Заземление — зона растекания и зона нулевого потенциала, что это

Зона растекания (локальная земля) в разрезе заземления

Все наверняка слышали, что потенциал земли (поверхности земного шара) равен нулю. И что с этого? Все на поверхности земли имеет нулевой потенциал. Здесь важно понимать, что земля — это большой проводящий объект, потенциал которого невозможно изменить. Поэтому она выступает своего рода точкой отсчета. И наивно полагать, что если вы дотронетесь до заземленного электроприбора, на корпус которого попал опасный потенциал, и в это время будете стоять на земле — то это как-то поможет. Здесь все намного сложнее и не работает фантазия многих о волшебной нейтрализации опасного потенциала нулевым потенциалом земли. Поэтому важно понимать заземление правильно.

Начнем разбор с зоны растекания (локальной земли). И будем делать это предельно наглядно и простым языком. Первое, что нам нужно — это заземлитель. Давайте возьмем условный дом, бытовые электроприборы в котором заземлены по системе TT, то есть заземлитель не связан с глухозаземленной нейтралью трансформатора через PEN проводник.

Теперь представим что опасный потенциал фазы по какой-то причине оказался на корпусах заземленных приборов и естественно на заземлителе. И на данном этапе многие не понимают, что с этим потенциалом происходит дальше и куда уходит ток. Кто-то просто скажет, что он растекается через заземлитель, и будет прав. А кто-то додумает и будет считать, что раз ток растекается в земле, значит он там и пропадает. Так вот ток никуда не пропадает. К слову под током я понимаю упорядоченное движение заряженных частиц. А если речь о переменном токе, то под движением стоит понимать вибрации, так как с частотой 50 Герц и малой скоростью электронов, последний будет болтаться туда-сюда в пределах миллиметра, а может еще и меньше.

Но раз ток никуда бесследно не пропадает, давайте разбираться, куда он уходит и причем здесь растекание. При замыкании на корпус ток проходит через заземлитель на землю. Происходит стекание тока в грунт, и вокруг заземлителя создается поле растекания. Параметры поля растекания зависят от разных условий. К ним можно отнести форму и размеры заземлителя, состав грунта, влажность грунта, время года и так далее. Все вместе эти условия можно заменить одним параметром — сопротивлением растеканию тока.

Теперь самое время разобраться с сопротивлением растеканию тока. Для этого в первую очередь нужно знать удельное сопротивление конкретного грунта.
Приближенные значения средних удельных сопротивлений отдельных видов грунтов р, Ом·м:

Возьмем для примера супесок с удельным сопротивлением 300 Ом·м. Что значит 300 Ом·м? Попробуем объяснить это простыми словами. Земля — это проводник. Представим проводник из супеска с сечением 1 м². Каждый метр такого проводника будет создавать сопротивление 300 Ом. Но земля это огромный проводник с сопротивлением, стремящимся к нулю.

Как же сопоставить 300 Ом и 0 Ом? Все очень просто. Ток стекая в землю расходится во все стороны от точки контакта с землей. Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы, возрастающие по мере удаления от точки входа. Можно представить, что электрод окружен концентрическими слоями грунта одинаковой толщины. Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В конечном счете, вклад сопротивления удаленных слоев в сопротивление поверхности грунта становится незначительным. То есть ток растекаясь в грунте доходит до зоны, где сопротивление грунта уже практически равно нулю. И дальше весь объем грунта можно просто условно представить как проводник с нулевым сопротивлением. Область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется зоной растекания (локальной землей или областью эффективного сопротивления). Ее размер зависит от глубины погружения заземлителя в грунт.

В зоне растекания происходит постепенное падение напряжения. В нашем примере мы рассматривали удельное сопротивление грунта 300 Ом·м. Соответственно падение напряжения — это сумма падений напряжений в каждой сфере с учетом пощади контакта и удельного сопротивления грунта. Увеличивая площадь контакта с помощью заземлителя, мы уменьшаем сопротивление растеканию тока и уменьшаем падение напряжения в зоне локальной земли. Если допустим сопротивление растеканию тока у заземлителя 4 Ом, то падение напряжение на данном заземлителе — это, то же самое, что суммарное падение напряжения в каждой сфере области эффективного сопротивления. Причем точкам каждой сферы соответствует одна и та же напряженность и плотность тока (не путать с силой тока). Плотность тока — это величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения проводника S. Только в нашем случае мы рассматривали площади разноудаленных сфер.

