4. Напряжение прикосновения. Шаговое напряжение Напряжение прикосновения

Пробой изоляции электрических проводов, замыкание токонесущих конструкций на «землю», сопровождается протеканием через нее аварийного тока I_зм. Пространство вокруг заземлителя, где проходит ток замыкания, называется зоной растекания тока или «локальной землей» (рис. 14).

Ток, стекая с заземлителя, растекается на значительные расстояния и обусловливает разность потенциалов между отдельными точками на поверхности «земли». Заземлителем может быть любой металлический предмет (труба, стержень, пластина, место падения провода на поверхность земли и пр.), потому что сечение проводник – «земля» настолько велико, что оно почти не оказывает сопротивления прохождению электрического тока.

Рис. 14. Растекание тока в «земле»: а) вокруг полушарового заземлителя;

б) по кривой, характеризующей напряжение «шага» (шаговое напряжение)

Выберем в зоне растекания точку А, находящуюся на расстоянии x₁ от центра заземлителя, и определим ее потенциал (рис. 14, а).

Известно, что величина плотности тока δ уменьшается по мере растекания его в земле и равна

δ = I_зм /(2π · x₁²),

где I_зм – ток замыкания на «землю», А; x₁ –расстояние от центра заземлителя до рассматриваемой точки А, м.

Падение напряжения Е на единицу длины пути составляет

Е = δ · ρ,

где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом м.

Выделим в «земле» элементарный шаровой слой dx, падение напряжения на котором определяется как

dU = E · dx = δ · ρ · dx = (I_зм · ρ) / (2πx²) dx.

В точке В (рис. 14, а), бесконечно удаленной от заземлителя, плотность тока равна нулю, а поэтому и потенциал в точке В будет равен нулю.

Разность потенциалов между двумя точками, находящимися на поверхности «земли» – точкой А и бесконечно удаленной от нее точкой В, потенциал которой равен нулю (рис. 14, а), определяется по формуле

φ_А = U_A = dU = I_зм · ρ / 2πdx / x² = I_зм · ρ / 2πx₁.

Напряжение между заземленной частью электроустановки (корпусом, заземлителем) и точками «земли», находящимися в зоне растекания тока, называется напряжением относительно «земли» U_з. Отношение напряжения U_з к току I_зм, протекающему через заземлитель в «землю», называется сопротивлением заземлителя R_Т1 и определяется по формуле

R_Т1 = U_з / I_зм или U_з = I_зм · R_Т1.

Если в электроустановке произошел пробой изоляции на корпус, присоединенной к заземлителю Т₁, то все установки и электрооборудование, имеющие гальваническую связь с этим корпусом, приобретают потенциал относительно «земли», равный потенциалу заземлителя φ_Т1 = I_зм · R_Т1.

Руки человека при прикосновении к корпусу электроустановки приобретают потенциал заземлителя φ_Т1. Одновременно с прикосновением рук к корпусу электроустановки ноги человека касаются точек почвы с другим потенциалом φ_нч (потенциал ног человека), величина которого зависит от расстояния между этими точками и заземлителем. В результате между рукой и ногами человека возникает разность потенциалов, которая называется напряжением прикосновения U_пр = φ_Т1 – φ_нч.

Итак, напряжением прикосновения называется напряжение между двумя проводящими частями при одновременном прикосновении к ним человека, а также напряжение между открытой проводящей частью, к которой прикасается человек, и местом на поверхности «локальной земли» или проводящего пола, на котором стоит человек (ГОСТ Р 50571).

Примечание. «Локальная земля» – часть «земли», находящейся в контакте с заземлителем, электрический потенциал которой под влиянием тока, стекающего с заземлителя, может быть отличным от нуля. В случаях, когда отличие от нуля потенциала части «земли» не имеет принципиального значения, вместо термина «локальная земля» используют общий термин «земля».

