Напруга кроку порівняно з напругою дотику в заземлювальній сітці трансформаторної підстанції — чому крок чарунки та верхній шар щебеню мають значення

Гід про традиційну межу напруги дотику UL описує поріг напруги, що використовується всередині установки для оцінювання автоматичного відключення живлення. Ця стаття присвячена пов'язаній, але окремій темі, специфічній для заземлювального пристрою підстанції середньої чи високої напруги (власної трансформаторної підстанції, поширеної, наприклад, на більшому сільськогосподарському, тепличному чи промисловому підключенні): відмінності між напругою дотику та напругою кроку, і чому фізична конструкція заземлювальної сітки підстанції — а не лише її загальне значення опору (див. гід про вимірювання опору заземлення щодо цього окремого вимірювання) — визначає, наскільки насправді безпечний ґрунт навколо неї.

Два різні шляхи струму через тіло за однієї й тієї самої системи заземлення

Коли струм замикання на землю протікає через заземлювальну систему підстанції, він підвищує локальний потенціал навколишньої землі відносно «справжньої», віддаленої землі — і цей підвищений потенціал не падає миттєво до нуля на краю заглибленого електрода; він поступово знижується зі збільшенням відстані. З цього самого градієнта потенціалу виникають дві різні ситуації:

• Напруга дотику: різниця потенціалів між заземленою металевою частиною (наприклад, корпусом трансформатора чи огорожею навколо підстанції) і точкою на ґрунті на відстані, яку людина, що стоїть, може дістати, торкаючись цієї частини — шлях струму проходить приблизно від руки до ніг, через груди.
• Напруга кроку: різниця потенціалів між двома точками на ґрунті, куди потрапляють дві ступні людини під час одного кроку під час ходьби вздовж градієнта потенціалу — при цьому взагалі не потрібно торкатися жодної заземленої металевої частини; шлях струму проходить від ступні до ступні, через ноги.

Обидва явища зумовлені тим самим базовим феноменом (струмом замикання, що підвищує локальний потенціал землі), але оцінюються за різними граничними значеннями в EN 50522, частково тому, що шлях струму від ступні до ступні вважається таким, що створює інший ризик, ніж шлях від руки до ніг за тієї самої напруги.

Чому градієнт найкрутіший поблизу електрода

Потенціал у ґрунті навколо заземлювальної системи спадає не лінійно зі збільшенням відстані; він зменшується найшвидше поблизу електрода і вирівнюється далі від нього. Напруга кроку, виміряна прямо біля краю одного, зосередженого заземлювального стрижня, тому значно вища, ніж напруга кроку, виміряна на тій самій відстані кроку в 1 м, але на кілька метрів далі, навіть якщо обидва кроки покривають однакову фізичну відстань.

Чому заземлювальна сітка підстанції — це сітка, а не єдиний електрод

Саме тому заземлювальна система підстанції зазвичай проєктується як заглиблена горизонтальна сітка взаємопов'язаних провідників, що покриває всю робочу площу (часто в поєднанні з вертикальними заземлювальними стрижнями у стратегічних точках), а не покладається на один чи кілька зосереджених електродів. Сітка навмисно вирівнює градієнт потенціалу на площі, якою людина справді може ходити чи стояти: оскільки заземлювальні провідники розподілені по всій поверхні, а не зосереджені в одній точці, потенціал на цій поверхні залишається порівняно рівномірним, тому і напруга дотику біля будь-якої доступної металевої частини, і напруга кроку в будь-якому місці в межах сітки залишаються в допустимих межах. Крок чарунки зазвичай зменшується поблизу периметра та навколо точок доступу, де людина з найбільшою ймовірністю перебуває в момент виникнення пошкодження.

Верхній шар щебеню (або гравію) як додатковий захід

Шар високоомного матеріалу — зазвичай щебеню чи гравію, з питомим опором порядку тисяч ом-метрів, укладений по всій робочій площі підстанції — додає послідовний опір контакту між ступнями людини та справжньою поверхнею землі. Оскільки струм через тіло за даної напруги кроку чи дотику залежить від загального опору в цьому шляху струму, цей додатковий опір контакту ступень безпосередньо збільшує допустиму (прийнятну) напругу дотику та кроку для цього конкретного місця, не змінюючи електричну поведінку самої заглибленої сітки. Це порівняно недорогий захід, який зазвичай застосовується в поєднанні з — а не замість — правильної конструкції заземлювальної сітки.

Практичне значення

Під час оцінювання наявної площадки підстанції чи специфікації нової потрібні як низький загальний опір заземлення (див. гід про вимірювання опору заземлення), так і конструкція сітки, що обмежує локальну напругу кроку та дотику на доступній площі — технічно низьке значення загального опору саме собою не гарантує, що градієнт потенціалу поблизу периметра сітки чи навколо воріт доступу залишається в безпечних межах; а стан високоомного верхнього шару (товщина, чи був щебінь з часом розмитий чи забруднений ґрунтом) слід перевіряти в рамках тієї самої оцінки, оскільки деградований верхній шар непомітно знижує допустиму напругу, на яку спирався первісний проєкт.

Типові помилки

1. Припущення, що низький загальний опір заземлення автоматично означає, що напруги кроку та дотику навколо підстанції безпечні — загальний опір і локальний градієнт потенціалу на доступній площі є пов'язаними, але різними властивостями однієї й тієї самої заземлювальної системи.
2. Покладання на єдиний, зосереджений заземлювальний електрод для підстанції замість правильно виконаної сітки — зосереджений електрод створює набагато крутіший, небезпечніший градієнт потенціалу поблизу себе, ніж еквівалентна сітка, що покриває ту саму площу.
3. Ставлення до шару щебеню/гравію як до суто косметичного чи для боротьби з бур'янами, без перевірки його стану під час інспекції — деградований чи відсутній верхній шар усуває захід, на який спирався первісний проєкт напруги кроку/дотику.
4. Відсутність зменшення кроку чарунки поблизу периметра та точок доступу, де людина статистично з найбільшою ймовірністю перебуває в момент виникнення пошкодження.

Пов'язані матеріали

• Традиційна межа напруги дотику UL — 50В та 25В
• Вимірювання опору заземлення
• §705 — Тваринницькі приміщення та сільськогосподарські підприємства
• §442 — Тимчасова перенапруга через замикання на землю в мережі високої напруги