Напряжение шага в сравнении с напряжением прикосновения в заземляющей сетке трансформаторной подстанции — почему шаг ячейки и верхний слой щебня имеют значение

Гид о традиционном пределе напряжения прикосновения UL описывает порог напряжения, используемый внутри установки для оценки автоматического отключения питания. Эта статья посвящена связанной, но отдельной теме, специфичной для заземляющего устройства подстанции среднего или высокого напряжения (собственной трансформаторной подстанции, распространённой, например, на более крупном сельскохозяйственном, тепличном или промышленном подключении): различию между напряжением прикосновения и напряжением шага, и почему физическая конструкция заземляющей сетки подстанции — а не только её общее значение сопротивления (см. гид об измерении сопротивления заземления для этого отдельного измерения) — определяет, насколько на самом деле безопасен грунт вокруг неё.

Два разных пути тока через тело при одной и той же системе заземления

Когда ток замыкания на землю протекает через заземляющую систему подстанции, он повышает локальный потенциал окружающей земли относительно «истинной», удалённой земли — и этот повышенный потенциал не падает мгновенно до нуля на краю заглублённого электрода; он постепенно снижается по мере удаления. Из этого же градиента потенциала возникают две разные ситуации:

• Напряжение прикосновения: разность потенциалов между заземлённой металлической частью (например, корпусом трансформатора или ограждением вокруг подстанции) и точкой на грунте на расстоянии, которое стоящий человек может достать, касаясь этой части — путь тока проходит примерно от руки к ногам, через грудь.
• Напряжение шага: разность потенциалов между двумя точками на грунте, куда попадают две стопы человека во время одного шага при ходьбе по градиенту потенциала — при этом вообще не нужно касаться никакой заземлённой металлической части; путь тока проходит от стопы к стопе, через ноги.

Оба явления обусловлены одним и тем же лежащим в основе феноменом (током замыкания, повышающим локальный потенциал земли), но оцениваются по разным предельным значениям в EN 50522, отчасти потому, что путь тока от стопы к стопе считается создающим иной риск, чем путь от руки к ногам при том же напряжении.

Почему градиент наиболее крут вблизи электрода

Потенциал в грунте вокруг заземляющей системы падает не линейно с расстоянием; он уменьшается быстрее всего вблизи электрода и выравнивается дальше от него. Напряжение шага, измеренное прямо у края одного, сосредоточенного заземляющего стержня, поэтому значительно выше, чем напряжение шага, измеренное на том же расстоянии шага в 1 м, но на несколько метров дальше, даже если оба шага покрывают одно и то же физическое расстояние.

Почему заземляющая сетка подстанции — это сетка, а не единый электрод

Именно поэтому заземляющая система подстанции обычно проектируется как заглублённая горизонтальная сетка взаимосвязанных проводников, покрывающая всю рабочую площадь (часто в сочетании с вертикальными заземляющими стержнями в стратегических точках), а не полагается на один или несколько сосредоточенных электродов. Сетка намеренно выравнивает градиент потенциала на площади, по которой человек действительно может ходить или стоять: поскольку заземляющие проводники распределены по всей поверхности, а не сосредоточены в одной точке, потенциал на этой поверхности остаётся сравнительно равномерным, так что и напряжение прикосновения у любой доступной металлической части, и напряжение шага в любом месте в пределах сетки остаются в допустимых пределах. Шаг ячейки обычно уменьшается вблизи периметра и вокруг точек доступа, где человек с наибольшей вероятностью находится в момент возникновения повреждения.

Верхний слой щебня (или гравия) как дополнительная мера

Слой высокоомного материала — обычно щебня или гравия, с удельным сопротивлением порядка тысяч ом-метров, уложенный по всей рабочей площади подстанции — добавляет последовательное сопротивление контакту между стопами человека и истинной поверхностью земли. Поскольку ток через тело при данном напряжении шага или прикосновения зависит от общего сопротивления в этом пути тока, это дополнительное сопротивление контакта стоп напрямую увеличивает допустимое (переносимое) напряжение прикосновения и шага для этого конкретного места, не изменяя электрическое поведение самой заглублённой сетки. Это сравнительно недорогая мера, обычно применяемая в сочетании с — а не вместо — правильной конструкции заземляющей сетки.

Практическое значение

При оценке существующей площадки подстанции или спецификации новой требуются как низкое общее сопротивление заземления (см. гид об измерении сопротивления заземления), так и конструкция сетки, которая ограничивает локальное напряжение шага и прикосновения на доступной площади — технически низкое значение общего сопротивления само по себе не гарантирует, что градиент потенциала вблизи периметра сетки или вокруг ворот доступа остаётся в безопасных пределах; а состояние высокоомного верхнего слоя (толщина, был ли щебень со временем размыт или загрязнён грунтом) должно проверяться в рамках той же оценки, поскольку деградировавший верхний слой незаметно снижает допустимое напряжение, на которое опирался первоначальный проект.

Частые ошибки

1. Предположение, что низкое общее сопротивление заземления автоматически означает, что напряжения шага и прикосновения вокруг подстанции безопасны — общее сопротивление и локальный градиент потенциала на доступной площади являются связанными, но различными свойствами одной и той же заземляющей системы.
2. Опора на единственный, сосредоточенный заземляющий электрод для подстанции вместо правильно выполненной сетки — сосредоточенный электрод создаёт гораздо более крутой, опасный градиент потенциала вблизи себя, чем эквивалентная сетка, покрывающая ту же площадь.
3. Отношение к слою щебня/гравия как к чисто косметическому или для борьбы с сорняками, без проверки его состояния при инспекции — деградировавший или отсутствующий верхний слой устраняет меру, на которую опирался первоначальный проект напряжения шага/прикосновения.
4. Отсутствие уменьшения шага ячейки вблизи периметра и точек доступа, где человек статистически с наибольшей вероятностью находится в момент возникновения повреждения.

Связанные материалы

• Традиционный предел напряжения прикосновения UL — 50В и 25В
• Измерение сопротивления заземления
• §705 — Животноводческие помещения и сельскохозяйственные предприятия
• §442 — Временное перенапряжение из-за замыкания на землю в сети высокого напряжения