Растекание тока в земле

При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства. При этом возникает опасность поражения человека током, так как между корпусов оборудования и землей, а также между отдельными точками грунта, где могут находиться люди, возникают напряжения. Чтобы определить степень опасности поражения людей электрическим током при замыкании на землю, т.е. величину тока, проходящего через человека, находящегося вблизи места замыкания на землю или касающегося заземленного корпуса электрооборудования, рассмотрим закон распределения потенциалов на поверхности земли при растекании в нем тока.

Форма заземлителя может быть очень сложной. Состав, а следовательно, электрические свойства грунтов, как правило, неоднороден, особенно если учесть слоистое строение грунта. Поэтому закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью.

Чтобы упростить картину электрического поля и его анализ, сделаем следующие допущения: заземлитель имеет форму полусферы; грунт (земля) однородный и изотропный; удельное сопротивление грунта во много раз больше удельного сопротивления материала заземлителя (металла).

Если другой электрод находится достаточно далеко, то линии тока вблизи исследуемого заземлителя направлены по радиусам от его центра. При этом линии тока перпендикулярны как к поверхности самого заземлителя, так и к любой полусфере в грунте, концентричной с ним (рис.1).

Рис.1. Растекание тока замыкания на землю в грунте через полусферический заземлитель

Стекающий с заземлителя ток создает в грунте с удельным электрическим сопротивлением ρ электрическое поле напряженностью Ε. Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома:

,

где j- плотность электрического тока в зоне растекания в земле.

Поскольку грунт однородный и изотропный, ток распределяется по поверхности электрических полусфер равномерно. Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии xот заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землюJ_з, к площади поверхности полушара радиусомX:

(2)

Эта поверхность является эквипотенциальной.

Выделив на расстоянии х от заземлителя элементарный слой толщиной dх, получим падение напряжения в этом слое:

DU=Edx(3) Потенциал произвольно выбранной точки А, т.е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, найдем из выражения

(4)

Решая совместно уравнения (I) - (4), получим

(5)

Если приравнять

,

то получим уравнение гиперболы:

Такое распределение потенциалов объясняется формой проводника - грунта, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя.

Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Те точки поверхности грунта, потенциал которых может быть принят равным нулю, называются электротехнической землей. Плотность тока в электротехнической земле также может быть принята равной нулю.

Зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю, называется зоной растекания тока замыкания на землю.

Принято считать, что электротехническая земля в зависимости от свойств грунта начинается с расстояния 10-20 м от заземлителя, так как на этом расстоянии и далее потенциал грунта не превышает нескольких процентов от потенциала заземлителя.

Таким образом, при полушаровом заземлителе потенциал точек на поверхности земли изменяется по гиперболе. Если пренебречь точками, расположенными в непосредственной близости от заземлителя, полученная зависимость может быть с некоторым приближением использована для изучения поля растекания и при других заземлителях (стержень под уголок).

Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель. На поверхности заземлителя, где расстояние от центра равно r_з, потенциал или напряжение заземлителя относительно земли

(6)

здесь R_з- сопротивление растеканию тока.

Если какая-либо точка электрической цепи оказывается в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток I_з, потенциал заземлителя φ_зсообщается и данной точке. Это обстоятельство, благодаря которому в результате, контакта с заземлителем любая точка электрической цепи может создать свой потенциал (напряжение относительно земли) до величиныI_зR_з, используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.