Стоит помнить, если в момент стекания тока с заземлителя, человек окажется в зоне растекания тока, то его ноги будут в точках с разными потенциалами. К человеку по пути нога-нога приложится напряжение шага.

Определение сопротивления полусферического заземлителя

Дополним тему зоны растекания методикой определения сопротивления полусферического заземлителя. Сопротивление растеканию тока в этом случае определяется следующим образом:

• Радиус полусферического заземлителя r.
• Определяется сопротивление бесконечно тонкого слоя земли толщиной Δr. Для этого выделяется полусфера радиусом r1 = r+Δr.
• Так как ток I заземлителя растекается лучами во все стороны равномерно, то площадь сечения полусферы для протекания тока S = 2π(r+Δr/2)², а длина пути тока l = Δr.
• Земля как проводник тока характеризуется удельным электрическим сопротивлением ρ, под которым понимается сопротивление кубика грунта. ρ = R×S/l, где R — сопротивление (Ом) некоторого объема грунта сечением S и длиной l. Соответственно из данной формулы можно найти сопротивление растеканию тока выделенного слоя земли R1 = ρ×l/S = ρ×Δr/(2π(r+Δr/2)²) = ρ/2π×(Δr/(r+Δr/2)²). Преобразуем Δr/(r+Δr/2)² = Δr/(r²+rΔ+(Δr/2)²). Учитывая, что Δr — это бесконечно тонкий слой земли, то можно пренебречь (Δr/2)². Тогда Δr/(r²+rΔ) можно заменить на 1/r-1/r1 (1/r-1/r1 = (r+Δr)/(r(r+Δr))-r/(r(r+Δr)) = Δr/(r²+rΔ)). Теперь формула сопротивления растеканию тока выделенного слоя земли R1 = ρ/2π× (1/r-1/r1).
• Повторив такую же операцию для следующего слоя земли с радиусами r1 и r2, получим R2 = ρ/2π× (1/r1-1/r2).
• Суммарное сопротивление обоих слоев равно сумме сопротивлений R(1-2) = ρ/2π× ((1/r-1/r1)-(1/r1-1/r2)) = ρ/2π× (1/r-1/r2).
• Повторяя и далее послойное определение сопротивлений, в конечном итоге дойдем до rn = ∞, поэтому окончательно получим сопротивление полусферического заземлителя у поверхности земли R = ρ/2πr = ρ/πD.

В грунте и на его поверхности с помощью вольтметра можно экспериментально выявить эквипотенциальные поверхности (φ1 — φn), которые имеют вид концентрических окружностей.

Растекания тока в грунте через одиночный полусферический заземлитель и схема измерения потенциалов на поверхности земли:

В нижней части схемы показан график зависимости потенциала φ на поверхности грунта от расстояния x. Пренебрегая удельным сопротивлением материала заземлителя (металла), потенциал на поверхности земли можно рассчитать по формуле φ = (Iз×ρ)/(2π×x), где Iз — ток замыкания на землю; x — расстояние от места замыкания до исследуемой точки; ρ — удельное сопротивление грунта.

Если принять x = r, то φ = (Iз×ρ)/(2π×r) = Iз×Rз, где Rз — сопротивление растекания тока одиночного заземлителя. Rз = ρ/2πr.

Теоретически потенциал точек на поверхности грунта достигает нуля на бесконечно большом расстоянии. Однако в реальных условиях он достигает нуля уже на расстоянии 20 м от заземлителя.

Приведенные расчеты справедливы для полусферического заземлителя. Для заземлителей других форм выведены свои формулы.

Пренебрегая удельным сопротивлением материала заземлителя (металла) с использованием приведенных формул рассчитаем сопротивление растеканию тока полусферического заземлителя радиусом 0,5 м. Удельное сопротивление возьмем из предыдущего пункта — супесок 300 Ом·м.

Сопротивление растеканию тока полусферического заземлителя радиусом 0,5 м равно:

Rз = ρ/2πr = 300/(2×3,14×0,5) ≈ 96 Ом.

