Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным.
В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем. Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем, а заземлитель, состоящий из нескольких параллельно соединенных одиночных заземлителей, называется групповым или сложным заземлителем.
Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземлителе, в земле вокруг заземлителя и на поверхности земли некоторых потенциалов. В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, при шаровом заземлителе малого радиуса, поле растекания можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м.
Рисунок. Полушаровой электрод
Рисунок. Потенциальная кривая одиночного полушарового заземлителя - показывает распределение потенциалов на поверхности земли
Рисунок. Эквипотенциальные линии - линии на поверхности земли с одинаковым потенциалом
Основными характеристиками одиночного заземлителя являются:
- напряжение на заземлителе;
| Конструкция заземлителя | Примечание | |
| I з – ток стекающий в землю, R – радиус шара; ρ – удельное сопротивление земли | ||
 |
||
| D – диаметр диска | ||
 |
l – длина заземлителя; d – диаметр сечения стержневого заземлителя |
- вид потенциальной кривой (потенциалы точек земли в зоне растекания и их изменение в зависимости от расстояния до заземлителя);
| Конструкция заземлителя | Уравнение для определения потенциальной кривой | Примечание |
| Полушаровой у поверхности земли |  |
|
| Стержневой круглого сечения у поверхности земли |  |
l – длина заземлителя |
| Дисковый на поверхности земли |  |
D – диаметр диска |
| Протяженный стержневой круглого сечения лежащий на земле | Вдоль оси заземлителя  |
l – длина заземлителя |
Поперек оси заземлителя  |
- вид эквипотенциальных линий (линий равного потенциала на поверхности земли);
- сопротивление заземлителя и заземляющего устройства;
- напряжения прикосновения и шага.
Рассмотрим физические явления для группового заземлителя.
При бесконечно больших расстояниях между электродами группового заземлителя (на практике можно считать, что более 40 м) поля растекания токов вокруг них практически не взаимодействуют. В этом случае потенциальные кривые каждого электрода взаимно не пересекаются.
Рисунок. Групповой заземлитель стержневого типа круглого сечения у поверхности земли (при «большом» расстоянии между электродами)
Рисунок. Распределение потенциалов на поверхности земли при групповом заземлителе (при «большом» расстоянии между электродами)
При малых расстояниях между электродами группового заземлителя (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые электродов взаимно пересекаются и, складываясь, образуют непрерывную суммарную потенциальную кривую группового заземлителя. Поскольку электроды группового заземлителя связаны между собой электрически, они имеют одинаковый потенциал, являющийся потенциалом группового заземлителя. Следовательно, потенциал каждого электрода группового заземлителя будет состоять из собственного потенциала, обусловленного стеканием через него тока, и потенциалов наведенных другими электродами. В общем случае собственные потенциалы электродов не равны, как не равны и потенциалы, наводимые другими электродами. Однако, сумма собственного и всех наведенных на электроде потенциалов для всех электродов одинакова и равна потенциалу группового заземлителя.
Рисунок. Распределение потенциалов на поверхности земли при групповом заземлителе (синим цветом показаны потенциальные кривые одиночных заземлителей, а красным – потенциальная кривая группового заземлителя)
В результате поверхность земли на участках между электродами приобретает некоторый потенциал. При этом форма суммарной потенциальной кривой зависит от расстояния между электродами, их взаимного расположения, числа, формы и размеров.
Опасность поражения человека электрическим током во многом определяется явлениями, возникающими при стекании электрического тока в землю.
Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся с нею в непосредственном контакте. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник или группа соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем.
Причинами стекания тока в землю является: замыкание токоведущей части на заземленный корпус электрооборудования; падения провода на землю; использование земли в качестве провода и т.д. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала заземлившейся части электрооборудования ц з, В до значения, равного произведению тока, стекающего в землю, I з, А, на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути, т. е. сопротивление заземлителя растеканию тока R з, Ом:
Стекание тока в землю сопровождается возникновением не только на заземлителе, но и в земле вокруг заземлителя, а, следовательно, и на поверхности земли некоторых потенциалов.
