Стекание тока в землю через одиночный заземлитель

Стекание тока в землю сопровождается возникновением на заземли­теле, в земле вокруг заземлителя и на поверхности земли некоторых потенциалов.

Для большего упрощения считаем, что земля во всем своем объ­еме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удельным объемным сопротивлением р, Ом • м.

Пусть мы имеем шаровой заземлитель радиусом г, м, погру­женный в землю на бесконечно большую глубину. Через этот шар в землю стекает ток 1₃, А, который подается к заземлителю с помощью изолированного проводника. Требуется получить уравнение для по­тенциала ф, В, в некоторой точке объема земли А, отстоящей от цен­тра заземлителя на расстоянии х, м, или, иначе говоря, уравнение по­тенциальной кривой.

Поскольку, как нами принято, земля однородна, ток в земле бу­дет растекаться от шара равномерно и симметрично во все стороны (по радиусам шара) и плотность его в земле будет убывать по мере удаления от заземлителя (по мере увеличения сечения слоя земли, через которое проходит ток).

На расстоянии х, м, от центра шара плотность тока δ, А/м², будет:

В объеме земли, где проходит ток, возникает так называемое по­ле растекания тока. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в действительных условиях уже на расстоянии 20 м от заземли­теля сечение слоя земли, через который проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. Следова­тельно, при шаровом заземлителе малого радиуса, поле растекания можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м.

Шаровой заземлитель на поверхности земли. Шаровой за­землитель, заглубленный так, что его центр находится на уровне земли, именуется обыч­но полушаровым за-землителем.

Для такого за­землителя уравнение потенциальной кривой на поверхности земли будет:

Следовательно, потенциал на поверхно­сти земли вокруг полу­шарового заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимально­го значения ср₃ до нуля по мере удаления от за­землителя (рис. 14.1).

Очевидно, что для данного случая (как, впрочем, и для некоторых других одиночных заземлителей — стержневого, и др.) эквипотенци­альные линии на поверхности земли представляют собой концентри­ческие окружности, центром которых является центр заземлителя.

В действительных условиях, когда грунт вокруг заземлителя неоднороден, эквипотенциальные линии могут значительно отличать­ся от окружностей и изменение потенциала при удалении от заземли­теля будет происходить не по гиперболе, а по какой-то иной кривой.

Стекание тока в землю через групповой заземлитель. По условиям безопасности заземление должно обладать сравнительно малым сопротивлением, обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода) или применения нескольких параллельно соединенных между собой элек­тродов, именующихся в совокупности групповым заземлителем.

Элементарный подсчет показывает, что второй путь во много раз экономичнее по затрате металла и другим условиям. Кроме того, при нескольких электродах можно выровнять потенциальную кривую на территории, где они размещаются, что в ряде случаев играет решаю­щую роль в обеспечении безопасности. Поэтому в практике применя­ют, как правило, групповые заземлители.

Распределение потенциала на поверхности земли. При больших расстояниях между электродами группового заземлителя (практически более 40 м) поля растекания токов вокруг них практиче­ски не взаимодействуют, т.е. ток каждого электрода проходит по «сво­ему», отдельному участку земли, в котором токи других заземлителей не проходят. В этом случае вокруг каждого электрода возникают са­мостоятельные потенциальные кривые, взаимно не пересекающиеся (рис. 14.2).

При малых расстояни­ях между электродами груп­пового заземлителя (менее 40 м) поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые электродов взаимно пересекаются и, складываясь, образуют непрерывную сум­марную потенциальную кри­вую группового заземлителя (рис. 14.3).

В результате поверх­ность земли на участках ме­жду электродами приобретает некоторый потенци­ал. При этом форма суммарной потенци­альной кривой зави­сит от расстояния между электродами, их взаимного распо­ложения, числа, фор­мы и размеров.