Напряжение прикосновения в 3-фазной сети переменного тока

с заземленной нейтралью и изолированным от «земли»

корпусом электроустановки (рис. 15)

Рис. 15: а) прикосновение человека к корпусу электроустановки в сети

с заземленной нейтралью и изолированным от «земли» корпусом;

б) эквивалентная схема

При рассмотрении сети 3-фазного переменного тока с заземленной нейтралью и изолированным от «земли» корпусом электроустановки при замыкании одной из фаз на корпус видно, что сопротивление тела человека R_ч включено последовательно с сопротивлением защитных средств R_зс (R_зс = R_о + R_п, где R_о и R_п – сопротивления обуви и пола), заземлителя R_T (рис. 15, б) и может быть определено по формуле

U_пр = U_ф R_ч / (R_ч + R_зс + R_T).

Если предположить, что сопротивление изоляции защитных средств равно нулю, сопротивление тела человека R_ч намного больше сопротивления заземлителя R_T и напряжение прикосновения U_пр становится равным или стремится к фазному напряжению U_ф. Следовательно, в этом случае имеем U_пр = U_ф.

Напряжение прикосновения в 3-фазной сети переменного тока

с заземленной нейтралью и заземленным корпусом электроустановки (рис. 16)

Защитное заземление предназначено для снижения опасности поражения человека электрическим током в случае его прикосновения к корпусу электроустановки, которая оказалась под током. Поэтому для обеспечения защиты человека от поражения электрическим током корпус установки заземляется через защитное заземление (защитное устройство) Т₁ (рис. 16, а).

Из схемы видно, что в случае замыкания фазы на заземленный корпус электроустановки возникает ток короткого замыкания I_кз (аварийный ток I_АВ). В результате, с учетом закона Кирхгофа, ток будет протекать по двум цепям:

фаза «А» – корпус установки – защитное устройство (защитное заземление) Т₁ – «земля» – заземление нейтрали Т – нуль источника;

фаза «А» – корпус установки – человек R_ч – «земля» – заземление нейтрали нулевой точки источника питания Т – нуль источника питания.

Рис. 16: а) прикосновение человека к заземленному корпусу

электроустановки в сети с заземленной нейтралью; б) эквивалентная схема

С учетом того, что сопротивление тела человека R_ч намного выше сопротивления защитного заземления Т₁, ток короткого замыкания определяется по формуле

I_кз = U_ф / (R_Т1 + R_Т).

Из эквивалентной схемы (рис. 16, б) видно, что имеет место делитель напряжения R_Т1... R_Т. Так как сопротивление тела человека R_ч намного больше сопротивления защитного заземления R_Т1, то в этом случае большая часть тока будет проходить по цепи R_Т1... R_Т и меньшая – через тело человека. Поэтому напряжение, падающее на сопротивлении R_Т1, и является напряжением прикосновения U_пр, которое определяется по формуле

U_пр = (U_ф · R_Т1) / (R_Т1 + R_Т).

Если имеет место равенство защитных заземлений R_Т1 = R_Т, то напряжение прикосновения определяется как U_пр = U_ф / 2, т. е. оно всегда будет выше 50 В. Так как сопротивление защитного заземления R_Т1, как правило, выше сопротивления заземления нейтрали 3-фазной сети переменного тока R_Т, то и падение напряжения на сопротивление защитного заземления будет всегда больше половины фазного напряжения, т. е. U_пр будет равно примерно 110 В, что является опасным для человека. Итак, в штатных условиях при работе с электроустановками, подключенными к 3-фазной сети переменного тока с заземленными нейтралью и корпусом установки, имеет место следующее соотношение:

R_ТR_Т1, R_Т1>>R_ч, т. е. R_Т / R_Т11, R_Т / R_ч = 0,

и тогда напряжение прикосновения U_пр будет примерно равно половине фазного напряжения, т. е. напряжение прикосновения превышает 50 В.

В 3-фазных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (сопротивление заземления нейтрали R_Т стремится к бесконечности) напряжение прикосновения U_пр стремится к нулю, так как имеет место делитель напряжения R_Т1... R_из, а сопротивление изоляции проводов относительно «земли» во много раз превышает сопротивление защитного устройства R_Т1.

Если сопротивление защитного заземления электроустановки R_Т1 стремится к бесконечности, т. е. корпус установки не заземлен, сопротивление заземления нейтрали 3-фазной сети существенно меньше сопротивления тела человека R_ч, то можно считать, что напряжение прикосновения U_пр стремится к напряжению фазы U_ф, т. е. U_прU_ф. Такое напряжение прикосновения является опасным для человека. _.

