§3.4 Розтікання струму при замиканні на землю

Електричним замиканням на землю називається випадкове електричне з'єднання частин електроустановки, які перебувають під напругою, безпосередньо з землею або з металевими неструмоведучими частинами, не ізольованими від землі.

Замикання на землю може статися внаслідок появи контакту між струмоведучими частинами і заземленим корпусом або конструктивними частинами обладнання, при падінні на землю обірваного проводу, при пробої ізоляції обладнання високої напруги і т. ін. У всіх цих випадках струм від частин, що знаходяться під напругою, проходить в землю через електрод, який здійснює контакт з грунтом. Спеціальний металевий електрод прийнято називати заземлювачем.

Розміри електрода можуть бути різними (від кількох сантиметров до десятків і сотень метрів), форма може бути дуже складною, і закон розподілу потенціалів в електричному полі електрода визначається складною залежністю. Склад, а значить, і електричні властивості грунту неоднорідні, особливо якщо врахувати шарувату будову грунту.

Розподіл потенціалу на поверхні землі φ від віддалі xдо заземлювача залежить від типу заземлювача і властивостей грунту. Наприклад, для одиночного заземлювача напівсферичної форми, який занурений у однорідний і ізотропний грунт з питомим опором ρ, який набагато перевищує питомий опір заземлювача, буде справедливим вираз:

(3.9)

де І_Звеличина струму замикання на землю. Якщо врахувати, що І_З ∙ρ/2π =k= сonst, останній вираз можна записати: φ(x)=kx. Цей вираз є рівнянням гіперболи, значить, потенціали точок грунту у полі розтікання змінюються за гіперболічним законом¹. Теоретично зона розтікання поширюється до безмежності, але в реальних умовах уже на віддалі 20 м віз заземлювача φ =0.

Напругою корпуса електроустановки відносно землі називають напругу між корпусом і точками грунта, потенціали яких можуть бути прийняті рівними нулю.

Напруга дотику. Для людини, яка стоїть на грунті і торкається рукою заземленого корпусу, на який потрапила напруга, напруга дотику може бути визначена наступним чином:

UДОТ = φр – φн,,

(3.10)

де φ_р і φ_нпотенціали руки і ніг, відповідно.

На рис. 3.5 показано декілька корпусів споживачів (електродвигунів), приєднананих до заземлювача R_З. Потенціали на поверхні грунту при замиканні на корпус будь-якого споживача розподіляється по кривій 1. Потенціали всіх корпусів одинакові, бо вони електрично зв’язані між собою заземлюючим проводом, падінням напруги в якому можна знехтувати.

Рис.3.5	Напруга дотику до заземлених не струмонесучих частин, які виявилися під напругою: Iкрива розподілу потенціалів;IIкрива розподілу напруги дотику

Щоб отримати напруги дотику корпусу, треба з напруги відносно землі відняти потенціал точки грунту, на якій стоїть людина. Для людини, що стоїть над заземлювачем, напруга дотику дорівнює нулю, оскільки потенціали рук і ніг однакові і рівні потенціалу корпусів.

При поступовому віддаленні від заземлювача напруга дотику зростає і у останнього корпусу вона рівна напрузі відносно землі, тому що людина стоїть на землі і потенціал його ніг φ_н,дорівнює нулеві, тобто

UДОТ =UЗ– 0,

(3.11)

де U_З напруга корпусу відносно землі.

Якщо використати вирази для потенціалів рук і ніг, то для U_ДОТможна отримати:

UДОТ­=UК∙α

(3.12)

де α =1-φ_К / φ_X, U_Кнапруга на корпусі обладнання відносно точки поверхні землі поза зоною розтікання струму замикання на землю; (φ_К і φ_X  потенціали корпусу і грунту в точці, де знаходяться ноги людини, відповідно).

Величина α називається коефіцієнтом напруги дотику, який враховує форму потенціальної кривої і залежить від типу заземлювача і відстані від людини до заземлювача.

Біля заземлювача α=0 і U_ДОТ­=0, коли людина стоїть безпосередньо на заземлювачі. За межами зони розтікання струму (практично на відстані x  20м α=1, а напруга дотику має найбільше значення:U_ДОТ=U_К- це найнебезпечніший випадок. Напруга дотику збільшується зі збільшенням відстані від заземлювача і за межами зони розтікання струму дорівнює напрузі на корпусі обладнання відносно землі. Струм, який протікає через людину по шляху рука - ноги, дорівнює: І_Л=U_ДОТ/R_Л.

Напруга кроку. Як відзначалося у § 3.3, людина, яка знаходиться у полі розтікання заземлювача, буде перебувати під напругою кроку, якщо його ноги знаходяться у точках з різними потенціалами.

На рис. 3.6 показано розподіл потенціалів у полі розтікання одиничного заземлювача. Напруга кроку визначається як різниця потенціалів між точками А і Б:

Рис.3.6	Наруга кроку: а загальна схема; брозтікання струму з опорної поверхні ніг людини.
UК­ = φА– φБ.		(3.13)

Так як точка А знаходиться на віддалі xвід заземлювача, її потенціал згідно (3.9) при напівсферичному заземлювачі дорівнює:

(3.14)

Точка Б розміщена далі від заземлювача, ніж точка А, на розмір кроку людини а, тобто віддаль між заземлювачем і точкою Б дорівнює x+а.. Тому потенціал точки Б визначається як

(3.15)

Тоді напруга кроку дорівнює:

(3.16)

або

.

(3.17)

По аналогії з напругою дотику, напруга кроку може бути записана:

UK=UЗ∙β1∙ β2,

(3.18)

де β₁  коефіцієнт напруги кроку, а β₂  коефіцієнт, який залежить від опору опорної поверхні ніг і опору взуття.

Коефіцієнт напруги кроку, що враховує форму потенційної кривої β₁,залежить від форми і конфігурації заземлювача і розміщення відносно заземлювача точки, в якій він визначається: Чим ближче до заземлювача, тим більшеβ₁і якщо людина стоїть над заземлювачем, коефіцієнтβ₁приймає максимальне значення. Людина, що знаходиться поза полем розтікання заземлювача, взагалі не потрапляє під напругу кроку, оскількиβ₁=0 і U_m= 0. Крокова напруга також може бути рівною нулеві, якщо обидві ноги людини знаходяться на еквіпотенціальній лінії.

Слід зазначити, що характер залежності крокової напруги від відстані до заземлювача протилежний тій же залежності напруги дотику, яка збільшується зі збільшення віддалі.­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

Якщо не враховувати додаткових опорів у ланцюгу людини, максимальна напруга кроку менша від напруги дотику. Крім того, протікання струму по нижній петлі «нога нога» менш небезпечне, ніж по шляху «рука - рука». Однак відмічено чимало випадків ураження людей при впливі напруги кроку. Це пояснюється тим, що під дією струму в ногах виникають судоми і людина падає. Після падіння людини ланцюг струму замикається уздовж його тіла через дихальні м'язи і серце, причому людина може замкнути точки з більшою різницею потенціалів, так як ріст людини завжди більший від довжини його кроку.