Розтікання струму в землі - студопедія
Замикання на землю може статися через контакт ме-жду струмоведучих частин і заземленим корпусом при по-врежденіі електричної ізоляції обладнання, падінні на землю обірваного дроту та ін. В цих випадках струм сте-кає в землю через електрод, який контактує з грун- тому. Металевий провідник (електрод), занурений в грунт, називається заземлювачем.
Струм, стікаючи з заземлювача в землю, розподіляється по значному її обсягу. Простір навколо заземлювача, де потенціали не рівні нулю, називається полем розтікання струму. Якщо людина перебуває в полі розтікання струму, то струм проходить через його ноги.
Напруга між двома точками електричного кола струму, що знаходяться одна від одної на відстані кроку, на яких одночасно стоїть людина, називається напругою кроку чи кроковим напругою.
Закон розподілу потенціалів в електричному полі заземлювача описується складною залежністю, визначає-мій розмірами, формою заземлювача і електричними свій ствами грунту.
Для виявлення закону розподілу потенціалів грун-ту в полі розтікання струму зробимо наступне припущення: струм IЗ стікає в землю через одиночний півсферичний заземлитель радіуса r0 занурений в однорідний з-тропний грунт з питомим електричним опором r (рис. 1).
Лінії розтікається струму спрямовані по радіусах від заземлювача, як від центру, а перетину землі як провідника є півсфери з радіусами r 
Мал. 1 Розтікання струму в грунті з полусферического
Поверхні цих перетинів відповідно рівні:
Струм розподіляється по цих поверхнях рівномірно, так як грунт однорідний і ізотропний. Щільність струму d на поверхні грунту в точці А, що знаходиться на расстоя-ванні x від центру заземлювача, визначається як відношення струму замикання на землю IЗ до площі поверхні полусфе-ри радіусом х:
Для визначення потенціалу точки А, що лежить на по-поверхні радіусом X. виділимо елементарний шар товщі-ной dx (див. Рис. 1). Падіння напруги в цьому шарі:
гдее = dr - напруженість електричного поля.
Потенціал точки А або напруга цієї точки відноси-кові землі дорівнює сумарному падінню напруги від точки А до нескінченно віддаленої точки з нульовим потенци-червоному:
Підставивши у вираз (3) відповідні значення з виразів (1) і (2), а також значення Е. отримаємо
Проинтегрировав вираз (4) по х, отримуємо вираз для потенціалу точки А, або напруги цієї точки відно-сительно землі, в наступному вигляді:
Так як . то (5) набуває вигляду:
З отриманого виразу видно, що в міру віддалення від заземлювача потенціал точок знижується, і має місце ги-перболіческая залежність потенціалу точки від відстані (рис. 2).
Мал. 2 Криві розподілу потенціалів полусферического заземлювача
Потенціал заземлювача радіусом r0 або напруга заземлювача щодо землі:
Заземлювач має найбільший потенціал. Точки, що лежать на поверхні грунту, мають тим менший потен-циал, чим далі вони знаходяться від заземлювача. У межі потенціал віддалених точок грунту прямує до нуля. Причи-на подібного розподілу потенціалів криється в своєрідна-різній формі провідника (землі), перетин якого возрас-тане пропорційно другого ступеня радіуса півсфери (рис. 3).
Струм, стікаючи з заземлювача, розтікається по землі, яка чинить опір протіканню струму. Опір розтікання струму заземлювача визначається, як сумарний опір грунту від заземлювача до точки з нульовим по-потенціалом. Для полусферического заземлювача, що знаходить-ся в однорідному ізотропному грунті, опір розтікся-нию RРАС має вигляд:
Найбільший опір розтікання струму надають шари землі (грунту) лежать поблизу заземлювача, так як струм протікає тут по малому перетину. У цих точках име-ют місце найбільші падіння напруги.
