Вопрос 3. Опасность поражения человека при растекании тока в земле

Пробой изоляции, замыкание электрической цепи на землю или преднамеренное соединение электрической цепи на землю вызывают растекание тока в земле. Оно обусловлено появлением разности потенциалов между отдельными точками земли или между заземленным электрооборудованием и землей.

В наиболее простом случае, например при замыкании токоведущего провода на землю, его можно рассматривать в виде контакта полусферы с землей, имеющей однородное удельное сопротивление ρ.

Принято считать, что линии тока в земле идут по радиусам от центра полусферы. Пространство вокруг полусферы (заземлителя), где наблюдается прохождение тока замыкания на землю, называется полем растекания.

Изменение потенциала φ вдоль линий тока на поверхности земли подчиняется закону:

(8)

где r удельное сопротивление грунта, Ом·м,

х – расстояние вдоль линии тока, м,

I_з – ток замыкания, А.

График формулы (10) представляет собой гиперболу, в соответствии с которой определяется распределение потенциалов по поверхности земли (рисунок 3.44). Такое распределение объясняется тем, что сечение земли, через которое проходит ток, возрастает во второй степени от длины радиуса полусферы.

Рисунок 10 – Распределение потенциалов при замыкании тока на землю

Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли вблизи заземлителя, поскольку ток здесь проходит по сечению малого размера. С увеличением расстояния по линии тока сечение возрастает, и сопротивление растеканию тока резко падает. Этим и объясняется, что наибольшее изменение потенциала j_max происходит в близи заземлителя.

Напряжение между полусферой и землей U_зпри x = r составляет:

(9)

откуда:

(10)

Величина R₃ называется сопротивлением растеканию тока в землю. Напряжение прикосновения U_np в свою очередь будет определяться разностью потенциалов между точкой входа тока в землю и какой-либо точкой в поле растекания тока:

(11)

Таким образом, прикасаясь к электрооборудованию, находящемуся в аварийном состоянии и имеющему выносную связь с землей, человек может быть поражен напряжением прикосновения.

При нормальном режиме работы электроустановки допустимо значение U_пр = 2 В, а ток, проходящий через человека, I_ч ≤ 0,3 мА. В аварийном режиме, т. е. при пробое изоляции, допустимо значение напряжения прикосновения U_пр = 36 В, и тока, проходящего через человека, I_ч = 6 мА (при действии более 1 с). Для электробытовых установок эти параметры не должны превышать соответственно 12 В и I_ч = 2 мА.

Другим видом опасности при явлении растекания тока в земле может быть опасность шагового напряжения U_ш.

Шаговое напряжение определяется разностью потенциалов, над которой находятся ноги человека (рис. 11).

Рисунок 11 – Напряжение шага при одиночном заземлителе

Если одна нога человека касается земли на расстоянии х от точки контакта провода с землей, а другая находится на расстоянии х + а (а – ширина шага, м), то шаговое напряжение будет равно:

(12)

Наибольшая опасность возникает, если одной ногой человек касается провода, а другая в это время стоит на земле. В этом случае напряжение шага будет иметь максимальное значение:

(13)

По мере удаления от заземлителя опасность шагового напряжения снижается и на расстоянии 20 м не представляет опасности.