Нам необходимо знать, от чего зависят значения этих потенциалов, как изменяются они при изменениях расстояния до заземлителя, т. е. знать уравнение потенциальной кривой.
А. Стекание тока в землю через одиночные заземлители
Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем. Одиночные заземлители различаются формой, размерами и способами осуществления контакта с землей.
Распределение потенциалов на поверхности земли (потенциальная кривая) имеет свои особенности для:
шарового заземлителя, находящегосяся в земле на большой глубине;
шарового заземлителя вблизи поверхности земли;
полушарового заземлителя;
стержневого заземлителя;
дискового заземлителя.
Потенциальная кривая заземлителя любой формы на относительно большом от него расстоянии (по сравнению с размерами заземлителя) приближается к потенциальной кривой полушарового заземлителя и описывается уравнением, В (х - расстояние от заземлителя, м):
Важно отметить также и то, что потенциал земли на расстоянии свыше 20 м от заземлителя любой формы, как и в случае полушарового заземлителя, при небольших токах, стекающих с заземлителя, можно считать практически равным нулю.
Шаровой заземлитель, находящийся в земле на большой глубине
Шаровой заземлитель в практике, как правило, не применяется. Однако на его примере удобно рассмотреть процессы возникновения и распределения потенциалов на поверхности земли.
Пусть мы имеем шаровой заземлитель радиусом r, м, погруженный в землю на бесконечно большую глубину (так глубоко, что можно пренебречь влиянием поверхности земли). Через этот шар в землю стекает ток I з, А, который подается к заземлителю с помощью изолированного проводника (рис. 10). Требуется получить уравнение для потенциала d x , В, в некоторой точке объема земли C, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии x, м, или, иначе говоря, уравнение потенциальной кривой.
Рис. 10. Шаровой заземлитель, погруженный в землю на большую глубину
Поскольку принято, что земля однородна, ток в земле будет растекаться от шара равномерно и симметрично во все стороны (по радиусам шара) и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя. На расстоянии x, м, от центра шара плотность тока д, А/м 2 ?
В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, в данном случае, т. е. при шаровом заземлителе малого радиуса, поле растекания можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м.
При постоянном токе, а также при переменном токе с частотой 50 Гц поле растекания тока в проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное электрическое поле, напряженность которого Е, В/м, связана с плотностью тока соотношением
которое является законом Ома в дифференциальной форме.
При этом линии напряженности электрического поля совпадают с линиями плотности тока, которые в рассматриваемом случае совпадают также с радиусами шарового заземлителя. Как известно, напряженность электрического поля равна падению напряжения, отнесенного к единице длины линии напряженности поля. В данном случае
где dU -- падение напряжения, В, на участке dx, м, т. е. в элементарном слое земли толщиной dx (см. рис. 10). Пользуясь приведенными выражениями, легко определить потенциал любой точки в объеме земли, например точки С. Он равен падению напряжения в грунте на участке от x до бесконечности, т. е.
Решив этот интеграл, получим искомое уравнение для потенциала точки С, т. е. уравнение потенциальной кривой:
Потенциал ц = 0, будет иметь точка, отстоящая от заземлителя на бесконечно большое расстояние х. Практически область нулевого потенциала начинается на расстоянии примерно 20 м от заземлителя. Потенциал точек на поверхности земли в данном случае равен нулю, поскольку, как мы условились, заземлитель находится от поверхности земли на бесконечно большом расстоянии.
Максимальный потенциал будет при наименьшем значении х, равном радиусу заземлителя, т. е. непосредственно на заземлителе (потенциал шарового заземлителя на большой глубине):
Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли
Обычно заземлители погружают в землю на относительно небольшую глубину, при которой поверхность земли оказывает влияние на электрическое поле, искажая линии тока (рис. 11, 12).
Рис. 11.
Рис. 12.
