Физические основы протекания тока в земле

Рис. 1. Схема включения человека под напряжением шага

На поверхности земли появляется электрический потенциал φ_(х) величина которого зависит от величины тока замыкания на землю I₃, удельного сопротивления грунта ρ₃ в зоне растекания тока и расстояния от точки замыкания х.

В зоне растекания тока человек может оказаться под разностью потенциалов, например на расстоянии шага.

Напряжение шага – это напряжение между двумя точками на поверхности земли на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека.

U_ш = φ (х) – φ (х + 1)

Остановимся подробней на этом явлении – растекания тока в земле.

Стекание тока в землю происходит через проводник, находящийся с ней в непосредственном контакте.

При замыкании одной фазы электроустановки на землю происходит резкое снижение потенциала (напряжение относительно земли U₃, В) заземлившейся токоведущей части до значения, равного произведению тока, стекающего в землю (I₃, А) на сопротивление, которое этот ток встречает на своем пути, т.е. сопротивление заземлителя растеканию тока. (R₃, Ом) U₃ = I₃×R₃.

Однако наряду с понижением потенциала, что хорошо, происходит появление напряжения на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на поверхности грунта вокруг места стекания тока в землю.

Разности потенциалов отдельных точек при этом могут достигать больших значений и представлять опасность для человека

Для комплексного рассмотрения физических основ протекания тока в земле принимаются следующие допущения:

1. Земля по всей толще предполагается однородной, т.е. обладающей одним и тем же удельным электрическим сопротивлением ρ₃ = const.

Среднее значение удельного сопротивления земли принимается ρ₃ =

= 100 Ом·м.

2. Предполагается, что плотность j в любой точке земли постоянная во времени по величине и направлению, j = const.

Плотность тока прямо пропорциональна напряженности электричес-кого поля j = Е/ρ₃; Е = j×ρ₃, т.к. линии тока j совпадают с линиями напряженности электрического поля Е. Следовательно, в любой точке земли напряженность электрического поля также постоянна во времени и направлению, Е = const.

Вследствие постоянства плотности тока величина магнитного истока, пронизывающего любой контур в земле, постоянная во времени dФ/dt = 0. Из постоянства магнитного потока для любого контура следует, что интеграл напряженности электрического поля между точками А и В не зависит от пути интегрирования:

,

откуда

= U_АВ,

где х – путь интегрирования от А к В.

Отсюда следует, что напряженность электрического поля в земле при протекании по ней постоянных токов равна градиенту электрического потенциала Е = dU/dх.

При стекании тока с заземлителя в землю необходимо учитывать граничные условия на поверхности раздела электрод – земля.