Мал. 3 Упрошенная модель провідника землі
У міру видалити-ня від заземлювача перетин провідника (землі) увеличива-ється і опір розтікання струму зменшується, а сле-послідовно, зменшується і падіння напруги. На расстоя-ванні 10¸20 м від заземлювача перетин провідника (землі) стає настільки великим, що земля практично не чинить опору проходить току. Таким чином, потенціал точок грунту, що знаходяться на відстані 10¸20 м від одиночного полусферического заземлювача, практично дорівнює нулю.
Крокові напругу визначається, як різниця потен-ріалів між точками, наприклад А і Б (див. Рис. 4).
Точка Б знаходиться від заземлювача на відстані r + a, т. Е. Точка Б відстоїть від точки А на величину кроку людини a. Потенціал точки Б:
Мал. 4 Виникнення крокової
Найбільше значення крокові напругу має поблизу заземлювача. У міру віддалення від заземлювача крокова на-напруга зменшується. Якщо ноги людини знаходяться на оди-наково відстані від заземлювача, т. Е. На лінії рівного потенціалу (на еквіпотенціалі), то крокові напругу дорівнює нулю. Нехай відстань від заземлювача до еквіпотенціалі, на якій знаходиться людина, так само r. тоді шаго-ше напруга дорівнює нулю.
Значення крокової напруги залежить від розміру кроку. Зменшення його призводить до зниження крокової напруги. Крокові напругу залежить від напруги заземлювача:
де - коефіцієнт напруги кроку, що враховує форму потенційної кривої.
Коефіцієнт напруги кроку bШ залежить від форми і конфігурації заземлювача і положення щодо заземлювача точки, в якій він визначається. Чим ближче до заземлювача, тим більше bШ і, отже, більше крокові напругу. Людина, що знаходиться поза полем розтікання то-ка (на відстані 10-20 м від заземлювача), не підпадає під дію крокової напруги, так як bШ = 0. Як вид-но з виразу для визначення коефіцієнта кроку, його значення менше одиниці. Таким чином, крокові напруги-ня становить частину напруги на заземлювачі. Отримано-ве вираз для визначення bШ справедливо тільки для полусферического заземлювача.
Для іншої форми заземлювачів, а також для заземлювачів, що складаються з декількох електрично з'єднаних ме-жду собою електродів, розподіл потенціалів визначаються-ється складними залежностями. Отже, і коеффіці-ент напруги кроку в різних випадках визначається дуже складними виразами. Для одиночного протяжного заземлювача довжиною l> 20 м bШ = 0,14, а для заземлювача, що складається з ряду стрижнів, з'єднаний-них смугою, bШ = 0,10.
Знаходження людини в полі розтікання струму може при-вести до поразки, якщо крокові напругу Uш перевищуючи-ет допустимий за умовами електробезпеки значення Uдоп. Зона навколо заземлювача, в якій Uш> Uдоп. на-ни опиняються небезпечною зоною. Радіус небезпечної зони залежить від на-напруги на заземлювачі і питомого опору грунту.
Мал. 5 Криві розподілу потенціалів
Нехай заземлитель складається з двох напівсферичних елек-Трод. Картина розподілу потенціалів для такого заземлювача представлена на рис. 5. Поля розтікання заземлення-Літел накладаються один на одного, і будь-яка точка поверх-ності грунту між електродами має значний потен-циал. Внаслідок цього крокові напругу знижується.
Для зниження крокових напруг заземлювачі распо-лага по контуру на невеликій відстані один від одного, що призводить до вирівнювання потенціалів за рахунок накладання-ня полів розтікання. Іноді при виконанні контурного заземлення всередині контуру прокладають горизонтальні смуги, які додатково вирівнюють потенціали всередині контура (рис. 6).
Мал. 6 Заземлитель з вирівнюванням потенціалів:
вид в плані (вгорі); форма потенційної кривої (внизу)
Контурне заземлення забезпечує безпеку робіт в зоні заземлення, так як крокові на-напруга Uш