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_Зрастекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусомr_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 координатойx= ∞):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 поверхностьS_Х = 2πx²,x– радиус воображаемой полусферы,ρ– удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление ρзависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунтаρобычно 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 xдо 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, называетсязоной растекания электрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20м 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_Зили напря­жение относительно точки с нулевым потен­циаломU_Зопределяются соотношениемU_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; коэффициентη_В < 1 учитывает взаимовлияние отдельных за­землителей друг на друга, если их зоны растекания пересека­ются (если расстояние между ними меньше 40м).

Сопротивление заземляющего устройства(R_ЗУ) - сумма сопротивлений заземлителяR_Зи заземляющего проводникаR_ЗП:R_ЗУ = R_З + R_ЗП. Поэтому сопротивление заземляющего проводника при расчетах следует учитывать, хотя обычно выбираютR_ЗП <<R_З. ВПУЭ [3]нормируют сопротивление заземляющего устройства. В электроустановках напряжением до 1000ВR_ЗУН ≤ 4 Ом. При мощности генератора или трансформатора до100кВ∙АR_ЗУН ≤ 10 Ом. Если удельное сопротивление грунтаρ>5000м∙м, то указанные значенияR_ЗУН допускается повысить в 0,002ρ раз, но не более чем в 10раз.