4. Явища при стіканні електроструму в грунт. Напруга кроку та напруга торкання.

Одніэю з причин поразки електричним струмом, є поява напруги кроку на ділянці землі, де знаходиться людина або напруги дотику. Це може бути в результаті електричного замикання фази на землю.

Напруга дотику − різниця потенціалів двох точок кола току, яких одночасно торкається людина.

Напруга кроку – різниця потенціалів між двома точками на поверхні землі, що знаходяться одна від одної на відстані кроку, що дорівнює а=0,8м.

Електричним замиканням фази на землю називають випадкове або навмисне електричне з’єднання частин електрообладнання, яке перебуває під напругою, безпосередньо з грунтом або з металевими струмопровідними частинами, що не ізольовані від землі. Замикання на землю може виникнути при пробої ізоляції на корпус обладнання високої напруги; внаслідок появи контакту між струмопровідними частинами та заземленим корпусом або конструктивними частинами обладнання, що пов’язані з землею; при падінні на землю обірваного дроту (рис. 1) тощо.

При стіканні струму в землю відбувається різке зниження потенціалу струмоведучої частини, що здобула зв’язку з грунтом, до значення φ_з, В, яке дорівнює добутку струму, що стікає до землі І_з, А, на опір R_з, Ом,, що зустрічає цей струм на своєму шляху:

φ_з= І_з^. R_з. (1)

В грунті в місці стікання струму з’явиться так зване «поле розтікання струму». Найбільший електричний потенціал буде в місці дотику дроту до землі. З видаленням від цього місця потенціал поверхні ґрунту зменшується і на відстані, яка приблизно дорівнює 20м, може бути прийнятим рівним нулю. Тому знаходження людини в полі розтікання струму може бути небезпечним для його життя, якщо Ії ноги опиняться у точках з різними потенціалами (рис. 2).

Напруга кроку визначається як різниця потенціалів поміж точками А и Б, які розташовані одна від одної на відстані кроку, що дорівнює 0,8 м:

(2).

Як видно з рисунку 2, найбільше значення напруги кроку спостерігається поблизу місця дотику обірваного дроту до грунту: U_к1 більше U_к2. Поразка при кроковій напрузі може усугубитися тим, що через судорожні скорочення м'язів ніг людина може впасти, після чого коло струму замикається вздовж її тіла крізь життєво важливі органи. Крім того, людина може замкнути точки з більшою різницею потенціалів, оскільки її зріст завжди є більшим за довжину її кроку.

Рис. 1 − Розтікання струму в ґрунті

Рис. 2 − Загальна схема виникнення напруги кроку

У разі, коли передбачене навмисне стікання струму крізь спеціальний металевий електрод, що здійснює контакт із грунтом, його називають заземлювачем. Розміри електрода можуть бути різними. Його форма буває дуже складною, і тоді закон розподілу потенціалів в електричному полі електрода визначається складною залежністю. Склад, а також електричні якості ґрунту – неоднорідні, особливо якщо взяти до уваги шарову його будову.

З метою спрощення картини електричного поля розтікання струму і його аналізу припустимо, що струм стікає до землі крізь окремий заземлювач напівкульової форми радіусом r, м, занурений в однорідний та ізотропний ґрунт з питомим опором ρ, Ом^.м, який у багато разів перевищує питомий опір матеріалу заземлювача (рис. 3).

r

Рис. 3. Розтікання струму в ґрунті крізь напівкульовий заземлювач

Лінії струму поблизу досліджуваного заземлювача будуть спрямовані по радіусах від центра напівкулі. При цьому лінії струму будуть перпендикулярними як до поверхні самого заземлювача, так і до будь-якої півкулі у ґрунті, концентричної з ним. Оскільки ґрунт однорідний та ізотропний, струм розподіляється по цій поверхні рівномірно. Отже, густина струму δ, А/м² ,в точці А на поверхні ґрунту на відстані х від центру заземлювача визначається як відношення струму замикання I_з на землю до площі поверхні півкулі радіусом х:

.

. (3)

Теоретично поле розтікання струму простягається до нескінченності. Однак в реальних умовах, як вже відмічалось, на відстані 20 м від заземлювача переріз шару земля, в якому проходить струм, буде настільки великим, що густина струму практично дорівнює нулю.

