Основи охорони праці - Жидецький В.Ц. - 3.4.7. Небезпека замикання на землю в електроустановках

Замиканням на землю називається випадкове електричне з'єднання частин електроустановки, які перебувають під напругою, із землею. Таке замикання може відбутись у разі пошкодження чи пробою ізоляції та переходу фазної напруги мережі на заземлені корпуси електроустановок, у разі падіння на землю проводу повітряної лінії електропередачі та в інших випадках. Струм від заземлених корпусів, що опинились під напругою, переходить у землю через електрод, який здійснює контакт з ґрунтом. Спеціальний металевий електрод, який для цього використовують, прийнято називати заземлювачем. Струм, розтікаючись у ґрунті, створює на його поверхні електричні потенціали. Оскільки заземлювач може мати різні розміри та форму, то закон розподілу потенціалів визначається складною залежністю. Окрім того, електричні властивості ґрунту неоднорідні, особливо ґрунту з різними прошарками. Для того, щоб спростити картину розтікання електричного поля приймаємо, що струм стікає в землю через одинарний заземлювач напівсферичної форми, який знаходиться в однорідному ізотропному ґрунті з питомим опором р, котрий значно перевищує питомий опір матеріалу заземлювача (рис. 3.17). Густина струму б у точці А на поверхні ґрунту, що знаходиться на відстані х від заземлювача, визначається як відношення струму замикання на землю /а до площі поверхні півкулі радіусом х:

Для визначення потенціалу точки А виділимо елементарний шар товщиною сіх. Падіння напруги в цьому шарі становить 6Х] - Ейх. Потенціал точки А дорівнює сумарному падінню напруги від точки А до землі, тобто нескінченно віддаленої точки з нульовим потенціалом:

Напруженість електричного поля в точці А визначається із закону Ома, який виразимо наступною формулою:

Підставивши це значення, одержимо:

З формули (3.17) видно, що потенціали точок ґрунту в зоні розтікання змінюються за гіперболічним законом (див. рис. 3.17).

Рис. 3.17. Розтікання струму в ґрунті через напівсферичний заземлювач та розподіл потенціалів у цій зоні

Зоною розтікання струму називається зона землі, за межами якої електричні потенціали, обумовлені струмом замикання на землю, можна умовно прийняти за нуль. Як правило, така зона обмежується об'ємом півсфери радіусом приблизно 20 м.

Людина, що стоїть на землі чи на струмопровідній підлозі в зоні розтікання струму і доторкається при цьому до заземлених струмовідних частин, опиняється під напругою дотику. Якщо ж людина стоїть чи проходить через зону розтікання, вона може опинитися під напругою кроку, коли її ноги знаходяться в точках з різними потенціалами. В обох випадках можливе ураження людини електричним струмом. Розглянемо детальніше ці випадки.

Напруга дотику (доторкання).

Для людини, що стоїть на землі й доторкається до заземленого корпуса, що опинився під напругою, визначити напругу дотику II т можна як різницю потенціалів між руками (рр та ногами <рв;

Оскільки людина доторкається до заземленого корпуса, то потенціал руки і є потенціалом цього корпуса, або напругою замикання:

Ноги людини знаходяться в точці А, і потенціал ніг дорівнює:

На рис. 3.18 показано три корпуси споживачів (електродвигунів), які приєднані до заземлювача Я. Потенціали на поверхні ґрунту при замиканні на корпус будь-якого споживача фазної напруги розподіляються за кривою /. Потенціали усіх корпусів однакові, оскільки вони електрично з'єднані між собою заземлювальним провідником, падінням напруги в якому можна знех

Рис. 3.18. Напруга дотику до заземлених металевих частин (корпусів електродвигунів), що опинилися під напругою

тувати. Для того, щоб визначити напругу дотику С/ , необхідно від напруги замикання V відняти потенціал тої точки ґрунту, на якій стоїть людина. Якщо людина стоїть над заземлювачем, то напруга дотику дорівнює нулю, оскільки, потенціали рук та ніг однакові й дорівнюють потенціалу корпусів (напрузі замикання). При віддаленні від заземлювача напруга дотику зростає (крива II) і у людини, що доторкнулася до останнього (третього) корпуса, вона стає рівною напрузі замикання, оскільки в цій точці ґрунту потенціал ніг людини дорівнює нулю (найбільш небезпечний випадок). Таким чином, напруга дотику є часткою напруги замикання і зменшується в міру наближення до заземлювача. В загальному випадку для заземлювачів будь-якої конфігурації

де а - коефіцієнт напруги дотику, який залежить від форми заземлювача і відстані від нього (приймається за таблицею).

Напруга кроку.

Людина, яка опиняється в зоні розтікання струму, знаходиться під напругою, якщо її ноги стоять на точках ґрунту з різними потенціалами. Напругою кроку (кроковою напругою) називається напруга між двома точками електричного кола, що розміщені одна від одної на відстані кроку (0,8 м) і на яких одночасно стоїть людина. На рис. 3.19 наведено розподіл потенціалів навколо одинарного заземлювача. Напруга кроку С/к визначається як різниця потенціалів між точками І та 2, на яких стоять ноги людини:

Оскільки точка І знаходиться на відстані х від заземлювача, то її потенціал при напівсферичному заземлювачі дорівнює

Рис. 3.19. Напруга кроку

Точка 2 знаходиться на відстані * + а, де а - відстань кроку людини. У такому випадку її потенціал становить

Із формули (3.25) та рис. 3.19 видно, що напруга кроку знижується в міру віддалення від точки замикання на землю та при меншій довжині кроку людини.

Хоча при напрузі кроку струм проходить через тіло людини по шляху "нога - нога", який є менш небезпечним за інші, однак відомі випадки ураження струмом, які спричинені саме кроковою напругою. Важкість ураження зростає через судомні скорочення м'язів ніг, що призводить до падіння людини; при цьому струм проходить уже більш небезпечним шляхом "рука ноги". Крім того, віддаль між точками контакту зі землею рук і ніг при падінні є більшою за довжину кроку, що обумовлює тим самим більшу різницю потенціалів.

У випадку обриву проводу повітряної лінії електропередачі (рис. 3.20, а) забороняється наближатись до місця замикання проводу на землю в радіусі 8 м. Виходити зі зони розтікання струму необхідно дрібними кроками, що не перевищують довжини ступні (рис. 3.20, б). Якщо необхідно наблизитись до місця замикання проводу на землю (наприклад, для надання допомоги), то для запобігання ураження кроковою напругою необхідно вдягнути діелектричні калоші чи боти.

Рис. 3.20. Вихід із зони замикання обірваного проводу на землю: а - правильний напрямок виходу; б - сліди від взуття