Аналіз небезпеки, що виникає при стіканні струму в землю. Захисне заземлення

Стікання струму в землю можливе тільки через провідник, який знаходиться в безпосередньому контакті з землею. Такий контакт може бути випадковим або навмисним. В останньому випадку провідник, який знаходиться в контакті з землею, називається заземлювачем.

При стіканні струму в землю відбувається різке пониження потенціалу заземленої струмопровідної частини до значення потенціалу заземлювача , рівного добутку струму, що стікає в землю , на опір, який цей струм зустрічає на своєму шляху

. (3.1)

Це явище різкого зниження потенціалу є досить благоприємним по умовам безпеки і використовується як одна з мір захисту від ураження струмом при випадковій появі напруги на металічних струмопровідних частинах, які з цією метою заземлюють.

Однак наряду з пониженням потенціалу заземленої струмопровідної частини при стіканні струму в землю виникають і негативні явища, а саме:

· поява потенціалу на заземлювачі і металічних частинах, які знаходяться з ним в контакті;

· поява потенціалу на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму в землю.

Ці явища можуть містити в собі небезпеку для життя людини.

Характер розподілу потенціалу на поверхні ґрунту оцінимо, розглянувши випадок стікання струму в землю через найбільш простий заземлювач – півкулю радіусом (рис. 3.1). Для спрощення вважаємо, що земля у своєму об’ємі однорідна, тобто в довільній точці має однаковий питомий опір (Ом× м). Тоді на віддалі х від центру заземлювача густина струму буде

Практично при х = 20 м . При постійному струмі, а також при змінному з частотою 50 Гц поле розтікання можна розглядати як стаціонарне поле, тому:

, (3.3)

де – питомий опір , а – напруженість електричного поля (В/м).

Рис. 3.1. Розподіл потенціалу на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму через напівкульовий заземлювач

Звідси, напруженість електричного поля:

, (3.4)

а спад напруги на елементарному шарі ґрунту товщиною визначиться через напруженість наступним чином:

. (3.5)

Тоді потенціал в любій точці А на віддалі х від заземлювача визначиться спадом напруги в ґрунті на віддалі від х до нескінченості, тобто:

. (3.6)

Звідси , коли , а при ( – радіус самого заземлювача)

. (3.7)

Розв’язавши сумісно рівняння (3.6) і (3.7) отримаємо:

, (3.8)

де . Це є рівняння рівнобічної гіперболи.

Таким чином, потенціал на поверхні ґрунту навколо місця стікання струму в землю змінюється по закону гіперболи, зменшуючись від свого максимального значення до нуля по мірі віддалення від заземлювача.

Струм, що проходить через заземлювач в землю переборює опір, який називається опором заземлювача розтіканню струму. Він має три складові: опір самого заземлювача, перехідний опір між заземлювачем і ґрунтом і опір ґрунту. Дві перші складові в порівнянні з третьою дуже малі, ними нехтують.

Опір розтікання струму для любого заземлювача визначається виразом (3.1). І для випадку напівкульового заземлювача

. (3.9)

Розраховані значення опорів для заземлювачів інших типів приведені у довідниках.

Для забезпечення як можна меншого опору заземлювача використовуються групові заземлювачі, тобто заземлювачі, які складаються з декількох паралельно увімкнених одиночних заземлювачів.

Згідно вимог правил улаштування електроустановок (ПУЕ) опір захисного заземлювача в любий час року не повинен перевищувати:

§ 4 Ом – в установках до 1000 В. Якщо їх потужність , то допускається 10 Ом;

§ 0, 5 Ом – при і з великими струмами замикання на землю (більше 500 А) і 250/I_З, але не більше 10 Ом, для установок з і з малими струмами замикання на землю.

Рис. 3.2. Напруга дотику при одиночному заземлювачі: 1– потенціальна крива; 2– крива, що характеризує зміну напруги дотику при зміні віддалі x від заземлювача

Тепер розглянемо поняття напруги дотику () і напруги кроку (). Або інакше кажучи, спад напруги на опорі тіла людини.

Напруга дотику – є різниця потенціалів двох точок електричного кола, яких одночасно торкається людина. (рис. 3.2)

, (3.10)

де: – струм, що протікає через людину; - опір людини.

В області захисних заземлень одна із точок, якої торкається людина, має потенціал заземлювача , друга – потенціал основи, на якій стоїть людина (див. рис. 3.2). Тоді,

, (3.11)

де – коефіцієнт дотику, який враховує форму потенціальної кривої.

