Б – кривая распределения напряжения прикосновения

Напряжение прикосновения U_пp определяется выражением:

U_пp = j_р – j_н, (1)

где j_р, j _н – потенциал руки и потенциал ног человека, соответственно (рис. 1).

Потенциал руки всегда равен потенциалу корпуса (переходное сопротивление в плоскости контакта очень мало). Поскольку корпус связан с заземлителем заземляющим проводником, сопротивление которого так же очень мало, падением напряжения можно пренебречь. Тогда потенциал корпуса будет равен потенциалу заземлителя:

(2)

где U_з – напряжение замыкания на землю, В; I_з – ток замыкания на землю, А; r – удельное сопротивление грунта, Ом×м; Х_з – радиус заземлителя, м.

Потенциал ног человека j _н в точке А (рис. 1)

(3)

где Х – расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования, м.

В итоге напряжение прикосновения определяется по выражению:

(4)

Используя формулу (2), выражение (4) можно записать в виде:

U_пр = Ua₁, (5)

где a₁ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий расстояние от заземлителя до заземленного электрооборудования:

a₁ = (Х – Х_з)/Х_з. (6)

Величина коэффициента a₁ может изменяться от нуля до единицы. При Х = Х_з (когда заземленное электрооборудование размещено непосредственно над заземлителем) a₁ = 0. Следовательно, и напряжение прикосновения U_пp также равно нулю. Если же Х стремится к бесконечности, то a₁ = 1 (чем дальше от заземлителя расположено заземленное электрооборудование, тем больше величина напряжения прикосновения). На больших расстояниях от заземлителя U_пp = U_з.

На величину напряжения прикосновения влияет не только расстояние X, но и сопротивление тела человека. Формула (5) справедлива, если корпуса электроустановки с поврежденной изоляцией касается незащищенной рукой человек, стоящий босиком на земле. Если человек использует основные и дополнительные электрозащитные средства (диэлектрические перчатки, галоши, коврики, изолирующие подставки и др.), напряжение прикосновения необходимо определять по следующей формуле:

U_пp = U_зa₁a₂, (7)

где a₂ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека.

Величина этого коэффициента может изменяться от единицы (когда человек касается электрооборудования незащищенной рукой, стоя босиком на земле) до нуля (человек касается электрооборудования, используя исправные основные и дополнительные электрозащитные средства).

Напряжение прикосновения является важной характеристикой, которая используется для расчетов сопротивления заземления и выбора типа защиты. При этом должно выполняться следующее условие:

U_пp £ U_пp.доп. (8)

U_пp = I_h R_h, (9)

гдеI_h – ток, протекающий через тело человека, А; R_h – сопротивление тела человека, Ом (принимается R_h = 1000 Ом); U_пp.доп – допустимое напряжение прикосновения, В.

Величина допустимого напряжения прикосновения зависит от времени воздействия напряжения на организм человека и может быть определена с помощью эмпирической формулы:

(10)

где t_доп – допустимое время воздействия электрического тока на организм человека, с; величина t_доп может изменяться от 0,1 до 30 с.

Так как

U_з = I_зR_з, (11)

то

R_з = U_пр.доп/I_зa_1, (12)

где R_з – сопротивление заземлителя, Ом.

Таким образом, величина U_пp.доп определяет тип заземлителя, применяемый на объекте, поскольку сопротивление заземлителя R_з зависит от формы, размера, числа электродов заземлителя, их взаимного расположения и глубины залегания в грунте.

В целях эксплуатационного контроля состояния электробезопасности на объектах периодически производятся измерения величины напряжения прикосновения. Результаты измерений показывают, обеспечивается ли безопасность человека и животных от поражения электрическим током.

Напряжением шага называется разность потенциалов для двух точек на поверхности земли в зоне растекания тока, которые находятся одна от другой на расстоянии шага и на которых одновременно стоит человек (рис. 2). То есть напряжение шага – это напряжение между двумя ступнями человека, стоящего на земле в зоне растекания тока:

U_ш = I_hR_h ; (13)

U_ш = j_А – j_В. (14)

Зона растекания тока образуется не только вокруг заземлителя (рис. 2), но и вокруг любого провода, находящегося под напряжением и лежащего на земле.

Рис. 2. Напряжение шага

Поскольку

, (15)

, (16)

то

(17)

где Х – расстояние от человека до заземлителя (или до лежащего на земле провода), м; а – ширина шага человека, м (в расчетах принимаем а = 0,8 м).

Формулу (17) можно записать следующим образом:

U_ш = U_з b₁, (18)

где b₁ – коэффициент напряжения шага, учитывающий расстояние от человека до заземлителя:

. (19)

Величина коэффициента b₁ может изменяться от единицы (человек одной ногой стоит на заземлителе (проводе), а другой делает шаг на расстояние а = 0,8 м) до нуля, когда человек находится на расстоянии более 20 м от заземлителя (провода). Расстояние 20 м – постоянная величина, не зависящая от напряжения сети и удельного сопротивления грунта.

Поскольку величина напряжения шага уменьшается в зависимости от расстояния до заземлителя по гиперболической зависимости, безопасное напряжение шага будет уже на расстоянии 8 м от заземлителя. Поэтому к месту замыкания на землю (к заземлителю или к лежащему на земле проводу) обычным шагом можно подходить на расстояние не ближе 8...10 м. На более близкие расстояния можно подходить только очень короткими шагами.

Кроме коэффициента b₁, в расчетах используется и коэффициент b₂ – коэффициент напряжения шага, учитывающий дополнительное сопротивление в цепи человека. Коэффициент b₂ также может изменяться от единицы (человек стоит босиком на земле) до нуля (человек использует дополнительные электрозащитные средства – диэлектрические галоши и боты). Используя дополнительные электрозащитные средства, можно вплотную подходить, например, к лежащему на земле проводу.

Величина напряжения шага также используется для расчета сопротивления заземлителя. Если

U_ш.доп ³ U_зb₁, (20)

то

R_з = U_ш.доп/I_зb₁. (21)

Из величин R_з, полученных по формулам (12) и (21), выбирают меньшее значение.