Это значит, что если на заземлитель попадет потенциал фазы, то в зоне растекания произойдет его падение до определенного уровня. Для примера представим, что ток от заземлителя 96 Ом далее по толще грунта пойдет к заземлителю 4 Ом источника питания 230 В. Находим ток короткого замыкания по закону Ома I = U/R. I = 230/(96+4) = 2,3 А. Зная силу тока находим напряжения на каждом сопротивлении. При R = 96 Ом U = I×R = 2,3×96 = 220,8 В. Такое падение напряжения будет при прохождении тока через заземлитель с сопротивлением 96 Ом. На втором заземлителе 4 Ом падение напряжения будет U = 2,3×4 = 9,2 В. Сумма падений напряжений 220,8+9,2 = 230 В. То есть простыми словами ток входит в землю через первый заземлитель и распространяется по зоне растекания. При этом потенциал поверхности земли с удалением от заземлителя постепенно снижается с 230 В до 9,2 В. Последние 9,2 В снижаются до 0 В в зоне растекания второго заземлителя 4 Ом.

Такое распределение напряжения объясняется тем, что линии тока от первого заземлителя расходятся в разные стороны. По мере удаления ток проходит через все возрастающие сечения земли. Иначе говоря, по мере удаления от первого заземлителя плотность тока уменьшается, достигая на некотором расстоянии от него (для одиночной трубы на расстоянии около 20 м) настолько малых значений, что ее можно считать равной нулю.

Вследствие этого на единицу длины пути тока земля оказывает току большее сопротивление вблизи электрода и все меньшее сопротивление по мере удаления от него. Это и приводит к тому, что падение напряжения на единицу пути по мере удаления от электрода уменьшается, достигая нулевого значения на расстоянии больше 20 м. По мере же приближения ко второму заземлителю линии тока сходятся, поэтому увеличиваются сопротивление и падение напряжения на единицу пути тока.

Зона нулевого потенциала (относительная земля) — это

Прежде чем переходить к зоне нулевого потенциала еще раз кратко выделим зону растекания (локальную землю):

• Зона растекания — это огромный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению растекания тока заземлителя.
• Данную зону можно поделить на концентрические слои грунта одинаковой толщины. Каждый слой — это тоже резистор. И по мере удаления от заземлителя сопротивления этих резисторов уменьшаются.
• В конечном счете на определенном удалении от заземлителя мы дойдем до слоя, сопротивление которого будет практически равно 0 Ом. Формально это будет границей зоны растекания.

С учетом всего перечисленного теперь не сложно понять суть определения зоны нулевого потенциала (относительной земли). Это часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю.

Казалось бы все понятно. Однако многие услышав о том, что где то потенциал равен нулю, сразу считают, что на этом участке нет тока. Это ошибка, так как условный нулевой потенциал — это заслуга условно нулевого сопротивления земли. Это тоже самое, как если взять нулевой провод с практически нулевым сопротивлением. Его потенциал относительно земли будет нулевым, хотя часть тока идет к трансформатору. Но стоит добавить ему сопротивление, как сразу же появится разность потенциалов.

Теперь самое время рассмотреть зону нулевого потенциала на конкретном примере в программе Multisim:

Разберем каждый элемент схемы слева направо:

• Трехфазный генератор 230 В — это замена распределительного трансформатора, от которого к потребителям расходятся три фазы и  совмещенный защитный и рабочий нулевой проводник (PEN).
• R1 (4 Ом) — заземлитель нейтрали трансформатора.
• R7 (1 Ом) — имитация сопротивления PEN проводника. Ключ S3 включает это сопротивление. Такое представление сделано для того, чтобы показать, что если PEN имеет сопротивление (а он имеет), то между ним и землей будет разность потенциалов.
• U4 — вольтметр, показывающий разность потенциалов между PEN и землей. Если обратить внимание, то в схеме PEN не имеет сопротивления, но разность потенциалов с землей есть. А все потому, что в данном случае фаза попала на заземлитель R5 (96 Ом).
• R6 (1000 Ом) имитация прикосновения человеком к зануленному корпусу и одновременного контакта с землей.
• R2, R3, R4 — это нагрузка (дома), распределенная по фазам.
• R5 и R8 — заземлители на которые попала фаза (система TT). Ключ S4 применен для удобства переключения между заземлителями с разным сопротивлением растеканию тока.