В этом случае расчет потенциалов осуществляется методом зеркального отображения: потенциал? с в некоторой точке С будет равен сумме потенциалов д и? ф, создаваемых в этой точке полями токов, стекающих как с действительного, так и с фиктивного заземлителей, В:
С учетом уравнения 2.1 можно записать:
где m и n - расстояния от центров действительного и фиктивного заземлителей до точки С:
Если нас интересуют потенциалы точек, лежащих на поверхности земли, то для каждой такой точки, например точки D (рис. 12),
а уравнение, определяющее ее потенциал, т. е. уравнение потенциальной кривой для точек на поверхности земли имеет вид:
Потенциал шарового заземлителя вблизи поверхности земли I з, В, т. е. максимальный потенциал, будет при y = 0 и, следовательно, при х = r (рис. 12):
Если 4t 2 >> r (так обычно бывает на практике), это уравнение примет вид:
Полушаровой заземлитель
Шаровой заземлитель на поверхности земли, т. е. заглубленный так, что его центр находится на уровне земли (рис. 2.4), называется полушаровым заземлителем.
Рис. 13.
Для такого заземлителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли (так же как и в объеме земли) можно получить из (2.5), приняв t = 0. Тогда:
- (2.8)
- (Это же выражение можно получить и другим путем, используя подход, как при выводе уравнения потенциальной кривой шарового заземлителя).
Потенциал полушарового заземлителя I з, В, при радиусе заземлителя х = r, м, определяется из уравнения:
Разделив (2.8) на (2.9), получим:
Обозначив произведение постоянных I з и r через k, получим уравнение равносторонней гиперболы:
Следовательно, потенциал на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от максимального значения I з до нуля по мере удаления от заземлителя (рис. 13). Следует отметить, что в реальных условиях, когда грунт неоднороден, изменение потенциала при удалении от заземлителя будет происходить не по гиперболе, а по какой-либо другой кривой.
Рассмотрим стержневой вертикальный заземлитель круглого сечения длиной l, м, и диаметром d, м, погруженный в землю так, чтобы его верхний конец был на уровне земли (рис. 14). По заземлителю стекает ток I з, А. Требуется записать выражение для расчета потенциала точек на поверхности земли и потенциала заземлителя.
Рис. 14.
Разбиваем заземлитель по длине на бесконечно малые участки длиной каждый dy и уподобляем их элементарным шаровым заземлителям диаметром dy, м. С каждого такого участка в землю стекает ток, А
который обусловливает возникновение элементарного потенциала d? в любой точке земли. Для точки А на поверхности земли
С помощью соответствующих подстановок и интегрируя по всей длине стержневого заземлителя (от 0 до l), получим уравнение потенциальной кривой:
Потенциал заземлителя I з, В, определяется при х = 0,5 d, м, т, е.
Обычно на практике 0,5d << l, следовательно, первым слагаемым под корне...
- 12. ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности». М.: Госстандарт России, 1983.
- 13. СНиП 11-12-88 «Защита от шума».
- 14. СНиП 23 - 05 - 95 «Естественное и искусственное освещение».
- 15. СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
- 16. ГОСТ 12.1.005-88 «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». М.: Госстандарт России, 1988.
- 17. Сан ПиН 2.2.2/2.4.1340-03. «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».
Читайте также:
|
Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей и сопровождается резким снижением потенциала заземлившейся токоведущей части до значения φ 3 (В), равного произведению тока, стекающего в землю на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути R 3 (Ом):
Это явление благоприятно по условиям безопасности, используется как мера защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических токоведущих частях, которые с этой целью заземляют. Однако, наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части происходят и отрицательные явления - появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю, что может представлять опасность для жизни человека. Рассмотрим распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушатрового заземлителя.
Максимальный потенциал будет при наименьшем значении х, т.е. непосредственно на заземлителе (х=2). Минимальный потенциал, т.е. φ=0 будет иметь точка, лежащая в бесконечности, т.ч. при х = ?. Практически это расстояние начинается с 20м от заземлителя. Распределение потенциала на поверхности земли зависит от формы заземляющейся.
Напряжение прикосновения U м - разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек, т.е. падение напряжения в сопротивлении тела человека.
