logo
BZhD

4.1.5. 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 IЗ растекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусом rЗ равномерно по всем направлениям (рис .4.4).

Рис. 4.4. Процесс растекания электрического тока в грунте

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 = ∞): UХ = φХ – φ∞ , потенциал которой условно принимают равным нулю. Поэтому UХ = φХ .

Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля EХ = jХ ρ ,

где jХ = IЗ / SХ – плотность тока через полусферическую поверхность SХ = 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 dx dUX = EXdx = jХ ρdx ={IЗρ/(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 φЗ или напря­жение относительно точки с нулевым потен­циалом UЗ определяются соотношением UЗ = φЗ = IЗρ/(2πrЗ).

Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя – отношение напряжения UЗ к току IЗ, стекающему через заземлитель в грунт: RЗ = UЗ /IЗ = ρ/2πrЗ . Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта (ρ) и геометрией заземлителя (rЗ).

При данном токе IЗ 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 UЗ = IЗRЗ.

Если человек находится в зоне растекания электрического тока, то он может оказаться под действием напряжения шага. Напряжение шага (UШ) – это разность потенциалов между двумя точками x1 и x2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека: UШ = φХ1 - φХ2 = IЗρ(1/x1 – 1/x2) /(2π), где x1 ≤ x2.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага LШ = x2 – x1. 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.