2 Явища, які виникають при проходженні електричного струму в землю

2 Явища, які виникають при проходженні електричного струму в землю

При проходженні струму в землю відбувається різке зниження потенціалу струмопровідної частини, що заземлилася, до значення fз, В, який дорівнює добутку струму, що проходить в землю, Iз, А, на опір, який струм зустрічає на своєму шляху, Rз, Ом:

fз = Iз·Rз           (9.1)

Це явище використовується як засіб захисту від ураження струмом при випадковій появі напруги на металевих не струмопровідних частинах обладнання, які з цією метою заземляють.

Проте при цьому виникають і негативні явища - поява потенціалу на заземлювачі, а також на поверхні ґрунту навколо місця проходження струму в землю.

Природу розподілу потенціалу на поверхні землі розглянемо на прикладі проходження струму - Iз, А, в землю через заземлювач - півсферу радіусом r, м.

 

Рисунок 9.1 - Розподіл потенціалу на поверхні землі навколо півкульового заземлювача

Для спрощення вважаємо, що земля в будь-якому напрямі має однаковий питомий опір , Ом·м. В цьому випадку струм в землі розходитиметься по радіусах півсфери і величина його зменшуватиметься у міру віддалення від заземлювача за законом збільшення площі півсфери, через яку проходить струм.

На відстані Х від центра півкулі щільність струму, А/м2, буде дорівнювати

.(9.2)

Потенціал точки А, розміщеної на відстані Х від центра заземлювача буде дорівнювати

fх = iх·Rх ,(9.3)

оскільки

Rх = ·x, то(9.4)

                               .            (9.5)

Теоретично fх = 0 при Х =. Звичайно область нульового потенціалу розпочинається на відстані більше 20 м від заземлювача.

Максимальний потенціал буде при Х=min, тобто при Х=r

. (9.6)

Вирішивши спільно два рівняння (9.5) і (9.6), отримаємо з (9.6) , тоді, підставивши в (9.5) це значення отримаємо

fх = r·fз*1/х.

Позначивши r·f3 через К, маємо

f = K,(9.7)

тобто маємо рівняння рівносторонньої гіперболи. Отже, висновок:

потенціал на поверхні землі навколо заземлювача змінюється за законом рівносторонньої гіперболи.

           Напруга кроку (рис. 9.2), або крокова напруга, це різниця потенціалів fx і fx+a двох точок на поверхні землі в зоні розходження струму, що знаходяться на відстані кроку а = 0,8 м:

.(9.8)

Напруга дотику - Uдот (рис. 9.3) характеризується відрізком АВ і залежить від форми кривої і відстані Х між людиною, що торкається до заземленого обладнання, і заземлювачем. Чим далі від заземлювача   перебуває  людина, тим більше Uдот, навпаки при Х=20 м, Uдот = fз. Таке положення  найбільш небезпечне. При Х = 0, тобто людина стоїть на заземлювачі, Uдот = 0, тобто це безпечний випадок, хоч людина і перебуває під потенціалом fз. В решті випадків Uдот зростає від 0 до fз.

 

Рисунок 9.2 - Напруга кроку при одиночному заземлювачі

Аналіз небезпеки ураження струмом в існуючих електричних мережах

Всі електричні установки і електромережі поділяються за напругою, що їх живить, на два види:

1) до 1000 В;

2) понад 1000 В.

Розглянемо 3-фазні електромережі до 1000 В:

1 Чотирипровідна електрична мережа при глухозаземленій нейтралі (рис. 9.4).

 

Рисунок 9.3 - Напруга дотику при одиночному заземлювачі: I – крива зниження потенціалу  при віддаленні від заземлювача; II – крива, що характеризує зміну напруги дотику Uдот при зміні відстані від заземлювача, Х

Рисунок 9.4 – Дотик людини до фазного дроту трифазної чотирипровідної мережі при глухозаземленій нейтралі: а – при нормальному режимі; б – при аварійному режимі

Розглянемо, як і який струм протікає через людину при нормальному режимі:

(9.9)

де Uф - фазна напруга Uф =220В;

Rh- опір тіла людини, в розрахунках береться Rh=1000 Ом;

Rвз  - опір взуття;

Rгр - опір ґрунту;

Rос - опір основи;

Коли мокро, тобто при найнесприятливих умовах, при однофазному включенні

 Rос < < Rh , Rвз = Rгр = 0,

.         (9.10)

Такий струм більше ніж у двічі перевищує смертельний.

Двополюсне включення ще більш небезпечніше:

.         (9.11)

де Uл  - лінійна напруга.

2 Трипровідні електричні мережі з ізольованою від землі нейтраллю (рис 9.5).

Між проводами і землею - повітря, ізоляцію проводів від струму витоків відносно землі позначимо як

Z1 = Z2 = Z3 = Zіз.         (9.12)

Рисунок 9.5 - Дотик людини до дроту трифазної трипровідної мережі з ізольованою нейтраллю: а - при нормальному режимі;  б - при аварійному режимі

 

Рисунок 9.6 - Можливі варіанти ураження людини

1 У випадку однофазного дотику

.         (9.13)

Оскільки опір людини (Rh) при аналізі небезпеки ураження електричним струмом береться таким, що дорівнює 103 Ом, а опір ізоляції кожної фази (Zіз) відповідно до ПУЕ має бути щонайменше 105 Ом, то величина струму через людину в мережі замикання на землю, що розглядається, визначається практично опорами ізоляції фаз відносно землі. Тому

.         (9.14)

Якщо ізоляція хороша, то можна побачити, що небезпека невелика.

2 При двополюсному включенні

.         (9.15)

Небезпека ураження дуже висока, як і в чотирьох провідних електричних мережах при глухозаземленій нейтралі.

З точки зору електробезпеки переважає мережа з ізольованою від землі нейтраллю, якщо ізоляція відповідає ПУЕ.