3.5.4.2. Опасность замыкания на землю в электроустановках

Замыкание на землю – это случайное электрическое соединение с землёй частей электроустановок, находящихся под напряжением. Замыкание на землю возникает при повреждении изоляции и переходе фазного напряжения на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением, при замыкании на оболочку в кабельных линиях и т.п.

Стекание тока в землю происходит через проводник, находящийся с нею в непосредственном контакте и называемый заземлителем. При этом заземлители выполняют защитную функцию при замыкании на корпус потенциал повреждённой фазы относительно земли снижается до значения, равного падению напряжения на заземлителе: U_З= I_З R_З, где I_З – ток замыкания на землю; R_З – сопротивление заземлителя растеканию тока.

Появление напряжения на заземлителе и соединённых с ним металлических частях электрооборудования, а также на поверхности грунта создаёт опасность электропоражения людей. Основной характеристикой заземлителей является сопротивление току растекания.

Ток растекается от заземлителя равномерно во все стороны по поверхности и в глубину земли (рис.3.5.5). По мере удаления от заземлителя плотность тока убывает, поскольку увеличивается сечение слоя земли, через которое проходит ток. Потенциал грунта U_X изменяется при этом в соответствии с уравнением

,

где r – радиус полушарового заземлителя; х – расстояние от оси заземлителя до данной точки грунта.

При замыкании на землю потенциал поверхности грунта убывает с удалением от заземлителя по закону гиперболы, от максимального значения на заземлителе U_з при х r до нуля при х. Практически потенциал U_x близок к нулю на расстоянии х  20м (рис.3.5.5).

Сопротивление, которое оказывает току земля, окружающая электрод, называется сопротивлением заземлителя, которое в отличие от собственного сопротивления электрода значительно больше и зависит от удельного сопротивления земли, от геометрической формы и размеров электродов, определяющих картину поля, от неоднородности грунта.

Человек, стоящий на поверхности грунта в зоне растекания тока, приобретает потенциал данной точки поверхности U_x, в то время, как корпуса электрооборудования находятся под потенциалом заземлителя U_з, с которым они электрически соединены. Человек, коснувшись рукой повреждённого корпуса, оказывается под действием напряжения прикосновения, равного разности потенциалов руки и ног: U_пр = U_з – U_x – напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения.

Если человек делает шаг, находясь в поле растекания тока замыкания на землю, то его ноги оказываются под разными потенциалами (рис.3.5.5). Напряжение шага – это разность потенциалов между точками поверхности земли, расположенными одна от другой на расстоянии шага. На расстоянии одного шага от заземлителя (рис.3.5.5, поз.1) одна нога находится под потенциалом U_з, а другая – U_х. В этом случае напряжение шага имеет максимальное значение, т.к. вблизи заземлителя кривая U_x изменяется наиболее резко. При удалении от заземлителя напряжение шага уменьшается и вне зоны растекания равно нулю. Таким образом, при сравнительно небольшом удалении от заземлителя напряжение прикосновения быстро возрастает от нуля (у заземлителя) до максимального значения U_пр = U_з на расстоянии около 20м, а напряжение шага, наоборот, уменьшается.

Правила ПБЭ запрещают приближаться к упавшему на землю проводу на расстояние ближе 4…8м. Оказавшись в опасной зоне, следует выходить из неё мелкими шагами в сторону, противоположную месту аварии.

Условия поражения человека напряжением прикосновения и напряжением шага различаются и тем, что ток через тело человека протекает по разным путям: «рука-ноги» или «нога-нога». Случаи поражения людей напряжением шага относительно редки. Однако, значительные напряжения шага вызывают судороги в ногах, от чего при падении человека ток будет проходить вдоль всего тела, перекрывая точки поверхности грунта с большей разностью потенциалов. Наиболее опасны напряжения шага при ударе молнии, значения которых могут достигать нескольких и даже десятков киловольт.

В зоне сложных заземлителей напряжение шага определяют как часть от напряжения заземлителя: , где - коэффициент напряжения шага (определяется по таблицам). Напряжение шага не нормируется, его можно принять не выше 65В переменного тока по рекомендациям ряда исследований.

Напряжение прикосновения определяется по формуле

,

где - коэффициент напряжения прикосновения (определяется по таблицам). Предельно допустимые напряжения прикосновения в зависимости от длительности воздействия приведены в табл.3.5.5.