Рассмотрим напряжение прикосновения при единичном заземлителе Напряжение прикосновения характеризуется отрезкам AB и зависит от формы потенциальной кривой и расстояния х, чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U пр и наоборот. При х = 20м (в точке 1) U пр имеет наибольшее значение U пр - φ 3 , a = 1. Это наиболее опасный случай прикосновения, когда человек стоит непосредственно на заземлителе (точка 2) х = 0 U пр = 0; а = 0 это безопасный случай -человек не подвергается воздействию напряжения, хоты он и находится под потенциалом f 3 . При других значения х в пределах от 0 до 20 (точка 3) U пр плавно возрастает от 0 до φ 3 , а а от 0 до 1.
Напряжение шага (U ш) и разность потенциалов φ x и φ x + a двух точек на поверхности земли в зоне растекания тока, которые находятся одна от другой на расстоянии шага а и на которых стоит человек (а ~ 0,8м),так падение напряжения в сопротивлении тела человека R h (Ом).
^Явления при стекании тока в землю. Напряжение
прикосновения, шаговое напряжение
Стекание тока в землю ― это явление, при котором происходит резкое снижение потенциала, оказавшихся под напряжением металлических частей оборудования (корпуса, станины и т.д.), до потенциала заземлителя φ 3: φ 3 = I 3 R 3 ,
Где ― величина тока, стекающего в землю;
― сопротивление, которое равно сопротивлению заземляющего устройства.
Создается между корпусом и землей соединение большой проводимости благодаря чему ток. Проходящий через тело человека, становиться не опасным для жизни. Так как, при возникновении аварийной ситуации, например, при замыкании фазы на корпус, прикосновение работника к корпусу равнозначно прикосновению к фазе и через тело его может протекать ток опасной величины. Опасность напряжения, при наличии защитного заземления снижается, так как для тока создается электрическая цепь, имеющая малое сопротивление = 4 Ом или 10 Ом, вследствие чего и происходит стекание тока по пути наименьшего сопротивления.
Сопротивление тела человека может иметь значения: 104…106 Ом. Для обеспечения большей надежности средств защиты, обеспечивающих электробезопасность, применяется расчетное значение сопротивления человека, равное 1000 Ом.
Напряжение шага (шаговым напряжением) называется напряжение между точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю при одновременном касании их ногами человека.
Наибольший электрический потенциал будет в месте соприкосновения проводника с землей. По мере удаления от этого места, потенциал поверхности грунта уменьшается, так как сечение проводника (почвы) увеличивается пропорционально квадрату радиуса, и на расстоянии 20 м может приниматься равным нулю.
Поражение при шаговом напряжении усугубляются тем, что из-за судорожных сокращений мышц ног, человек может упасть, после этого электрическая цепь замыкается на теле через жизненно важные органы.
Напряжение между двумя точками цепи электрического тока, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения.
Опасность такого прикосновения оценивается значением тока, проходящего через тело человека, или напряжением прикосновения и зависит от ряда факторов: схемы замыкания цепи тока через тело человека, напряжения сети, схема самой сети, режима ее нейтрали (заземлена или изолирована нейтраль), степени изоляции токоведущих частей от земли, значения емкости токоведущих частей относительно земли и т.п.
- ^
Меры защиты от поражения электрическим током
Для предотвращения опасного воздействия электрического тока на человека применяются следующие меры защиты: защитное заземление; зануление, электрическое разделение сетей; применение малых напряжений; контроль и профилактика повреждения изоляции; двойная изоляция; защитное отключение; выравнивание потенциала; защита от случайного прикосновения к токоведущим частям; оградительные устройства; электрозащитные средства и приспособления; блокировки; предупредительная сигнализация, знаки безопасности.
Согласно ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ электробезопасность и действие средств защиты от опасности поражения электрическим током обеспечиваются: конструкцией электроустановок, техническими способам
и средствами защиты; организационными и техническими мероприятиями.
Защитное заземление наиболее распространено и является эффективным способом защиты от поражения электрическим током.
