3.5.8. Земля як елемент електричної мережі. Напруга кроку

При обриві проводів ПЛЕП і їх контакті з замлею, пробої кабельних ліній на землю, замиканні на неструмовідні елементи електроустановок, що мають контакт з землею, доторканні людини, яка стоїть на землі, до струмовідних частин під напругою тощо земля стає елементом електричної мережі замикання на землю.

Структурні елементі можливої мережі замикання на землю та послідовність включення цих елементів в мережу будуть розглянуті нижче (див. 3.4.9). Але в усіх перерахованих випадках в мережах замикання на землю обов’язковим є структурний елемент “земля”.

Земля є специфічним провідником електричного струму — неоднорідним і нелінійним зі змінною площею поперечного перерізу. Тому при проходженні струму по землі на її поверхні виникає специфічне поле потенціалів, характер якого визначається конструкцією заземлювача, властивостями грунту тощо.

Більш детально зупинемось на явищі протікання струму в землі для напівсферичного заземлювача, який знаходиться на поверхні землі (рис. 3.3)

Для такого заземлювача, при умові однорідності і електричній ізотропності грунту, можна вважати що струм у всіх напрямках буде розтікатись рівномерно—як показано стрілками на рисунку і буде дорівнювати . Виділимо на відстанівід центру заземлювача елемент напівсферічної форми товщиною. Падіння напруги на цьому елементіпри проходженні струмувизначиться за формулою

В, (3.1)

тобто буде дорівнювати добутку струму на опір,

де — питомий опір землі, Омм; — товщина виділенного шару землі або довжина провідника;— площа поперечного перерізу провідника.

Потенціал в точці А на поверхні землі відносно нульового потенціалу землі або падіння напруги на поверхні землі від точки А до нескінченості визначиться як

В (3.2)

відповідно до (3.2) потенціал на поверхні заземлювача (— радіус заземлювача) дорівнює

В (3.3)

Розділивши на, отримаємо вираз

(3.4)

Добуток є величиною сталою для конкретних умов. Позначивши його через К, отримаємо вираз

(3.5)

тобто рівняння гіперболи.

Таким чином, розподіл потенціалів на поверхні землі навколо напівсферичного заземлювача відповідає закону гіперболи, а значення потенціалів зменшуються від свого максимального значення до нуля при віддаленні від заземлювача — рис. 3.1.

Практично, зона підвищених потенціалів на поверхні землі відносно її нульового потенціалу при замиканні на землю через напівсферичний заземлювач і однорідному грунті обмежується колом радіусом біля 20 м. Переміщуючись в цій зоні, людина попадає під так звану напругу кроку— напругу між двома точками на поверхні землі, які знаходяться одна від одної на відстані кроку і на яких одночасно стоїть людина.

З наближенням до заземлювача величина крокової напруги зростає і при напругзі мережі живлення 0,4 кВ вже може бути небезпечною для людини. Тому “Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів” при наявності замикання на землю забороняють наближатися до місця замикання ближче 8 м поза приміщенням і 4 м в приміщенні без застосування засобів захисту — діелектричні боти, галоші, суха дошка тощо.

В загальному виді величина напруги кроку може бути визначена як різниця між таде величина кроку, м. відповідно до чого

(3.6)

тобто величина напруги кроку прямопропорційна силі струму замикання на землю, питомому опору провідника (земля) і величині кроку і оберненопропорційна відстані від заземлювача.

Форма зони підвищених потенціалів на поверхні землі і розподіл потенціалів у цій зоні залежать від конструкції заземлювача.

При контурній конструкції заземлювача розподіл потенціалів на поверхні землі має вид, приведений на рис. 3.4. Така конструкція заземлювача забезпечує зменшення перепадів потенціалу на поверхні землі (підлоги) всередині контура і, як наслідок, зменшення можливої напруги кроку.

І тільки за межами контура характер кривої розподілу потенціалів подібний до кривої розподілу потенціалів для одиночного напівсферичного заземлювача