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 пошкодженні 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, який здійснює контакт з ґрунтом. Спеціальний металевий електрод, який для цього використовують прийнято називати заземлювачем. Струм, розтікаючись у ґрунті створює на його поверхні потенціали. Оскільки заземлювач може мати різні розміри та форму, то закон розподілу потенціалів визначається складною залежністю. Окрім того, електричні властивості ґрунту неоднорідні, особливо ґрунту з різними прошарками. Для того, щоб спростити картину розтікання електричного паля приймаємо, що струм стікає в землю через одинарний заземлювач напівсферичної форми, який знаходиться в однорідному ізотропному ґрунті з питомим опором , котрий значно перевищує питомий опір матеріалу заземлювача (рис. 3.16). Густина струму в точці А на поверхні ґрунту, що знаходиться на відстані від заземлювача визначається як відношення струму замикання на землю до площі поверхні півкулі радіусом :

(3.14)

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

(3.15)

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

(3.16)

Підставивши це значення, одержимо:

(3.17)

З формули (3.17) видно, що потенціали точок ґрунту в зоні розтікання змінюються за гіперболічним законом (рис. 3.16).

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 20 м.

Рис. 3.16. Розтікання струму в ґрунті через напівсферичний заземлювач

Рис. 3.17. Напруга доторкання до заземлених струмопровідних частин, що опинилися під напругою

 

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 можна як різницю потенціалів між руками та ногами

(3.18)

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

(3.19)

 

Ноги людини знаходяться в точці А і потенціал ніг дорівнює:

(3.20)

На рис. 3.17 показано три корпуси споживачів (електродвигунів), які приєднані до заземлювача . Потенціали на поверхні ґрунту при замиканні на корпус будь-якого споживача фазної напруги розподіляються за кривою I. Потенціали усіх корпусів однакові, оскільки вони електричне з'єднані між собою заземлювальним провідником, падінням напруги в якому можна знехтувати. Для того, щоб визначити напругу доторкання необхідно від напруги замикання Uз відняти потенціал тої точки ґрунту, на якій стоїть людина. Якщо людина стоїть над заземлювачем то напруга доторкання дорівнює нулю, оскільки, потенціали рук та ніг однакові і дорівнюють потенціалу корпусів (напрузі замикання). При віддалені від заземлювача напруга доторкання зростає і у людини, що доторкнулася до останнього (третього) корпуса вона стає рівною напрузі замикання, оскільки в цій точці ґрунту потенціал ніг людини дорівнює нулю. Таким чином, 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

(3.21)

де — 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 ґрунту 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. На рис. 3.18 наведено розподіл потенціалів навколо одиночного заземлювача. Напруга кроку визначається як різниця потенціалів між точками 1 та 2, на яких стоять ноги людини:

(3.22)

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

(3.23)

Точка 2 знаходиться на відстані де а — відстань кроку людини. В такому випадку її потенціал становить

(3.24)

Тоді

(3.25)

Із формули (3.25) та рис. 3.18 видно, що напруга кроку знижується в міру віддалення від точки замикання на землю та при меншій довжині кроку людини.

Хоча при напрузі кроку струм проходить через тіло людини по шляху «нога - нога», який є менш небезпечним за інші, однак відомо немало випадків ураження струмом, які спричинені саме кроковою напругою. Важкість ураження зростає із-за судомних скорочень м'язів ніг, що призводять до падіння людини, при цьому струм проходить по шляху «рука—ноги» через життєво важливі органи. Крім того, зріст людини більший за довжину кроку, що обумовлює більшу різницю потенціалів.

Рис. 3.18. Напруга кроку

 

У випадку обриву проводу лінії електропередач (рис. 3.19, а) забороняється наближатись до місця замикання проводу на землю в радіусі 8 м. Виходити із зони розтікання струму необхідно мілкими кроками, що не перевищують довжини ступні (рис. 3.19, б). Якщо необхідно наблизитись до місця замикання проводу на землю (наприклад для надання допомоги), то для запобігання ураження кроковою напругою необхідно вдягнути діелектричні калоші чи боти.

а б

Рис. 3.19. Вихід із зони замикання обірваного проводу на землю:

а — правильний напрямок виходу; б — сліди від взуття