Закон Ома, наведений у формулі (1), для окремого заземлювача напівкульової форми радіусом r для якого згідно з ПУЕ

R_з = ρ/2π r, Ом,

буде мати вид:

φ_з= І_з^.ρ/2π r (4).

Це максимальне значення φ_з буде безпосередньо на заземлювачі. З видаленням від заземлювача напівкульової форми потенціал на поверхні землі змінюється за гіперболічним законом (5):

φ = φ_з r / х = І_з.ρ/2π x (5),

зменьшуясь від свого максимального значення φ_з до нуля.

Для окремого заземлювача напівкульової форми радіусом х_з з урахуванням формул (4, 5) формула (2) перетвориться на вираз

= . − .= , (6),

або

U_к = φ_з = φ_з β₁ (7),

де β₁ − коефіцієнт напруги кроку, який ураховує форму потенціальної кривої і залежить від форми та конфігурації заземлювача. Для заземлювачів іншої форми рівняння для визначення коефіцієнта β₁ буде складнішим. Його значення наведені в спеціальній літературі.

Напруга кроку також залежить від опору опорної поверхні ніг та опору взуття. Вплив цих опорів ураховується коефіцієнтом β_2.

Напруга дотику. Для людини, яка стоїть на грунті та торкається заземленого корпусу, що знаходиться під напругою (рис. 4), напруга дотику може бути визначена як різниця між потенціалами рук та ніг людини:

. (8)

Тобто при дотику рукою до металевого корпусу, що опинився під напругою, одна з точок кола струму буде мати потенціал цього корпусу, що дорівнює потенціалу заземлювача, пов’язаного з ним φ_з (см. формула 4), а інша− потенціал грунту φ в тому місці, де стоїть людина і який буде визначатися по формулі (5) в залежності від відстані х до заземлювача:

. (9)

(10)

На рисунку 4 показано кілька корпусів споживачів (електродвигунів), які електрично зв’язані між собою заземлювачем R₃. При замиканні фазного проводу на корпус будь – якої з цих електроустановок у грунт крізь заземлювач буде стікати струм і виникне поле розтікання струму, в якому опиниться людина, що обслуговує ці електроспоживачі. Зміна потенціалу на поверхні грунту описується кривою I.

Для людини, яка стоїть над заземлювачем, напруга дотику є нульовою, тому що потенціали рук та ніг однакові й дорівнюють потенціалу корпусів та заземлювача φ_з. З віддаленням від заземлювача напруга дотику зростає, і біля останнього третього корпусу вона дорівнює φ_з, оскільки людина стоїть на землі і потенціал її ніг φ_н дорівнює нулю.

Якщо у вираз (4.17) підставити значення потенціалу рук та ніг (φ_р та φ_н), одержимо напругу дотику:

− , (11),

де α₁ − коефіцієнт напруги дотику, який ураховує форму потенціальної кривої і залежить від форми та конфігурації заземлювача. Для заземлювачів іншої форми рівняння для визначення коефіцієнта α₁ буде складнішим. Його значення наведені в спеціальній літературі. У загальному випадку напруга дотику є частиною потенціалу φ_з, оскільки α₁ і β₁ менше одиниці

Рисунок 4− Напруга дотику до корпусів заземлених металевих корпусів електроустановок, які виявилися під напругою:

І – крива розподілу потенціалів на грунті;

ІІ – крива розподілу напруги дотику

Напруга дотику також залежить від опору опорної поверхні ніг та опору взуття. Вплив цих опорів ураховується коефіцієнтом α_2. Коефіцієнт α₂ може бути визначений, якщо відомі додаткові опори. Значення опору взуття може знаходитися у широких межах (від кількох омів до кількох мега омів). У зовнішньому електрообладнанні, а також у вологих приміщеннях опором взуття можна знехтувати.

При груповому заземлювачі та малих відстанях між ними поля розтікання струмів накладаються одне на одне, а потенційні криві перетинаються та складаються, формуя сумарну потенційну криву без значних перепадів потенціалу φ. Вирівнювання потенціалу ніг дозволяє знизити напругу дотику на площі, яку охоплює груповий заземлювач.