2. Опасность поражения человека при растекании тока в земле.
Пробой изоляции и замыкание электрической цепи на землю вызывает протекание аварийного тока в земле, что приводит к появлению опасных потенциалов на металлических корпусах приборов и оборудования, возникновению опасной разности потенциалов между отдельными точками земли и другим нежелательным последствиям.
Чтобы упростить рассмотрение этих явлений, допустим, что аварийный ток I3 стекает в землю через одиночный металлический заземлитель полушаровой формы, уложенный в однородный грунт с удельным сопротивлением (рис. 2).
Можно принять, что линии тока идут по радиусам от центра шара. Поверхностями равного потенциала будут концентрические полусферы. Плотность тока на расстоянии х от центра шара зависит от радиуса: при увеличении расстояния х плотность тока уменьшается:
,А/мм2
Пространство вокруг заземлителя, где наблюдается прохождение тока замыкания на землю, называется полем растекания.
Рисунок 2 - Схема замыкания тока на землю через полушаровой заземлитель и графики напряжения прикосновения Uпр и потенциала в функции расстояния от заземлителя
График на рис. 2 имеет вид гиперболы. Важно отметить, что подобный характер распределения потенциалов наблюдается не только при полушаровом заземлителе. Потенциальные кривые, снятые у заземлителей в виде стержня, трубы, пластин и т.д., имеют примерно один и тот же вид. Причина этого – своеобразная форма проводника (земли), сечение которого возрастает во второй степени от длины – радиуса полушара.
Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли вблизи заземлителя, поскольку ток проходит здесь по малому сечению. Точки почвы, лежащие на расстоянии более 20 м от одиночного заземлителя (или места замыкания на землю), могут практически считаться точками с нулевыми потенциалами, т.е. «землей» в электротехническом смысле.
Напряжение между электродом и землей (х = r ) составляет
Величина
называется сопротивлением растеканию тока. Оно сосредоточено практически в радиусе 20 м от места входа тока в заземлитель.
Напряжение прикосновения Uпр определяется разностью потенциалов между заземлителем и какой-либо точкой в поле растекания тока
Наибольшего значения напряжение прикосновения Uпр достигает при х = (рис. 2). В этом случае оно равно напряжению U3 между электродом и землей.
Таким образом, прикасаясь к заземлителю или заземленному оборудованию в аварийном режиме, человек может быть поражен напряжением прикосновения.
Другим видом опасности при растекании тока в земле может быть опасность шаговых напряжений. Шаговое напряжение определяется разностью потенциалов, под которыми находятся ноги человека. Если одна нога человека находится на расстоянии х от заземлителя, а другая на расстоянии х+а, то шаговое напряжение согласно формуле
Наибольшее напряжение шага возникает, когда одна нога человека соприкасается с электродом (x = r). В этом случае
По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Основная мера защиты от опасности напряжений прикосновения и шага – это выравнивание потенциалов. Оно достигается путем близкого (менее 20 м) расположения электродов (заземлителей) и применением заземляющих шин, не связанных с электродами, т.е. выполнением так называемого контурного заземления.
Рисунок 3 - Принцип действия устройства защитного отключения (УЗО).