Струм замикається на землю через провідники, що мають з нею контакт. Причинами замикання і стікання струму в землю є: замикання електричної мережі в результаті аварії на заземлений корпус електроустановки; падіння проводів на землю; пробій чи ушкодження ізоляції електричних кабелів. При замиканні струму на землю відбувається різке зниження потенціалу – напруга визначається як добуток струму замикання на землю I3 на опір розтікання струму від заземлювача в землі r3:
= I3 r3,
де – потенціал заземлювача, В
Стікання струму в землю призводить до появи потенціалів на заземлювачі, на металевих частинах комунікацій, що знаходяться поблизу заземлювача, у землі та на її поверхні навколо місця замикання і стікання струму в землю. Різниця потенціалів поблизу замикання може досягати великих значень і тому є небезпечною для людини, що наближається чи рухається в зоні замикання. Людина при цьому зазнає впливу електричного струму по шляху «нога-нога».
Характер розтікання струму в землю, різниця потенціалів між сусідніми точками, а, отже, і небезпека ураження людини залежать від струму замикання на землю, провідності ґрунту, опору заземлених конструкцій, їхньої форми і ступеня зіткнення з ґрунтом, напруги в мережі (до 1000 В), розгалуженості, стану ізоляції т.ін.
Розглянемо, як розтікається електричний струм у землі від упалого проводу, який закон розподілу потенціалів від місця падіння його і яка небезпека крокової напруги.
Напруга кроку– напруга між двома точками ланцюга струму, що знаходяться одна від одної на відстані кроку і на якому одночасно стоїть людина (мал.10.6).
Припустимо, що «картина» розтікання струму від упалого проводу еквівалентна «картині» від напівкульового заземлювача і що ґрунт однорідний з питомим опором у багато разів більшим, ніж у заземлювача.
Тоді щільність струму в землі буде убувати і на відстані x від центра напівкульового заземлювача буде дорівнювати
,
де J – щільність струму, А/м2.
Поле розтікання постійного і перемінного струмів частотою 50 Гц в однорідному провідному середовищі можна вважати стаціонарним електричним полем. У ньому щільність струму і напруженість Е у точці x зв’язані залежністю закону Ома в диференціальній формі
,
Рис. 10.6. Розподіл потенціалу по поверхні землі навколо напівкульового заземлювача
де Е – напруженість електричного поля, В/м; r – питомий опір ґрунту, Ом∙см.
Спадання напруги d у шарі dx
.
Потенціал точки А (φА), якому відповідає півсфера між точкою з радіусом x і точкою, що відстоїть на нескінченно великій відстані (∞), визначиться при розв’язанні інтеграла
.
Потенціал точки В на відстані x1 від заземлювача
Позначивши постійний добуток через k, одержимо рівняння рівносторонньої гіперболи
Таким чином, напруга від місця падіння проводу по поверхні однорідного ґрунту зменшується в усі сторони згідно з гіперболічним законом. Різниця потенціалів, прикладена до двох ніг, що знаходяться на відстані кроку (0,8 м), і називається кроковою напругою. Величина напруги з віддаленням від місця замикання зменшується, а при відстані більше 20 м у мережах до 0,4 кВ стає незначною і небезпеки для людини не становить.
На практиці ґрунт не завжди однорідний навколо місця замикання струму. Тоді еквіпотенційні лінії не будуть концентричними окружностями, а потенціал від місця замикання буде змінюватися за по якимось іншим складним законом, що залежить від питомого опору ґрунту навколо заземлювача.
Із зони впливу крокової напруги варто виходити дрібними кроками з урахуванням напрямку зниження дії струму. Стрибати на одній нозі чи тікати не слід, тому що при падінні до тіла людини буде прикладатися ще більша напруга, ніж напруга кроку.
Напруга дотику– напруга між двома точками ланцюга, до яких людина торкається одночасно. Іншими словами, це спадання напруги на опорі тіла людини при її включенні в електричний ланцюг
Uдот= Iл Rл,
де Uдот – напруга дотику, В; Iл – струм, що протікає через людину по шляху "руки-ноги", А; Rл – опір тіла людини, Ом.
Напруга дотику, наприклад, у зоні захисних заземлень
Uдот= U3– Uосн,
де U3= I3∙r3 – спадання напруги на заземлювачі, який електрично зв'язаний з корпусом електроустановки, до якої доторкається руками людина. Воно дорівнює добутку струму замикання на землю I3 (в амперах) і опору розтікання струму від заземлювача r3 (в омах); Uосн – напруга поверхні землі в тому місці, де стоїть людина і де вона прикладається до її ніг.
= I3 r3,
,
,
Рис. 10.6. Розподіл потенціалу по поверхні землі навколо напівкульового заземлювача
.
.
через k, одержимо рівняння рівносторонньої гіперболи