Для напівсферичного заземлювача з радіусом

, (3.12)

а для інших типів заземлювачів значення приводиться у відповідних таблицях.

При великій віддалі, тобто при , а практично при напруга дотику буде максимальна і , при цьому =1. При найменшому значенні х, коли людина стоїть на заземлювачі (металева заземлена підлога), тобто при : і = 0. Це безпечний випадок, людина не є під напругою, хоч і знаходиться під потенціалом .

Рис. 3.3. Розподіл потенціалів в зоні розтікання струму при використанні контурного заземлення

Рис. 3.4. Крокова напруга при стіканні струму в землю

Напруга кроку – різниця потенціалів і двох точок на поверхні землі в зоні розтікання струму, які знаходяться одна від одної на віддалі кроку і на яких одночасно стоїть людина (рис. 3.4)

. (3.13)

Так як і являються частинами потенціалу заземлювача, то

, (3.14)

де – коефіцієнт кроку, який враховує форму потенціальної кривої заземлювача і рівний

(3.15)

Рис. 3.5. Випадки включення людини в електричне коло: а – двофазне включення; б, в – однофазне включення

Небезпека такого дотику, яка оцінюється величиною струму, що протікає через людину, або напругою дотику, залежить від цілого ряду факторів: схеми ввімкнення людини в коло, напруги мережі, схеми самої мережі, режиму її нейтралі, степені ізоляції струмопровідних частин від землі, а також від величини ємності струмопровідних частин відносно землі і т.п.

Схеми ввімкнення людини в коло можуть бути різними. Однак найбільш характерними являються дві схеми ввімкнення: між двома дротами і між одним дротом і землею (рис. 3.5). В другому випадку припускається наявність електричного зв’язку між мережею і землею. Стосовно мереж змінного струму першу схему (а) звичайно називають двофазним ввімкненням, а другу (б) – однофазним.

, (3.16)

де: – струм, який проходить через людину, А; – лінійна напруга, тобто напруга між фазовими дротами мережі, В; – фазова напруга, тобто напруга між початком і кінцем однієї обмотки трьохфазного трансформатора (або між фазовим і нульовим дротом), В.

Тому на практиці торкатися до струмопровідних частин установок при необхідності можна лише однією рукою, другу потрібно тримати в кишені (правило кишені).

Очевидно, що двофазне ввімкнення являється однаково небезпечним в мережах як з ізольованою нейтрально так і з заземленою. При двофазному ввімкненні небезпека ураження не зменшиться і в тому випадку, якщо людина надійно ізольована від землі.

Однофазне ввімкнення відбувається значно частіше, однак є менш небезпечним, ніж двофазне, оскільки, по-перше, напруга, під якою знаходиться людина, не перевищує фазної, тобто менше лінійної в 1, 73 рази. Відповідно менше буде і струм, який проходить через людину. По-друге, на величину цього струму впливає також режим нейтралі джерела струму, опір ізоляції і ємність дротів відносно землі, опір підлоги, на якій стоїть людина, опір взуття і т.д.

Розглянемо можливі варіанти однофазного включення в мережу.

А. Трьохфазна мережа з ізольованою нейтраллю в період її нормальної роботи ( рис. 3.6).

Струм, який проходить через людину, при дотиканні до однієї з фаз мережі в період її нормальної роботи визначиться виразом

Рис. 3.6. Дотикання людиною до дроту трьохфазної мережі з ізольованою нейтраллю в період її нормальної роботи

Якщо ємність дротів відносно землі мала, тобто , що звичайно має місце в повітряних мережах невеликої протяжності, то вираз (3.17) прийме вигляд

. (3.18)

Якщо ж ємність велика, а провідність ізоляції незначна, тобто , що звичайно має місце в кабельних мережах, то згідно виразу (3.17) струм через людину буде

. (3.19)

З (3.18) слідує, що в мережах з ізольованою нейтраллю, які володіють незначною ємністю між дротами і землею, небезпека для людини, що доторкнулася однієї з фаз в період нормальної роботи мережі, залежить від опору дротів відносно землі: із збільшенням опору небезпека зменшується.

Однак в мережах з великою ємністю відносно землі роль ізоляції дротів в забезпеченні безпеки дотикання втрачається, що видно з (3.17) і (3.19).