При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства. Для выявления электрических зависимостей в зоне растекания тока в земле рассмотрим упрощенно заземляющее устройство в виде металлической полусферы, размещенной на границе земли в однородном грунте. Электрический ток растекается с заземлителя равномерно в радиальных направлениях (рис. 3-2, а). Этот ток создает в грунте с удельным электрическим сопротивлением р электрическое поле напряженностью Е.
Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома в дифференциальной форме:
(3-4) где j — плотность электрического тока в зоне растекания в земле.
При равномерном распределении тока его плотность убывает по мере удаления от заземлителя:
(3-5)
где х — расстояние от заземлителя.
Падение напряжения на участке грунта можно определить, зная расстояние до заземлителя х:
Рис. 3-2. Напряжения, под которые попадает человек в зоне растекания тока с заземляющего устройства. а — напряжение прикосновения ; б — напряжение шага
При расстояниях от заземлителя, значительно превышающих его размеры (
), можно пренебречь вторым
членом в скобках:
(3-6)
где
— сопротивление заземлителя.
Следовательно, сопротивление заземлителя прямо пропорционально удельному электрическому сопротивлению грунта и обратно пропорционально геометрическим размерам заземлителя, поэтому небольших значений сопротивления заземлителя можно добиваться увеличением его геометрических размеров либо уменьшением удельного сопротивления грунта. Этот вывод применим к любой форме заземлителя, так как заземлитель любой формы можно привести к расчетному, определяя его эквивалентный диаметр. Для расчета сопротивления основных типов заземлителей, применяющихся при сооружении заземляющих устройств, советские ученые предложили выражения, позволяющие учитывать неоднородность электрической структуры грунта [Л.3-1]. Сопротивление вертикального заземлителя рассчитывается по формуле
Для электроустановок выше 1 000 В с большими токами замыкания на землю допустимый потенциал заземлителя принимается равным 10 000 В.
Помимо напряжения прикосновения человек в зоне растекания электрического тока в земле попадает под шаговое напряжение, обусловленное различными потенциалами земли на площадках под ногами человека (рис. 3-2, б):
(3-11)
На расстояниях от заземлителя х больших, чем длина шага, шаговое напряжение уменьшается пропорционально квадрату расстояния:
Очевидно, что величина шагового напряжения зависит от крутизны кривой распределения напряженности электрического поля в зоне растекания тока. При прочих равных условиях шаговое напряжение всегда меньше по величине, чем напряжение прикосновения, поэтому оценку эффективности заземляющих устройств производят по величине напряжений прикосновения. При этом, учитывая одинаковую зависимость напряжений шага и прикосновения от характера кривой распределения напряженности электрического поля, любые мероприятия по снижению напряжений прикосновения автоматически снижают и шаговые напряжения.
Рассмотрим подробнее зависимость напряжений прикосновения от параметров заземляющих устройств.
Потенциалы земли в зоне растекания тока определяются характером изменения напряженности электрического поля, определяемой в свою очередь конструкцией заземляющих устройств и параметрами электрической структуры земли. Очевидно, что потенциал земли при прочих равных условиях убывает по мере удаления от заземлителей. При однородном грунте потенциал земли при растекании тока с точечного заземлителя, расположенного на поверхности земли, распределяется по гиперболическому закону и практически снижается до нуля в радиусе 20 м от заземлителя (рис. 3-3,а).
По мере углубления заземлителя зона растекания электрического тока увеличивается, поэтому радиус распространения напряженности электрического поля в земле возрастает и соответственно уменьшается крутизна кривой распределения напряженности (рис. 3-3,б). При групповом заземлителе наименьшие потенциалы наблюдаются в точках земли, наиболее удаленных от элементов заземляющего устройства. Для распространенного заземляющего устройства — заземляющей сетки — наиболее удаленные точки находятся в центре ячеек сетки (рис. 3-3, в). Очевидно, что для уменьшения напряжений прикосновения необходимо стремиться к максимальному выравниванию потенциалов в зоне заземляющего устройства и на подходах к нему, уменьшая тем самым разность потенциалов φκ—φ3.
Рис. 3-3. Распределение потенциалов в зоне растекания тока с различных заземлителей.
а — точечный заземлитель; б — вертикальный заземлитель; в — заземляющая сетка.
Одним из методов такого выравнивания является увеличение частоты ячеек заземляющей сетки и увеличение длины вертикальных электродов. Другими словами, для уменьшения напряжений прикосновения в однородном грунте необходимо добиваться такой конструкции заземляющего устройства, при которой
где t — глубина заложения горизонтальных заземлителей, м; b — линейный размер (ширина) ячейки заземляющей сетки, м; S — площадь заземляющего устройства, м2; lв — длина вертикальных заземлителей, м; т — число ячеек в заземляющей сетке.
Неоднородность грунта вносит существенные изменения в картину распределения напряженности электрического поля в земле. В этом случае плотность электрического тока и напряженность поля распределяются пропорционально проводимости различных слоев грунта. Так, при большем удельном электрическом сопротивлении поверхностного слоя (что может объясняться его высыханием летом и промерзанием зимой) основная часть линий электрического тока рассеивается в глубь почвы, и на поверхности земли возникают менее опасные потенциалы. Этот принцип снижения напряжений прикосновения и шага используется на подстанциях высокого напряжения, на которых устраиваются гравийные и щебеночные покрытия толщиной 0,2 м с удельным сопротивлением ρ≈(6-8)· 103 Ом-м. Обратная картина может возникнуть при уменьшении удельного сопротивления поверхностного слоя земли (так называемого слоя сезонных изменений). Поэтому при расчете напряжений прикосновения необходимо учитывать неоднородность электрической структуры земли с учетом ее сезонных изменений.
Для количественной оценки величины напряжений прикосновения вводят специальный коэффициент прикосновения, показывающий во сколько раз напряжение прикосновения меньше напряжения на корпусе относительно земли:
(3-12)
Иногда напряжение прикосновения заметно уменьшается за счет падения напряжения на переходном сопротивлении ног человека, которое принимается равным 1,5 ρ5. Это уменьшение учитывается в расчете введением коэффициента β:
где αпр — наибольшее значение коэффициента прикосновения, рассчитываемое по известным геометрическим
размерам заземляющего устройства и параметрам электрической структуры грунта,
d — эквивалентный диаметр горизонтальных элементов (для полосы шириной с диаметр принимается равным 0,5 с), м; t — глубина заложения сетки, м; b — ширина ячейки заземляющей сетки, м; рэ.и — эквивалентное удельное сопротивление земли для расчета наибольшего напряжения прикосновения заземляющей сетки (приложение 2).
Для расчета заземляющих устройств в электроустановках напряжением выше 1 000 В с большими токами замыкания на землю приняты следующие допустимые напряжения прикосновения: 