9.3. Явления при стенании тока в землю. Напряжение прикосновения и шага

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом. Распределение потенциала на поверхности земли происходит по кривой, близкой к гиперболе (рис. 9.1.).

Р и с. 9.1. Распределение потенциала на поверхности земли

В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности, однако в реальных условиях уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю, следовательно, и поле растекания можно считать распространяющимся лишь на расстояние 20 м от заземлителя.

Напряжение прикосновения U_пр (В) есть напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или, иначе говоря, падение напряжения в сопротивлении тела человека R_h (Ом):

U_пр=I_h R_h,

где I_h– ток, проходящий через тело человека по пути «рука – ноги», А.

Напряжение прикосновения характеризуется отрезком АВ и зависит от формы потенциальной кривой и расстояния х между человеком, прикасающимся к заземленному оборудованию, и заземлителем: чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U_пр, и наоборот. Так, при расстоянии х = ∞, а практически при х = 20 м (точка 1 на рис. 9.2) напряжение прикосновения имеет наибольшее значение: U_пр=φ_з; при этом α=1. Это наиболее опасный случай прикосновения. При наименьшем значении х, когда человек стоит непосредственно на заземлителе (точка 2 на рис. 9.2), U_пр = 0 и α = 0.

Р и с. 9.2. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе:

I — потенциальная кривая; II — кривая, характеризующая изменение напряжения прикосновения Unp при изменении расстояния от заземлителя х

Напряжение шага U_ш (B) есть напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. При этом длина шага α принимается равной 0,8 м.

Напряжение шага представляет собой также падение напряжения в сопротивлении тела человека R_h (Ом):

U_ш = I_h R_h ,

где I_h – ток, проходящий через человека по пути «нога – нога», А.

Напряжение шага ориентировочно определяется отрезком АВ (рис. 9.3), длина которого зависит от формы потенциальной кривой, т. е. от типа заземлителя, и изменяется от некоторого максимального значения до нуля с изменением расстояния от заземлителя. Максимальные значения U_ш и β будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, т. е. когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой – на расстоянии шага от него.

Р и с. 9.3. Напряжение шага при одиночном заземлителе

Наименьшие значения U_ш и β будут при бесконечно большом удалении от заземлителя, а практически за пределами поля растекания тока, т. е. дальше 20 м. В этом месте U_ш ≈ 0 и β ≈ 0.

9.4. Классификация электроустановок

Используемые определения содержатся в «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ).

Э л е к т р о у с т а н о в к а – совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования, предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования её в другие виды энергии.

О т к р ы т а я п р о в о д я щ а я ч а с т ь (О П Ч) – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции (например корпус электроустановки).

П р я м о е п р и к о с н о в е н и е – электрический контакт людей с токоведущими частями, находящимися под напряжением.

К о с в е н н о е п р и к о с н о в е н и е – электрический контакт людей с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции.

Г л у х о з а з е м л е н н а я н е й т р а л ь – нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству (см. рис. 9.1, точка 2).

И з о л и р о в а н н а я н е й т р а л ь – нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству (см. рис. 9.1, точка 1).

Н у л е в о й р а б о ч и й (н е й т р а л ь н ы й) п р о в о д н и к – проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора (см. рис. 9.1, N).

Н у л е в о й з а щ и т н ы й п р о в о д н и к – защитный проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для присоединения открытых проводящих частей (ОПЧ) к глухозаземленной нейтрали источника питания (рис. 9.4, РЕ).

Р и с. 9.4. Трехфазная сеть с подключенным к ней электроприемником

Приведем международную и российскую классификации электроустановок.

Фазные провода сети по международной классификации обозначаются L1, L2, L3, а по российской –А, В, С.

Электроустановки в отношении мер электробезопасности разделяются по напряжению:

до 1 кВ;

выше 1 кВ.

Электроустановки напряжением до 1 кВ в отношении мер электробезопасности подразделяются на следующие:

электроустановки с изолированной нейтралью (по международной классификации – система IT);

электроустановки с глухозаземленной нейтралью (система TN и её модификации:TN – C;TN – S;TN – C – S).

Согласно новой редакции ПУЭ (седьмое издание 2002г.) в России допускается применение системы ТТ(которая раньше не применялась), но только в тех случаях когда условия электробезопасности в системеTNне могут быть обеспечены (что в нынешних условиях в России бывает крайне редко).

В международной классификации буквы определяют следующее.

Первая буква – состояние нейтрали источника питания относительно земли:

Т– заземленная нейтраль;

I– изолированная нейтраль.

Вторая буква – состояние открытых проводящих частей относительно земли:

Т– открытые проводящие части заземлены независимо от отношения к земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети;

N – открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания.

Последующие (после N) буквы – совмещение в одном проводнике или разделение функций нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

S– нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники разделены;

С– функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике (PEN-проводник).

N-- нулевой рабочий (нейтральный) проводник;

РЕ-- защитный проводник (заземляющий проводник, нулевой защитный проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов);

PEN-- совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводник.

Электроустановки (электрические сети) в отношении мер безопасности могут работать в двух режимах:

нормальном – когда обеспечиваются заданные значения параметров её работы (замыканий на землю нет);

аварийном – при однофазном замыкании на землю.

Проведем анализ электробезопасности трехфазных сетей напряжением до 1 кВ с изолированной (IT) и глухозаземленной (TN – C) нейтралью в нормальных и аварийных режимах работы.