При замыкании токоведущих элементов электрооборудования на заземлённый металлический корпус или, например, при падении токоведущего провода на землю в грунте Земли возникает процесс растекания электрического тока.
Анализ процессов растекания электрического тока в грунте лежит в основе теории заземляющих устройств и сводится к выявлению распределения потенциалов в окрестности заземлителя.
Наиболее простым является случай, когда ток замыкания IЗ растекается в однородном грунте через полу сферический заземлитель с радиусом rЗ равномерно по всем направлениям (рис .4.4).
Рис. 4.4. Процесс растекания электрического тока в грунте
Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), которая может возникнуть между произвольной точкой с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x = ?): UХ = ?Х – ?? , потенциал которой условно принимают равным нулю. ПоэтомуUХ = ?Х .
Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля EХ = jХ ? ,
где jХ= IЗ / SХ – плотность тока через полусферическую поверхность SХ = 2?x2, x – радиус воображаемой полусферы, ? – удельное электрическое сопротивление грунта.
Сопротивление ? зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта ? обычно уменьшается, а при его промерзании – значительно увеличивается.
Падение напряжения в элементарном слое грунта тол щиной dx dUX = EXdx = jХ ?dx ={IЗ?/(2?x2)}dx.
Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от дан ной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до зазем лителя:
Полученная зависимость показана на рис. 4.4.
Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой возникает практически заметная разность потенциала, называется зоной растеканияэлектрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20 м от места стекания тока в землю.
Сопротивление металлического заземлителя пренебрежимо мало, поэтому потенциалы всех его точек оказываются практически одинаковыми и равными величине потенциала, образующегося в точке соприкосновения заземлителя с грунтом. Поэтому потенциал самого заземлителя ?З или напряжение относительно точки с нулевым потенциалом UЗ определяются соотношением UЗ = ?З = IЗ?/(2?rЗ).
Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя – отношение напряжения UЗ к току IЗ, стекающему через заземлитель в грунт:RЗ = UЗ /IЗ = ?/2?rЗ.Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта (?) и геометрией заземлителя (rЗ).
При данном токе IЗ уменьшить уровень максимального напряжения в зоне растекания можно за счёт уменьшения сопротивления заземлителя, которое, в свою очередь, может быть уменьшено за счёт увеличения его геометрических размеров. Знание тока замыкания на землю и сопротивления заземлителя позволяет определить напряжение заземлителя относительно точки грунта, находящейся вне зоны растекания UЗ = IЗRЗ.
Если человек находится в зоне растекания электрического тока, то он может оказаться под действием напряжения шага. Напряжение шага (UШ) – это разность потенциалов между двумя точками x1 и x2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека: UШ = ?Х1 - ?Х2 = IЗ?(1/x1 – 1/x2) /(2?), где x1 ? x2.
Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага LШ = x2 – x1. По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается, и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда одна нога человека находится на заземлителе, а вторая – за его пределами на расстоянии шага.
Конспект по безопасности жизнедеятельности