При передаче электрической энергии, например напряжением 380/220В от силовых трансформаторов, установленных на подстанции, по кабелям и проводам через их изоляцию и емкости относительно земли, а также через изоляцию обмоток и другие элементы электроустановок по всей их длине стекают микроскопические токи утечки на землю. Это происходит в виду того, что земля является проводниковым материалом и между нею и токоведущими частями различных фаз электрической сети существует разность потенциалов. В связи с тем, что суммарные, полные сопротивления изоляции электросистемы относительно земли в разветвленных сетях составляют несколько тысяч Ом, поэтому суммарный ток утечки на землю, распределенный по всей длине электрической сети составляет не более 100 - 200 мА. Такие токи утечки не представляют какой-либо опасности для человека, касающегося металлического корпуса электроустановки. Опасная ситуация возникает, когда в электроприемнике, например в электродвигателе, происходит повреждение изоляции и токоведущая часть замыкает на металлический корпус. При этом сопротивление изоляции в месте повреждения падает до нуля и касание корпуса становится равноценным касанию оголенной токоведущей фазы сети, что представляет смертельную опасность для человека. Для снижения опасности поражения в этой ситуации "Правила устройства электроустановок" ("ПУЭ") предусматривают обязательное заземление корпуса электродвигателя, если последний питается от сети с изолированной нейтралью или зануление, если электродвигатель получает электрическую энергию из сети с глухо заземленной нейтралью силового трансформатора. В независимости от режима нейтрали сети при замыкании токоведущей части на корпус, ток с корпуса электродвигателя через заземляющее устройство и заземлитель - электрод стекает в землю. Ток, стекая с заземляющего электрода в землю, растекается по значительной поверхности и объему земли.
Обратно ток замыкания попадает в сеть из земли только через емкость и изоляцию кабелей, проводов, обмоток и т.п., если система с изолированной нейтралью и через изоляцию, и заземленную нейтраль в системе с глухо заземленной нейтралью. При этом через изоляцию и емкость в обоих случаях в сеть возвращаются токи не более нескольких сот миллиампер, т.к. сопротивление изоляции, как указывалось, даже в сильно разветвленной не опускается ниже нескольких килоом (рис. 1.1).
В системе с глухо заземленной нейтралью напряжением выше 1000В почти весь ток стекающий в землю возвращается в сеть через заземление нейтрали силового трансформатора, т.к. сопротивление последнего в несколько тысяч раз меньше суммарного сопротивления изоляции сети, рис. 1.2.
Согласно ПУЭ сопротивление заземления нейтрали силового трансформатора должно быть не более 10 Ом при мощности трансформатора до 100 кВА и не более 4 Ом при мощности трансформатора более 100 кВА. В виду чего величина тока замыкания на корпус (землю) в сетях с глухо заземленной нейтралью в сотни, тысячи раз больше, чем в сетях с изолированной нейтралью.
При контакте с землей заземляющего электрода, находящегося под напряжением, будет происходить отекание электрического тока - тока замыкания на землю. Замыкание на электрод, расположенный в грунтах или в земле, обуславливает возникновение потенциалов вокруг места замыкания. Ток, стекая с электрода в землю, растекается по значительному ее объему.
Пространство вокруг электрода, в котором наблюдается растекание тока замыкания, представляет собой поле растекания. Если в качестве заземляющего электрода использовать полусферический заземлитель и принять, что земля во всем объекте однородна и обладает одинаковым удельным сопротивлением «r» (Ом*см), то ток будет растекаться равномерно и симметрично во все стороны, и плотность его будет убывать по мере удаления от заземлителя, вследствие увеличения сечения слоя земли, через которое растекается ток замыкания.
На расстоянии «х» от центра полусферы плотность тока.1, рис. 1.3. определяется по формуле:
J = IЗ / 2pх2, А/см2. (1)
При токе с частотой до 50 Гц поле растекания тока замыкания можно рассматривать как стационарное электрическое поле, при котором линия плотности тока совпадает с линиями напряженности электрического поля Е. Тогда плотность J тока прямо пропорциональна напряженности электрического поля.
J = Е (1/ r). (2)
Это выражение позволяет определить потенциал «jA» в любой точке поверхности земли, отстоящей от центра заземлителя на расстоянии «х», как падение напряженности на земле на участке от «х» до бесконечности.
(3)
где dU - падение напряжение в отмеченном слое. Его можно выразить так
(4)
Если проинтегрировать это выражение, то получается значение потенциала точки А:
В. (5)
Следовательно, наименьший потенциал на поверхности земли будет иметь точка, отстоящая от электрода на расстоянии «х», равном бесконечности. Практически поле растекания тока замыкания ограничивается полусферой с радиусом 20 метров.
Наибольший потенциал на поверхности будет иметь точка, отстоящая от полушарового электрода на расстоянии «х», равном наименьшему значению, т.е. r - радиусу электрода.
Потенциал непосредственно на заземляющем электроде при этом будет равен:
В. (6)
Потенциал на поверхности земли будет меняться по закону
В, (7)
представляющего собой уравнение равносторонней гиперболы, т.е. уменьшается от наибольшего значения «jЗ» до нуля по мере удаления от заземлителя. Эквипотенциальные линии на поверхности земли в однородном грунте представляют собой концентрические окружности, центром которых является центр полусферического, стержневого или других форм электродов.
Аналогичная картина стекания тока в землю происходит при обрыве и падении на землю провода воздушной линии электрической передачи (ЛЭП).
Потенциальная кривая от электрода - заземлителя любой формы или упавшего на землю провода на относительно большом расстоянии от него по сравнению с размером упавшего провода или электрода приближается к потенциальной кривой полушарового электрода.
Наибольшее сопротивление растеканию тока замыкания на землю оказывают слои, находящиеся вблизи электрода, т.к. ток протекает здесь по малому сечению. Поэтому в них происходит наибольшее падение напряжение. С удалением от электрода площади сечений слоев грунта увеличиваются, и соответственно, сопротивление грунта току замыкания уменьшается. Уменьшается и шаговое напряжение.
Если человек в проводящей электрический ток обуви будет находится в поле растекания тока замыкания на землю, то он попадает под действие электрического тока, определяемого разностью потенциалов между двумя точками земли, на которых он одновременно стоит, т.е. напряжением между двумя ногами. При определенных условиях это оказывается опасным для жизни, поэтому нельзя приближаться к электрическому проводу лежащему на земле.
Величина напряжения шага - шаговое напряжение зависит от тока замыкания на землю, сопротивления растеканию тока от заземлителя (упавшего провода), а также характера распределения потенциала на поверхности земли, длины шага и положения человека относительно заземлителя. Напряжение шага увеличивается в направлении к месту стекания и уменьшается от места стекания.
Для случая, показанного на рис. 1.4. напряжение шага
В (8)
где IЗ - ток замыкания на землю, А. lШ - длина шага, см; r - расстояние ступни ближайшей к заземлителю, см; r - удельное сопротивление грунта. Ом см; jл; jпр соответственно, потенциалы левой и правой ноги (конечности).
Перемещение человека по кривой равного потенциала (т.е. по эквипотенциальной кривой) не вызывает возникновения разности потенциалов между его ступнями, и напряжение шага в этом случае равно нулю.
