Явления при стекании тока в землю. 
Напряжение прикосновения и шага

Стекание тока в землю происходит при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением, т. е. когда проводник находится в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае такой проводник называется заземлителем или электродом. Любое случайное или преднамеренное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с землёй носит название замыкания на землю.

При стекании тока в землю происходит резкое снижение потенциала заземлившейся токоведущей части до значения ц_з (В), равного произведению тока, стекающего в землю I_з (А) на сопротивление, которое этот ток встречает на своём пути R_з (Ом):

ц_з = I_з•R_з.

Характер распределения потенциала на поверхности земли, т. е. изменение величины потенциала при изменениях расстояния до заземлителя, можно оценить, рассмотрев случай стекания тока I_з (А) в землю через наиболее простой заземлитель полушар радиусом r (м) (рис. 7.4).

Рис. 7.4 Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Для упрощения принимают, что земля во всём своём объёме однородна, т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением с (Ом • м). В данном случае ток по земле будет растекаться во все стороны по радиусам полушара и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя. На некотором расстоянии х от центра полушара плотность тока (А/м²) будет.

q = I_з / 2р х².

Наибольшее сопротивление току оказывают слои земли, расположенные вблизи заземлителя, т.к. ток здесь проходит по малому сечению. Очевидно, что максимальное сопротивление току будет оказано на заземлителе и здесь будет наибольшее падение напряжения. Более удалённые участки грунта имеют большее поперечное сечение и оказывают меньшее сопротивление току. Если точка, А находится на значительном удалении от электрода, т. е. х>?, то потенциал её равен нулю. По мере приближения точки, А к центру электрода растёт потенциал и на поверхности электрода, где расстояние от центра равно х_з = r заземлителя:

ц_з =U_з=I_з с/ 2р х_з .

Около 68% полного напряжения расходуется на участке от центра заземлителя до х=1м. В объёме 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, 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 (см. рис. 7.4). Таким образом, минимальный потенциал, т. е. U = 0 имеет точка х = ?. На практике х = 20 м.

В идеале потенциал земли вокруг шарового заземлителя изменяется по закону гиперболы В действительности при неоднородном грунте распределение будет происходить по каким-то другим кривым. На практике распределение потенциалов определяют с помощью вольтметра, заземлителя и щупа и получают действительную кривую (см. рис. 7.4).

Напряжение прикосновения. Во всех случаях контакта человека с частями нормально или случайно находящимся под напряжением, это напряжение прикладывается ко всей цепи че-ловека, куда входят сопротивление человека (R_ч), пола или грунта и т. д.

Та часть напряжения, которая приходится в этой цепи непосредственно на тело человека называется напряжением прикосновения или есть падение напряжения в сопротивлении тела человека R_ч (Ом):

U_пр = I_ч R_ч,.

где I_ч ток, проходящий через человека по пути рука-ноги, А.

Численно напряжение прикосновения (рис. 7.5 а) равно разности потенциалов корпуса ц_к и точек почвы, в которых находятся ноги человека ц_н, т. е. в случае пробоя на корпус в любом двигателе получаем кривую растекания потенциалов I. В случае прикосновения человека к любому из двигателей он окажется под напряжением прикосновения равным разности потенциалов:

на первом двигателе U_пр1 = (ц_к ц_н) = U_з U_н 1;

на втором двигателе U_пр2 = (ц_к ц_н) = U_з U_н 2;

на третьем двигателе U_пр3 = (ц_к ц_н) = U_з (U_н3 = 0) = U_з = I_ч • R_ч наиболее опасный случай прикосновения.

Таким образом, получаем график напряжения прикосновения II, который симметричен графику растекания потенциалов, но повёрнут на 180⁰. Ток, протекающий через человека при прикосновении, I_ч = U_пр / R_ч. Главная задача заземления свести к минимуму разность UзUн.

Предельно допустимая величина Uпр. правилами не нормируется, но в практике обычно для расчётов она принимается равной 36 В.

Напряжение шага. Напряжение между ступнями человека на поверхности земли с разными потенциалами, обусловленное током замыкания на землю называется шаговым напряжением или напряжением шага (рис. 7.5 б).

Величину шага принимают равной 0,8 м. Максимальное значение U…

Напряжённость шага также увеличивается с увеличением ширины шага. Ток, обусловленный напряжением шага,.

I_ч = U_ш / R_ч

Напряжение шага не должно превышать 40 В. Следует отметить, что условия поражения человека напряжением прикосновения и напряжением шага различны, т.к. ток протекает по разным путям: через грудную клетку от напряжения прикосновения и по нижней петле от напряжения шага. Значительные напряжения шага вызывают Рис. 7.5 Напряжение прикосновения (а) судорогу в ногах, человек падает, после чего цепь и напряжение шага (б) замыкается вдоль всего тела человека.