется случайное электрическое соединение, находящихся под напряжением частей электроустановки с землей. Замыкание на землю происходит вследствие появления контакта между токоведущими частями (ТВЧ) и заземленным корпусом или конструктивными частями оборудования:

- при падении на землю оборванного провода;

- при нарушении (пробое) изоляции оборудования.

Во всех этих случаях электрический ток от частей находящийся под напряжением проходит землю через электрод, который осуществляет контакт с грунтом.

Специальный металлический электрод принято называть заземлителем. Размеры электрода составляет от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров. Форма электрода и состав грунта могут быть различными, и поэтому закон распределения потенциала вокруг электрода определяется сложной зависимостью.

 

И для упрощения вводят допущение, что ток стекает в землю через одиночный заземлитель полусферической формы погруженной в однородный изотропный грунт с удельным сопротивлением ρ во много раз превышающий удельное сопротивление материала заземлителя. Если второй электрод находится на достаточно большом удалении, то линии тока вблизи исследуемого заземлителя направлены по радиусам от центра полусферы. Поскольку грунт однородный и изотропный, ток распределяется по этой поверхности равномерно. Поэтому плотность тока σ в точке А на поверхности грунта на расстоянии Х от заземлителя определяется, как:

.

Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиуса х, выделим элементарный слой dX падение напряжения в этом слое будет определяться по формуле:

 

Напряженность определяется из закона Ома, выраженного в дифференциальной форме:

 

Потенциал точки А или напряжение этой точки земли равно суммарному падению напряжения от точки А до земли, т.е. бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:

Если учесть что , то:

,

 

То есть потенциал точки А изменяется по гиперболическому закону.

 

Uз – напряжение на заземляющем устройстве относительно земли.

 

Наибольший электрический потенциал будет в месте соприкосновения проводника с землей. По мере удаления от этого места потенциал поверхности грунта уменьшается, т.к. сечение проводника увеличивается пропорционально квадрату радиуса и на расстоянии равном примерно 20 м может быть принят равным нулю.

 

Шаговое напряжение

 

Человек, находящийся в поле растекания тока вокруг заземлителя оказывается под напряжением шага, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами. То есть напряжением шага называется напряжение между двумя точками сети, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на котором одновременно стоит человек. Длина шага принята равной 0,8 м.

 

Возникновение напряжения шага на участке, где стоит человек:

 

- в результате замыкания фазы на землю;

- выноса потенциала протяженными токопроводящими предметами (трубопроводами, ж/д рельсами);

- неисправность в устройстве защитного заземления.

 

потенциал первой ноги:

 

потенциал второй ноги:

 

шаговое напряжение:

 

Шаговое напряжение увеличивается в месте падения провода, а также при увеличении величины шага.

 

Напряжение прикосновения

 

Потенциал на поверхности грунта при замыкании на корпус любого потребителя распределяется по кривой 1. Потенциалы всех корпусов одинаковы т.к. корпуса электрически связаны между собой электрическим проводом.

Напряжением прикосновения (Uпр) называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек или падение напряжения сопротивления тела человека. Определяется по формуле:

 

 

Ток проходит через человека по пути «рука-ноги».

 

Для человека, который стоит на грунте и касается, оказавшегося под заземлением корпуса Uпр будет равно:

 

 

Так как человек касается корпуса, то потенциал руки есть потенциал корпуса или заземлителя:

φ_з=φ_р

 

Потенциал ноги есть потенциал основания в том месте, где стоит человек.

 

φ_н=φ_осн

Uпр=φ₃- φ_осн

 

Если принять во внимания характер изменения потенциала на поверхности грунта и пренебречь сопротивлением растекания тока основания, то напряжение прикосновения

 

 

d₁- коэффициент напряжения прикосновения, который учитывает форму потенциальной кривой:

Аксиома: С увеличением расстояния от места заземлителя напряжение прикосновения будет расти.