3. Растекание электрического тока в земле.

При заземлении 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 корпусом 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 ней тока.

Форма заземлителя может быть очень сложной. Состав, а сле-довательно, электрические свойства земли, как правило, неоднороден, особенно если учесть слоистое строение земли. 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; земля однородная и изотропная; удельное сопротивление земли 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 земле, концентричной с ним (рис.2.1.).

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

(2.1.)

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

Поскольку земля однородна и изотропна, ток распределяется по поверхности концентрических полусфер равномерно. Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии Х от заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землюIз к площади поверхности полушара радиусомX (2.2) Эта поверхность является эквипотенциальной. Выделив на расстоянии Х от заземлителя элементарный слой толщиной dx, получим падение напряжения в этом случае:

Рисунок 2.1. Растекание тока замыкания на землю через полусферический заземлитель

(2.3)

Потенциал произвольно выбранной точки А , т.е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей пулевым потенциалом, найдется из выражения

(2.4)

Решая самостоятельно уравнения (2.1) – (2.4), получим

(2.5)

Если приравнять

то получим уравнение гиперболы

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

Точки, лежащие на поверхности земли, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю, называется зоной нулевого потенциала или относительной землей. Плотность тока в относительной земле также может быть принята равной нулю.

Принято считать, что относительная 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, уголок или труба).

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

(2.6)

здесь - сопротивление растекания тока.

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