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_З растекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусом r_З равномерно по всем направлениям (рис.4.4).

Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), кото­рая может возникнуть между произвольной точкой с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x = ∞): 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 поверхность S_Х = 2πx², x – радиус воображаемой полусферы, ρ – удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление ρ зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта ρ обычно уменьшается, а при его промерзании – значительно увеличивается.

Падение напряжения в элементарном слое грунта тол­щиной dxdU_X = E_Xdx = j_Х ρdx = { I_Зρ/ (2πx²)} dx.

Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от дан­ной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до зазем­лителя:

Полученная зависимость показана на рис. 4.4.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой воз­ни­кает практически заметная разность потенциала, называется зоной рас­те­кания электрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20 м 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_З или напря­жение относительно точки с нулевым потен­циалом U_З определяются соотношением U_З = φ_З = I_Зρ/ (2πr_З).

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).

При данном токе I_З уменьшить уровень максимального напряжения в зоне растекания можно за счёт уменьшения сопротивления заземлителя, которое, в свою очередь, может быть уменьшено за счёт увеличения его геометрических размеров. Знание тока замыкания на землю и сопротивления заземлителя позволяет определить напряжение заземлителя относительно точки грунта, находящейся вне зоны растекания U_З = I_ЗR_З.

Если человек находится в зоне растекания электрического тока, то он может оказаться под действием напряжения шага. Напряжение шага (U_Ш) – это разность потенциалов между двумя точками x 1 и x 2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека: U_Ш = φ_Х1 - φ_Х2 = I_Зρ (1/ x 1 – 1/ x 2) / (2π), где x 1 ≤ x 2.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага L _Ш = x 2 – x 1. По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается, и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда одна нога человека находится на заземлителе, а вторая – за его пределами на расстоянии шага.