Небезпека замикання на землю в електроустановках

Замиканням на землю називається випадкове електричне з’єднання частин електроустановки, які знаходяться під напругою, із землею. Таке замикання може відбутись при пошкодженій ізоляції та переході фазної напруги мережі на заземлені корпуси електроустановок, при падінні на землю проводу під напругою та в інших випадках. Струм від заземлених корпусів, що опинились під напругою переходить у землю через електрод, яки здійснює контакт з грунтом. Спеціальний металевий електрод, який використовують прийнято називати заземлювачем. Струм, розтікаючись у грунті створює на його поверхні потенціали. Оскільки заземлювач може мати різні розміри та форму, то закон розподілу потенціалів визначається складною залежністю. Окрім того, електричні властивості грунту неоднорідні, особливо грунту з різними прошарками. Для того, щоб спростити картину розтікання електричного поля приймаємо, що струм стікає вземлю через одинарний заземлювач напівсферичної форми, який знаходиться в однорідному ізотропному грунті з питомим опором с, котрий значно перевищує питомий опір матеріалу заземлювача. Густина струму д в точці А на поверхні грунту, що знаходиться на відстані х від заземлювача визначається як відношення струму замикання на землю І₃ до площі поверхні півкулі радіусом х:

.

Для визначення потенціалу точки А виділемо елементарний шар товщиною dx. Падіння напруги в цьому шарі становить dU=Edx. Потенціал точки А дорівнює сумарному падінню напруги від точки А до землі, тобто нескінченно віддаленої точки з нульовим потенціалом:

.

Напруженість електричного поля в точці А визначається із закону Ома, який виразимо наступною формулою:

Е=д·с.

Підставивши це значення, одержимо:

З формули видно, що потенціали точок грунту в зоні розтікання змінюються за гіперболічним законом.

Зоною розтікання струму називається зона землі, за межами якої електричні потенціали, обумовлені струмом замикання на землю можна умовно прийняти за нуль. Як правило, така зона обмежується об’ємом півсфери радіусом приблизно 20м.

Людина, що стоїть на землі чи на струмопровідній підлозі в зоні розтікання струму і доторкається при цьому до заземлених струмопровідних частин, опиняється під напругою доторкання. Якщо ж людина стоїть чи проходить через зону розтікання то вона може опинитися під напругою кроку, коли її ноги знаходяться в точках з різними потенціалами. В обох випадках можливе ураження людини електричним струмом. Розглянемо детальніше ці випадки.

Напруга доторкання. Для людини, що стоїть на землі і доторкається до заземленого корпуса, що опинився під напругою, визначити напругу доторкання U_дот можна як різницю потенціалів між руками ц_р та ногами ц_н.

Оскільки людина доторкається до заземленого корпуса, то потенціал руки і є потенціалом цого корпуса або напругою замикання:

Ноги людини знаходяться в точці А і потенціал ніг дорівнює:

.

Напруга доторкання в межах зони розтікання струму є часткою напруги замикання і зменшується в міру наближення до заземлювача. В загальному випадку для заземлювачів будь-якої конфігурації:

де б – коефіцієнт напруги доторкання, який залежить від форми заземлювача і відстані від нього (приймається за таблицею).

Напруга кроку. Людина, яка опиняється в зоні розтікання струму, знаходиться під напругою, якщо її ноги стоять на точках грунту з різними потенціалами. Напругою кроку (кроковою напругою) називається напруга між двома точками електричного кола, що знаходяться одна від одної на відстані кроку (0,8 м) і на яких одночасно стоїть людина. Напруга кроку U_к визначається як різниця потенціалів між точками 1 та 2, на яких стоять ноги людини:

.

Оскільки точка 1 знаходиться на відстані х від заземлювача, то її потенціал при напівсферичному заземлювачі дорівнює:

.

Точка 2 знаходиться на відстані х+б, де б – відстань кроку людини. В такому випадку її потенціал становить:

.

Тоді:

.

Напруга кроку знижується в міру віддалення від точки замикання на землю та при меншій довжині кроку людини.