Шаговое напряжение и напряжение прикосновения

При обрыве провода, пробое изоляции с замыканием фазы на корпус или на землю (аварийный режим) возможно поражение человека электрическим током при касании корпуса электроаппарата или попадании человека в зону растекания тока. Если фазный провод соединяется проводником с землёй, то происходит стекание тока на землю. Контакт фазы с землёй может осуществляться случайным образом (при обрыве провода, касании металлической конструкции и т.п.) или через заземлитель, например, при пробое фазы на заземленный металлиеский корпус электроустановки. На рис7.а изображён случай обрыва провода в сети с изолированной нейтралью, на рис.7.б – случай замыкания фазы на землю в сети с заземлённой нейтралью, на рис.8 – пробой фазы на заземлённый корпус в сети с изолированной нейтралью и на рис.9 – пробой фазы на корпус в сети с заземлённой нейтралью. Цепь, по которой проходит ток замыкания Iзам, показана на рисунках пунктиром. Явления, сопровождающие процесс стекания тока в землю, одинаковы как при случайном соединении фазы с землёй, так и при контакте фазы с заземлителем, поэтому, в дальнейшем, можно ограничиться рассмотрением процесса стекания тока в землю через заземляющее устройство. При прохождении тока замыкания через заземлитель последний приобретает потенциал, который можно измерить как разность потенциалов между точкой ввода тока в заземлитель и любой из точек зоны нулевого потенциала, т.е. зоны, удалённой от заземляющего устройства на бесконечно большое расстояние. В сети с изолированной нейтралью ток замыкания возвращается в сеть через распределённые сопротивления изоляции фаз Rиз. В сети с заземлённой нейтралью ток замыкания возвращается в сеть через заземлитель нейтрали (рис.7.б). При незначительных размерах заземлителя по сравнению с протяжённостью сети можно условно считать, что сопротивление изоляции Rиз расположено на бесконечно большом удалении от заземляющего устройства, т.е. в зоне нулевого потенциала. На практике зоной нулевого потенциала считают область поверхности земли, в пределах которой при стекании тока с заземлителя отсутствует градиент потенциала. В большинстве случаев эта зона располагается на расстоянии свыше 20м от заземлителя.

 

а)		б)
Рис.7. Замыкание фазы на землю в сетях с изолированной (а) и заземлённой (б) нейтралью

Пространство между заземлителем и зоной нулевого потенциала, т.е. область, в пределах которой при стекании тока с заземлителя возникает заметный градиент потенциала, называетсязоно растекания. Наличе градиента потенциала в зоне расстекания приводит к появлению "напряжения шага", т.е. разности потенциалов между двумя точками земли, на которых одновременно стоит человек, и находящихся друг от друга на расстоянии шага (~0,8м).

Рис.8. Принципиальная схема защитного заземления

Рис.9. Принципиальная схема зануления: М-зануляемое одорудование; R0-сопротивление заземлителя нейтрали; Rп-сопротивление повторного заземлителя нулевого провода; F-предохранитель; Iк-ток короткого замыкания

Опасным фактором для человека является также "напряжение прикосновения", которое в данном случае определяется как напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Для полушарового заземлителя радиусом r0 (рис.10) распределение потенциала по поверхности земли может быть достатоно просто описано аналитически. Если грунт однороден по удельному сопротивению, то ток в земле растекается во все стороны по радиусам полусферы. Тогда плотность тока j на

 

Рис.10. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя

Растоянии х от центра заземлителя составит

.

В соответствии с законом Ома напряжённость электрического поля Е в зоне растекания тока связана с плотностью тока j и удельным сопротивлением среды (грунта) ρ следующим выражением:

.

Потенциал любой точки на поверхности земли взоне растекания тока, определенный относительно бесконечности, равен падению напряжения в грунте за пределами полусферы радиусом х

,

Где х – расстояние от центра заземлителя до точки определения потенциала φх; dU – падение напряжения в элементарном слое толщиной dx.

Так как dU=Edx, то распределение потенциала в зоне растекания тока имеет вид гиперболы:

.

Плтенциал заземлителя равен потенциалу точки с координатой , т.е. . Следовательно, для любой точки поверхности земли в зоне расстекания тока можно записать:

(14)

где х – координата точки

Из определения напряжения прикосновения следует, что человек, касающийся корпуса заземленной электро установки и находящийся на расстоянии х от заземлителя, будет находиться под действием напряжения прикосновения Uпр(х)

 

.

(15)

Напряжение шага или шаговое напряжение можно определить как

,

(16)

Где Uш – напряжение шага; а – ширина шага при движении человека по направлению к заземлителю или величина проекции шага на это направление.

Для уменьшения значений напряжения прикосновения и шага используется «выравнивание потенциалов» с помощью дополнительных заземлитлей, расположенных друг от друга на расстоянии, меньше 40см. На рис.11 приведено распределение потенциала в системе из двух заземлителей. В зоне между двумя заземлителями напряжение прикосновения и шаговое напряжение уменьшаются. Степень выравнивания потенциала прежде всего зависит от расстояния между дополнительными заземлителями.

Рис.11. Распределение потенциала в групповом заземлителе из двух полусферических электродов