Это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования. Принцип действия защитного заземления заключается в снижении до безопасных значений напряжения прикосновения и тока, протекающих через тело человека.
Назначение защитного заземления ― устранение опасности поражения электрическим током в случае прикосновения человека
к корпусу электрооборудования или к другим нетоковедушим металлическим частям, оказавшимся под напряжением. В основе этого метода защиты человека от напряжения электрическим током лежит явление стекания тока в землю.
На рисунке 4 показана принципиальная схема защитного заземления и потенциальная кривая, отражающая закон распределения потенциала на поверхности земли вокруг одиночного заземлителя, 
, где показано, что при возникновении замыкания в точке А, закон распределения потенциала имеет гиперболический характер, и максимальное значение потенциал имеет в точке замыкания А, снижаясь по мере удаления от места замыкания.
Защитное заземление состоит из вертикальных заземлителей, соединенных между собой полосовыми горизонтальными заземлителями и находящихся в земле на глубине H 0 не менее 0,5 м. В качестве вертикальных заземлителей используются металлические элементы в виде стержней, труб, уголков, швеллера и др. для полосового заземлителя используется, как правило, металлическая полоса сечением 12x4; 16x4 мм. Соединение полосы с вертикальными заземлителями производиться в соответствии с ПУЭ не допускаются.
Рисунок 4 - Принципиальная схема защитного заземления
― напряжение прикосновения, В; 
― величина тока, А; ―
Потенциальная кривая; КЭ ― корпус электроустановки; 
― сопротивление защитной установки; 
― электрическое сопротивление тела человека; З ― заземлитель вертикальный
На практике используются групповые заземлители ― параллельное соединение одиночных заземлителей и полосы. Такой заземлитель имеет меньшее сопротивление растеканию тока и создает лучшее выравнивание потенциала в объеме и на поверхности земли.
Требование к конструкции, устройству и параметрам защитного заземления определяются Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ «Электробезопааность. Защитное заземление, зануление».
В качестве заземлителей, кроме искусственных, используются естественные заземлители ― это находящиеся в земле металлические предметы (водопроводные трубы, другие металлические трубы, кроме трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных гозов; металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединение с землей; свинцовые оболочки кабелей и т.п.)
Нормативные документы устанавливают значение наибольшего допустимого сопротивления защищенного заземляющего устройства
в электроустановках. Так, в электроустановках да 1000 В в сети с изолированной нейтралью при мощности генератора до 1000 кВА составляет 10 Ом, а при мощности до 100 кВА составляет 4 Ом.
Расчет заземляющего устройства заключается в определении типа заземления, количества, размеров, способа расположения одиночных заземлителей.
В соответствии с ПУЭ заземление или зануление электроустановок следует выполнять:
при напряжении 380 В и выше переменного тока;
при напряжении 440 В и выше постоянного тока;
при напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока
и выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока (в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках).
Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус. Происходит быстрое отключение поврежденной электроустановки от электрической сети.
Принцип действия зануления ― превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание между фазным и нулевым проводами, с целью образования большого тока по величине, способного обеспечить срабатывание защиты и таким образом автоматически отключить поврежденную электроустановку от электрической сети.
В качестве средств защиты могут быть плавкие предохранители, магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле, автоматы, осуществляющие защиту одновременно от токов короткого замыкания и от перегрузки.
Зануление применяют в трехфазных четырехпроводных сетях
с глухозаземленной нейтралью. Занулению подлежат нетоковедущие части электрооборудования, которые должны быть заземлены. Одновременно электроустановки заземлять и занулять не запрещается, так как это улучшает условия безопасности за счет дополнительного заземления нулевого защитного провода.
Причины поражения электрическим током и основные меры защиты.
Основные причины несчастных случаев от воздействия электрического тока следующие.
1. Случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением.
2. Появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования - корпусах, кожухах и т. п. - в результате повреждения изоляции и других причин.
3. Появление, напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки.
4. Возникновение шагового напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.
