3. Процесс растекания электрического тока в грунте

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 I_З растекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусом r_З равномерно по всем направлениям (рис.1).

Р

ис. 1. 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 = ∞): U_Х = φ_Х – φ_∞ , потенциал которой условно принимают равным нулю. Поэтому U_Х = φ_Х .

Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля E_Х = j_Х ρ ,

где j_Х = I_З / S_Х – плотность тока через полусферическую поверхность S_Х = 2πx², x – радиус воображаемой полусферы, ρ – удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление ρ зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта ρ обычно уменьшается, а при его промерзании – значительно увеличивается.

Падение напряжения в элементарном слое грунта тол­щиной dx dU_X = E_Xdx = j_Х ρdx ={I_Зρ/(2πx²)}dx.

Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от дан­ной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до зазем­лителя:

(1)

Полученная зависимость показана на рис. 1.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой возникает практически заметная разность потенциала, называется зоной растекания электрического 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 φ_З или напря­жение относительно точки с нулевым потен­циалом U_З определяются соотношением U_З = φ_З = I_Зρ/(2πr_З). (2)

Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя – отношение напряжения U_З к току I_З, стекающему через заземлитель в грунт: R_З = U_З /I_З = ρ/2πr_З .

Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта (ρ) и геометрией заземлителя (r_З). Таким образом, U_З = I_ЗR_З .

На практике часто используют групповые заземлители. Если отдельный одиночный заземлитель обладает сопро­тивлением R_ЗО, то сопротивление группового вертикального заземлителя определя­ется по формуле: R_ЗГВ = R_ЗО /(nη_В), (3)

где n – число заземлителей в группе; коэффициент η_В < 1 учитывает взаимовлияние отдельных за­землителей друг на друга, если их зоны растекания пересека­ются (если расстояние между ними меньше 40 м).

Сопротивление заземляющего устройства (R_ЗУ) - сумма сопротивлений заземлителя R_З и заземляющего проводника R_ЗП: R_ЗУ = R_З + R_ЗП. Поэтому сопротивление заземляющего проводника при расчетах следует учитывать, хотя обычно выбирают R_ЗП << R_З. В ПУЭ [3] нормируют сопротивление заземляющего устройства. В электроустановках напряжением до 1000 В R_ЗУН ≤ 4 Ом. При мощности генератора или трансформатора до100 кВ∙А R_ЗУН ≤ 10 Ом. Если удельное сопротивление грунта ρ > 500 0м∙м, то указанные значения R_ЗУН допускается повысить в 0,002ρ раз, но не более чем в 10 раз.