10.3 Стікання струму в землю. Крокова напруга

Струм замикається на землю через провідники, що мають з нею контакт. Причинами замикання і стікання струму в землю є: замикання електричної мережі в результаті аварії на заземлений корпус електроустановки; падіння проводів на землю; пробій чи ушкодження ізоляції електричних кабелів. При замиканні струму на землю відбувається різке зниження потенціалу – напруга визначається як добуток струму замикання на землю I₃ на опір розтікання струму від заземлювача в землі r_3:

= I₃ r₃,

де – потенціал заземлювача, В

Стікання струму в землю призводить до появи потенціалів на заземлювачі, на металевих частинах комунікацій, що знаходяться поблизу заземлювача, у землі та на її поверхні навколо місця замикання і стікання струму в землю. Різниця потенціалів поблизу замикання може досягати великих значень і тому є небезпечною для людини, що наближається чи рухається в зоні замикання. Людина при цьому зазнає впливу електричного струму по шляху «нога-нога».

Характер розтікання струму в землю, різниця потенціалів між сусідніми точками, а, отже, і небезпека ураження людини залежать від струму замикання на землю, провідності ґрунту, опору заземлених конструкцій, їхньої форми і ступеня зіткнення з ґрунтом, напруги в мережі (до 1000 В), розгалуженості, стану ізоляції т.ін.

Розглянемо, як розтікається електричний струм у землі від упалого проводу, який закон розподілу потенціалів від місця падіння його і яка небезпека крокової напруги.

Напруга кроку – напруга між двома точками ланцюга струму, що знаходяться одна від одної на відстані кроку і на якому одночасно стоїть людина (мал.10.6).

Припустимо, що «картина» розтікання струму від упалого проводу еквівалентна «картині» від напівкульового заземлювача і що ґрунт однорідний з питомим опором у багато разів більшим, ніж у заземлювача.

Тоді щільність струму в землі буде убувати і на відстані x від центра напівкульового заземлювача буде дорівнювати

,

де J – щільність струму, А/м².

Поле розтікання постійного і перемінного струмів частотою 50 Гц в однорідному провідному середовищі можна вважати стаціонарним електричним полем. У ньому щільність струму і напруженість Е у точці x зв’язані залежністю закону Ома в диференціальній формі

,

Рис. 10.6. Розподіл потенціалу по поверхні землі навколо напівкульового заземлювача

де Е – напруженість електричного поля, В/м; rr – питомий опір ґрунту, Ом∙см.

Спадання напруги d у шарі dx

.

Потенціал точки А (φ_А), якому відповідає півсфера між точкою з радіусом x і точкою, що відстоїть на нескінченно великій відстані (∞), визначиться при розв’язанні інтеграла

.

Потенціал точки В на відстані x₁ від заземлювача

Позначивши постійний добуток через k, одержимо рівняння рівносторонньої гіперболи

Таким чином, напруга від місця падіння проводу по поверхні однорідного ґрунту зменшується в усі сторони згідно з гіперболічним законом. Різниця потенціалів, прикладена до двох ніг, що знаходяться на відстані кроку (0,8 м), і називається кроковою напругою. Величина напруги з віддаленням від місця замикання зменшується, а при відстані більше 20 м у мережах до 0,4 кВ стає незначною і небезпеки для людини не становить.

На практиці ґрунт не завжди однорідний навколо місця замикання струму. Тоді еквіпотенційні лінії не будуть концентричними окружностями, а потенціал від місця замикання буде змінюватися за по якимось іншим складним законом, що залежить від питомого опору ґрунту навколо заземлювача.

Із зони впливу крокової напруги варто виходити дрібними кроками з урахуванням напрямку зниження дії струму. Стрибати на одній нозі чи тікати не слід, тому що при падінні до тіла людини буде прикладатися ще більша напруга, ніж напруга кроку.

Напруга дотику – напруга між двома точками ланцюга, до яких людина торкається одночасно. Іншими словами, це спадання напруги на опорі тіла людини при її включенні в електричний ланцюг

U_дот = I_л R_л,

де U_дот – напруга дотику, В; I_л – струм, що протікає через людину по шляху "руки-ноги", А; R_л – опір тіла людини, Ом.

Напруга дотику, наприклад, у зоні захисних заземлень

U_дот = U₃ – U_осн,

де U₃ = I₃∙r₃ – спадання напруги на заземлювачі, який електрично зв'язаний з корпусом електроустановки, до якої доторкається руками людина. Воно дорівнює добутку струму замикання на землю I₃ (в амперах) і опору розтікання струму від заземлювача r₃ (в омах); U_осн – напруга поверхні землі в тому місці, де стоїть людина і де вона прикладається до її ніг.