Основными мерами защиты от поражения током являются: обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения; защитное разделение сети;
устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, применением двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и др.; применение специальных защитных средств - переносных приборов и приспособлений; организация безопасной эксплуатации электроустановок.
Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. Например, во дворе Вашего дома оборвался электрический провод и упал на землю. Или на одном из электрических двигателей оборвался и коснулся земли провод, подводящий электроэнергию. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.
При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения j з (В), равного произведению тока, стекающего в землю I з (А) на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути R з (Ом): j з = I з R з.
Это явление, весьма благоприятное по условиям безопасности, используется как мера защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических токоведущих частях, которые с этой целью заземляют. Однако наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части при стекании тока в землю возникают и отрицательные явления, а именно, появление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю, что может представлять опасность для жизни человека.
Характер распределения потенциалов на поверхности земли, т. е. изменение величины потенциала при изменениях расстояния до заземлителя, можно оцепить, рассмотрев случаи отекания тока I з (А) в землю через наиболее простой заземлитель - полушар радиусом r (м) (рис. 1.6).Для упрощения считаем, что земля во всем своем объеме однородна, т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением r(Ом-м). В этом случае ток в земле будет растекаться во все стороны по радиусам полушара и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя. На расстоянии х от центра полушара плотность тока j (А/м 2) будет: (15)
где – I з – сила тока в точке замыкания,
x – расстояние от точки замыкания заземлителя.
В объеме земли, где растекается ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следовательно, и поле растекания можно считать распространяющимся лишь на расстояние 20 м от заземлителя.
11.3.2. Сопротивление заземлителя растеканию тока.
Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока, или просто сопротивлением растекания. Оно имеет три слагаемых: сопротивление самого заземлителя, переходное сопротивление между заземлителем и грунтом и сопротивление грунта.
Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому ими пренебрегают и под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.
Сопротивление растеканию любого заземлителя R з (Ом) определяется по выражению (1) как частное от деления потенциала заземлителя j з (В) на ток J з (А), протекающий в землю через заземлитель.
Так, например, сопротивление растекания одиночного полушарового заземлителя, потенциал которого определяется выражением (16), будет:
По условиям безопасности заземление должно обладать относительно малым сопротивлением. Поэтому в практике применяется, как правило, групповой заземлитель, т.е. заземлитель, состоящий из нескольких параллельно включенных одиночных заземлителей (электродов).
При больших расстояниях между электродами (более 40 м) ток каждого электрода проходит по «своему», отдельному участку земли, в котором токи других заземлителей не проходят. В этом случае вокруг каждого одиночного заземлителя возникают самостоятельные потенциальные кривые, взаимно не пересекающиеся. При одинаковых размерах, а следовательно, при одинаковых сопротивлениях одиночных заземлителей R 0 сопротивление группового заземлителя R гр будет: (17)
где n - количество одиночных заземлителей.
При малых расстояниях между электродами (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют суммарную потенциальную кривую (рис. 1.7).
В этом случае в общих участках земли, по которым проходят токи нескольких электродов, увеличивается плотность тока, что приводит к увеличению сопротивления растекания заземлителей.
Если человек оказался в зоне действия одиночного заземлителя и приближается к месту замыкания и растекания тока, то его ноги подвергаются действию разности потенциалов, возникающих на расстояниив один шаг. Разность потенциалов двух точек на расстоянии в один шаг ности название шагового напряжения. Из схемы видно, что разность потенциалов на кривой распределения плотности тока будет тем больше, чем ближе человек подойдет к месту замыкания.
* Примечание. Приближаться к месту замыкания ближе, чем на 20 м опасно, на 3-5 м – запрещено ввиду чрезвычайной опасности.
Если человек находится на некотором расстоянии от места замыкания и не приближается к нему, но он касается металлических частей, связанных с местом замыкания, то он подвергается действию разности потенциалов между потенциалом корпуса электроустановки и потенциалом на поверхности земли в месте его нахождения. Эта разность потенциалов носит название напряжение прикосновения, эта разность будет тем больше, чем дальше находится человек.