В приведенной схеме показана ситуация из предыдущего пункта, когда мы рассчитывали сопротивление растеканию тока полусферического заземлителя радиусом 0,5 м. У нас получилось сопротивление 96 Ом. При этом расчетное значение ток замыкания на землю 2,3 А, а падение напряжения в зоне растекания 220,8 В. Практически то же самое показала программа — сила тока на амперметре U1 (2,299 А), и напряжение на вольтметре U6 (220,747 В).

Изменим положение ключа S4 и посмотрим показания амперметра и вольтметра на заземлителе 30 Ом:

Ток замыкания на землю по амперметру U1 (6,765 А). Падение напряжения на в зоне растекания по показаниям вольтметра U6 (202,965 В).

Теперь соединим ключом S2 человека (1000 Ом) с зануленным корпусом (система TNCS):

В этом случае путь протекания тока через заземлитель будет проходить в том числе и через человека. Сила тока, проходящая через него 27 мА.

Последняя ситуация — в цепи отсутствует замыкание на землю, но PEN проводнику дано сопротивление R7 (1 Ом):

Как видно разность потенциалов между землей в этом случае показывает вольтметр U4 (4,077 В).

Приведенные моделирования с индикаторами наглядно иллюстрируют все то, что ранее описывалось. Однако возможно не для всех будут понятны такие схемы. Поэтому постараемся далее все объяснить на более упрощенных схемах:

На первой схеме в доме с системой заземления TT фаза попала на заземлитель через заземленный электроприбор. Сопротивление заземлителя 30 Ом. В зоне растекания произошло падение напряжения с 230 до 27 В. Зоны растекания нарисованы условно. Далее от границы зоны растекания нашего заземлителя до границы зоны растекания заземлителя нейтрали находится зона нулевого потенциала. В самой этой зоне напряжение 27 В. Как такое возможно? Все дело в том, что на данном участке ток проходит через огромные объемы грунта, которые практически не оказывают сопротивления (вспомним правило — чем больше сечение, тем меньше сопротивление). Раз нет сопротивления, нет и падения напряжения. Поэтому разность потенциалов между любыми точками в этой зоне равна нулю. А ток как шел от одного заземлителя, так и будет идти. Конечно, зоны нулевого потенциала по прямой линии между между заземлителями может и не быть, если они расположены не на достаточном удалении. В этом случае падение напряжения от одного заземлителя сразу перейдет в падение напряжения на втором заземлителе. В нашем случае ток после зоны нулевого потенциала попал в зону растекания заземления нейтрали трансформатора. Здесь произошло окончательное падение напряжения с 27 до 0 В.

Следующая схема иллюстрирует опасность соседства на одной линии разных систем заземления. Ток через заземлитель в доме с системой заземления TT уходит в землю. Предположим, что автоматика защитного отключения не сработала. Рядом (возможно не совсем рядом) дом соседа с системой заземления TNCS. Скорее всего он в зоне нулевого потенциала. В этой зоне ток течет и потенциал в любой точке 27 В. Если сосед прикоснется к зануленному корпусу и будет иметь хороший контакт с землей, то в этом случае он фактически выступит в роли повторного заземления нейтрали. Через человека пройдет ток, силу которого нетрудно посчитать. Если допустить, что сопротивление контакта 1000 Ом, то сила тока согласно схемы моделирования 27 мА. Поэтому важно правильно понимать зону нулевого потенциала (относительную землю). В аварийной ситуации при протекании тока от одного заземлителя к другому в данной зоне вне зависимости от напряжения не будет шагового напряжения. Но стоит сделать связь с нейтралью, как параллельная цепь замкнется и по ней потечет ток пропорционально сопротивлению связи.

Завершим тему заземления последним примером. В начале уже упоминалось, что любой провод имеет некоторое сопротивление. И чем он длиннее, тем больше его сопротивление. Добавим условно несколько резисторов по 0,1 Ом, чтобы показать сопротивление нулевого провода (PEN). И так как даже в штатном режиме некоторая часть тока по PEN проводнику возвращается в распределительный трансформатор, то между последним и землей будет разность потенциалов. В наиболее удаленной от заземлителя точке она будет больше, так как сопротивление зависит от длинны провода. Если есть сопротивление, то есть и падение напряжения, которое покажет вольтметр.