Основная рабочая функция заземляющих устройств заключается в обеспечении достаточной для срабатывания релейной защиты проводимости цепи замыкания находящихся под рабочим напряжением частей электроустановки на заземленный корпус или землю.

Поэтому важнейшей электрической характеристикой заземляющего устройства является проводимость заземляющего устройства Gзy или обратная ей величина Rзу — сопротивление заземляющего устройства, равное Rзу = Rз + Rзп, где Rз — сопротивление растеканию тока с заземлителя в землю (сопротивление заземлителя), Rзп — сопротивление заземляющих проводников.

Сопротивление растеканию тока с заземлителя в землю формируется всей зоной растекания тока — объемом земли, начиная от поверхности заземлителя, электрический потенциал φ которого при прохождении тока Iз в землю равен φз, и до зоны, в которой φ практически равен нулю (зона нулевого потенциала).

В соответствии с законом Ома сопротивление заземлителя равняется отношению потенциала узлах в месте ввода тока в заземлитель к току Iз, выходящему из заземлителя в землю Rз = φзмах/Iз

Заметим, что потенциал φзмах численно равен напряжению на заземлителе Uз. Поэтому обычно формулу записывают в виде Rз = Uз/Iз

Электрозащитная функция заземляющего устройства состоит в ограничении до допустимых пределов напряжения, под которое может попасть человек, прикоснувшийся к заземленному корпусу электроустановки (к металлическим конструктивным частям электроустановки, нормально не находящимся под напряжением), во время замыкания фазы на корпус или землю.

Рассмотрим схему замыкания на корпус в электрической сети выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю, рис. 1). Электрическая цепь включает фазу питающего трансформатора, провод линии электропередачи, корпус питаемого трансформатора, его заземляющее устройство, землю, заземляющее устройство питающего трансформатора.

Распределение потенциала φ на поверхности земли в зоне растекания тока соответствует условно принятому положительному направлению для тока Iз, выходящего в землю с заземляющего устройства питаемого трансформатора. Потенциал земли имеет наибольшее положительное значение φмах в точке, лежащей над одним из центральных электродов заземлителя.

Рис. 1. Схема замыкания на корпус в сети напряжением выше 1 кВ с эффективным заземлением нейтрали:

1 — питающий трансформатор; 2 — электроприемник; 3 — заземляющий проводник; 4 — заземлитель; А — В и А’ — В’ — зоны растекания тока; a, b — точки возможного одновременного прикосновения человека к заземленному корпусу и земле; b, b‘ — точки в зоне растекания тока, на которые человек может одновременно наступить

По мере удаления от заземлителя потенциал в земле сравнительно быстро убывает, и на расстоянии, примерно равном 20 большим диагоналям контура заземляющего устройства, он становится меньше 2 % потенциала заземлителя φмах. При таком удалении от заземлителя потенциал обычно считают равным нулю.

Аналогично потенциал изменяется и вблизи заземляющего устройства питающего трансформатора. Однако в связи с принятым направлением тока его потенциал рассматривают как отрицательный.

Имеются две основные опасные ситуации, в которых находящийся в зоне растекания тока человек может попасть под напряжение. Первая ситуация — человек стоит на земле в трансформаторных подстанциях, распределительных и других устройствах и касается металлических заземленных частей электроустановки.

Действительно, абсолютные значения потенциалов точек поверхности земли в зоне растекания тока, в том числе и φмах, всегда меньше, чем у заземленных металлических частей электроустановки, потенциал которых, если пренебречь падением напряжения в горизонтальных электродах сложного заземлителя, равен φзмах.

Поэтому, когда человек стоит в зоне растекания тока, например в точке b (рис. 1), и не прикасается к заземленному корпусу электроустановки, то между корпусом (точка а на рис. 1) и точкой b действует так называемое напряжение до прикосновенияUдп, которое можно рассматривать как напряжение холостого хода активного двухполюсника с некоторым внутренним сопротивлением (рис. 2), численно равным сопротивлению растеканию тока с двух ног человека в землю Rнп.

Рис. 2. К определению Uп: а и b — точки по рисунку 1, к которым прикасается человек рукой (ладонью) и ногой (подошвой)

Если человек, стоя в точке b„ прикасается к точке а, то он попадает под напряжение прикосновения Uп, равное по закону Ома произведению тока Iт, проходящего но его телу, на сопротивление его тела Rт: Uп = Iт х Rт.

Ток Iт равен отношению Uдп к сумме сопротивлений Rт и Rнп: Iт = Uдп/(Rт+Rнп), Uп = (Uдпх Rт)/(Rт + Rнп)

Значение Rт/(Rт + Rнп) обычно обозначают буквой βп. Тогда Uп = Uдп х βп. Заметим, что βп всегда меньше единицы и, следовательно, Uп меньше Uдп.

Вторая опасная ситуация связана с тем, что в зоне растекания тока человек обычно стоит или идет так, что его ноги находятся в точках с различными потенциалами, например в точках b и b‘ на рис. 1. Для характеристики второй опасной ситуации введем понятия напряжений до шага и напряжения шага.

Рис. 3. К определению Uш: b, b‘ — точки по рис. 1., на которых стоит человек.

Напряжение до шага Uдш — разность потенциалов между двумя точками земли в зоне растекания тока, на которые человек может одновременно наступить.

По аналогии с первой опасной ситуацией значение Uдш можно трактовать как напряжение холостого хода активного двухполюсника с некоторым внутренним сопротивлением (рис. 3). Когда человек наступает на точки, между которыми действовало Uдш, в цепь двухполюсника оказывается включенным сопротивление тела человека Rтш по пути «нога — нога».

Внутренним сопротивлением активного двухполюсника в этом случае является сопротивление растеканию тока при шаге Rтш, которое упрощенно можно представить как сумму двух одинаковых сопротивлений растеканию тока в землю с каждой ноги человека.

Напряжение шага определяется следующим образом: Uш = Iт х Rтш.

Понятия напряжений прикосновения и шага относят и к животным. В этом случае под напряжением прикосновения понимают разность потенциалов между носовым зеркалом или шеей и ногами, а под напряжением шага — между передними и задними ногами.

Основными характеристиками, по которым можно установить рабочие и электрозащитные качества заземляющих устройств, являются сопротивление заземлителя (Rз), напряжение прикосновения (Uп) и напряжение шага (Uш), найденные в расчетном сезоне при расчетном значении тока Iз.

Значения Uп и Uш зависят от коэффициентов характера поля тока, выходящего с ног человека в землю, и сопротивления тела человека, являющегося функцией тока, проходящего по его телу и сопротивления Rз. Следовательно, чтобы рассчитать сопротивление заземляющего устройства и напряжения прикосновения и шага, необходимо уметь рассчитывать электрические поля токов, выходящих из заземлителей в землю.