Напряжение прикосновения в 3-фазной сети переменного тока

с изолированной нейтралью и заземленным корпусом электроустановки (рис. 17)

В случае пробоя фазы на заземленный корпус электроустановки, допустим фазы А, в 3-фазной сети переменного тока с изолированной нейтралью в результате короткого замыкания фазы на корпус возникает аварийный ток I_ав. Если заменить параллельно подключенные к проводу А сопротивление заземляющего устройства электроустановки R_Т и сопротивление тела человека R_ч, на эквивалентное сопротивление R¹, получим

R¹ = R_Т · R_ч / (R_Т + R_ч).

Рис. 17. Прикосновение человека к корпусу электроустановки

в 3-фазной сети переменного тока: а) с изолированной нейтралью

и заземленным корпусом; б) эквивалентная схема

В результате приходим к эквивалентной схеме (рис. 17, б). В этом случае имеет место равенство

I_ч · R_ч = I_ав · R¹,

где I_ч – ток, проходящий через тело человека; I_ав – аварийный суммарный ток до разветвления цепи. Отсюда следует, что ток, проходящий через тело человека, определяется по формуле

I_ч = I_ав · R¹/ R_T.

Известно, что при однополюсном прикосновении человека к фазному проводу в 3-фазной сети с изолированной нейтралью при равенстве сопротивлений изоляции R_и фазных проводов относительно «земли» ток I_ч, проходящий через тело человека, определяется по формуле

I_ч = 3U_ф / (3R_ч + R_и) = U_л / (3R_ч + R_и)

и напряжение прикосновения определяется по формуле

U_пр = I_ч · R_ч.

Зависимость напряжения прикосновения от расстояния

между заземляющим устройством и человеком,

к которому оно приложено (рис. 18)

Расстояние L_T1 между заземлителем и человеком не всегда ограничено и может меняться в некоторых пределах. В целом напряжение прикосновения определяется разностью потенциалов между участком грунта, где стоит человек, и заземлителем.

Положим, что система заземления электроустановки выполнена таким образом, что расстояние между ногами человека и заземлителем равно нулю (L_T1 = 0), т. е. участок грунта под человеком и заземленный корпус установки оказались соединенными одной шиной (рис. 18, а). В этом случае рука человека, касающаяся корпуса установки, и его ноги будут иметь один и тот же потенциал, а поэтому и разность потенциалов будет равна нулю. Следовательно, при L_T1= 0 напряжение прикосновения также будет равно нулю (U_пр = 0).

Рис. 18. Зависимость напряжения прикосновения от расстояния между человеком

и заземленным корпусом электроустановки: а) равного нулю; б) не равного нулю

Если же расстояние L_T1 между человеком и заземлителем не равно нулю (рис. 18, б), то потенциал участка грунта под ногами человека φ_нч будет ниже потенциала заземляющего устройства φ_T1, и чем больше это расстояние, тем больше потенциал ног человека φ_нч приближается к нулевому потенциалу «земли». При достаточно большом расстоянии L_T1 ноги человека, стоящего на «земле», будут иметь нулевой потенциал, а напряжение прикосновения U_пр будет определяться потенциалом заземлителя φ_T1.

Распределение значений напряжения прикосновения U_пр в зависимости от расстояния L_T1 носит сложный характер и зависит от формы и размеров зоны растекания токов замыкания, которые, в свою очередь, зависят от формы и размеров заземлителя и электротехнических характеристик грунта. Поэтому напряжение прикосновения U_пр увеличивается по мере увеличения расстояния от человека до заземлителя и достигает максимального значения для случая, когда человек находится на расстоянии более 20…30 м от заземлителя. В этом случае потенциал ног человека φ_нч = 0 и U_пр = I_зм · R_T, т. е. U_пр = φ_T1.

При изменении расстояния L_T от 0 до 20…30 м напряжение прикосновения U_пр изменяется по гиперболическому закону (рис. 19).

Рис. 19. Изменение напряжения прикосновения в зависимости

от расстояния человека до заземлителя