Процесс растекания электрического тока в грунте земли

В электроустановках в силу различных причин может происходить нарушение изоляции фазных проводников относительно земли и, как следствие этого, - электрическое замыкание на землю (например, через заземлённый металлический корпус). При этом в грунте возникает процесс растекания электрического тока, сопровождающийся соответствующим распределением электрических потенциалов в некоторой окрестности вокруг электрода-заземлителя.

Наиболее простым в математическом отношении является случай, когда ток замыкания I_З стекает в землю через полусферический заземлитель с радиусом r_з. В данном случае можно считать, что ток I_З будет растекаться в грунте от заземлителя по всем направлениям равномерно (рис. 4.4).

Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), которая может возникнуть между произвольной точкой грунта с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x ® ∞): U_х = φ_х – φ_∞. Потенциал бесконечно удалённой точки принято считать равным нулю, поэтому U_х = φ_х.

Для определения величины U_х проведём через точку x полусферическую поверхность S_x вокруг заземлителя. Ток замыкания, растекающийся в однородном грунте равномерно по всем направлениям, создаёт стационарное электрическое поле, напряжённость которого на поверхности S_x определяется согласно закону Ома в дифференциальной форме:

E_x = j_x • ρ,

где: j_x = I_з / S_x – плотность тока через полусферическую поверхность S_x= 2πx², A/м²;

ρ – удельное электрическое сопротивление грунта, Ом∙м.

И змеряемый параметр грунта ρ зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры.

Задавая элементарное приращение координаты, можно определить величину падения напряжения на слое грунта толщиной dx:

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

Полученная зависимость носит гиперболический характер и определяет распределение напряжения (или потенциала) в окрестности заземлителя относительно бесконечно удалённой точки. Для заземлителей с геометрической формой, отличной от полусферической, распределение напряжения в окрестности заземлителя описывается более сложными математическими формулами, но, тем не менее, оказывается “похожим” на данное распределение.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой возникает практически заметный градиент величины напряжения или потенциала, называется зоной растекания электрического тока. Условно считают, что нулевой потенциал имеет точка грунта, бесконечно удалённая от заземлителя. В большинстве случаев область нулевого потенциала начинается на расстоянии 20 м от заземлителя. Эту область грунта называют электротехнической землёй (!).

При стремлении координаты x к нулю величина напряжения (потенциала) неограниченно увеличивается. Практически же подобного не происходит. Данный факт объясняется тем, что удельное электрическое сопротивление металлических заземлителей очень мало, поэтому потенциалы всех точек металлической среды заземлителя оказываются практически одинаковыми и равными величине потенциала, образующегося на границе раздела металлической среды заземлителя и грунта (рис. 4.4). Таким образом, максимальная величина напряжения (потенциала) в зоне растекания электрического тока через полусферический заземлитель ограничивается на уровне, определяемом значением координаты x = r_з (т. е. геометрическими размерами заземлителя):

Для характеристики максимального напряжения в зоне растекания введён очень важный параметр – сопротивление заземлителя растеканию тока

которое практически полностью определяется свойствами грунта (ρ) и геометрическими размерами заземлителя (r_з). Таким образом, при данном токе I_З уменьшить уровень максимального напряжения (потенциала) 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.

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 грунта, с которыми контактируют ступни ног человека:

где x_л и x_п – координаты точек грунта, с которыми контактируют ступни левой и правой ног человека.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от расстояния между точками расположения ступней его ног (т. е. от длины шага). По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда ступня одной ноги человека расположена на заземлителе, а другая - на расстоянии шага.

Оглавление