Растекание тока при замыкании на землю. Стекание тока в землю происходит только через проводящую часть, находящуюся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным (при падении на землю оборванного провода, при повреждении электрической изоляции оборудования) или преднамеренным (заземление корпуса электроустановки).
Проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду называется заземлителем.
Электрический ток, стекая через заземлитель, создает в земле с удельным электрическим сопротивлением ρэлектрическое поле напряженностью E:
, (14.8)
где j – плотность электрического тока в зоне растекания в земле.
Удельное сопротивление материала заземлителя не учитывается, поскольку оно на несколько порядков меньше сопротивления земли.
Плотность тока зависит от конфигурации заземлителя, т.е. от площади соприкосновения с землей и от расстояния до заземлителя. В простейшем случае для заземлителя полусферической формы (рис.14.4) на расстоянии х, плотность тока:
, (14.9)
где S =2π · х 2 - площадь полусферы с радиусом х;
х – радиус полусферической поверхности, через которую протекает ток I з.
Рис. 14.4. Растекание тока замыкания на землю через полусферический
заземлитель.
Эта поверхность является эквипотенциальной. Выделив на расстоянии хА от заземлителя элементарный слой толщиной dx, получим падение напряжения в нем:
. (14.10)
Потенциал произвольно выбранной точки А φ A, т.е. ее напряжение относительно другой бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, UA найдется из выражения φ
. (14.11)
Если приравнять 
, то получим уравнение гиперболы
. (14.12)
Точки, лежащие на поверхности земли (грунта), имеют тем меньше потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя: в пределе потенциал удаленных точек земли стремится к нулю. Принято считать, что область земли с нулевым потенциалом (относительная земля) в зависимости от свойств грунта начинается с расстояния 15-20 м от заземлителя.
Зона земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала называется зоной растекания или локальной землей.
Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель:
, (14.13)
где R з – сопротивление растеканию тока;
r з –радиус заземлителя.
Если какая-либо точка электрической цепи оказывается в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток I з, потенциал заземлителя φз сообщается и данной точке. Это обстоятельство используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.
Сопротивление заземлителя растеканию тока (сопротивление растеканию) можно определить по формуле:
. (14.14)
Исходя из полученных простых выражений следует, что потенциал заземлителя и сопротивление заземлителя будут тем меньше, чем меньше сопротивление земли (грунта) и чем больше радиус заземлителя. Распространяя последний вывод на заземлители другой конфигурации, можно сказать, что чем больше площадь соприкосновения заземлителя с грунтом или чем объемней конструкция многоэлементного заземлителя, тем меньше сопротивление заземлителя.
Соединяя отдельные заземлители вместе, что соответствует параллельному соединению их сопротивлений, можно получить заданное нормативное значение сопротивления заземляющего устройства:
, (14.15)
где R 1, R 2, … Rn – сопротивления отдельных заземлителей.
Для инженерного расчета заземлителя необходимо знать форму и геометрические размеры отдельных элементов, их взаимное расположение, зависимость удельного сопротивления грунта от глубины.
Вследствие такого распределения потенциалов человек, находящийся вблизи места замыкания на землю, может попасть под напряжение прикосновения или шага.
Напряжение прикосновения. Под напряжением прикосновения понимается напряжение между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека или животного. Напряжение прикосновения определяется как падение напряжения в сопротивлении тела человека.
Для человека, стоящего на грунте и касающегося рукой заземленного корпуса, оказавшегося под напряжением (рис.14.5), напряжение прикосновения можно определить как разность потенциалов руки и ног. Потенциал руки (φр), касающейся заземленного корпуса электроустановки, будет равен потенциалу заземлителя (φз), а потенциал ног (φн) – потенциалу грунта в той точке, где расположены ноги человека (φ х). Тогда
, (14.16)
где 
;
.
На рис. 14.5 показаны корпуса электропотребителей, присоединенные к заземлителю R з. Потенциалы всех корпусов U к одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводником, падением напряжения в котором можно пренебречь и считать, что U к= U з.
Как видно на рис.14.5, потенциалы ног человека зависят от его местоположения относительно заземлителя. По мере удаления от заземлителя потенциалы ног человека уменьшаются (φ1 > φ2), а напряжение прикосновения в соответствии с выражением (14.16) возрастает (U пр2 > U пр1) и достигает значения потенциала заземлителя U з в случае, когда человек находится вне зоны растекания тока, т.е. на расстоянии 15–20 м от заземлителя. Если человек стоит непосредственно над заземлителем и касается корпуса, оказавшегося под напряжением, то потенциалы рук и ног одинаковы и напряжение прикосновения равно нулю.
Согласно ГОСТ 12.1.038-82 (с изм от 01.07.88) напряжения прикосновения для человека и токи, протекающие через его организм, не должны превышать в нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановок значений, представленных в табл. 14.1.
Напряжение шага. Если человек находится вблизи заземлителя или вблизи места контакта оборванного провода с землей, с которого стекает ток в землю, то часть тока может ответвляться и проходить через ноги человека по нижней петле «нога-нога».
Напряжение шага – напряжение между двумя точками (например, т. А и т. В на рис. 14.6) на поверхности земли в зоне растекания тока замыкания, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека.
U ш = φ А – φ В. (14.17)
Как видно из рис. 14.6 по мере удаления от заземлителя или места замыкания напряжение шага уменьшается (U ш1 > U ш2). Человек, находящийся вне зоны растекания тока замыкания на землю, вообще не попадает под напряжение шага, так как потенциалы обеих ног человека равны нулю.
Рис. 14.5. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе:
I – кривая распределения потенциалов, II – кривая распределения напряжения прикосновения, 1,2 – корпуса электропотребителей.
Рисунок 14.6. Напряжение шага при одиночном заземлителе.
