Шаговое напряжение: определение, расчёт и защита¶

Шаговое напряжение — это напряжение между двумя точками земли (грунта), возникающее на поверхности земли в результате протекания аварийного или рабочего тока через заземлитель электроустановки. Термин описывает эффект «шага»: приближаясь к точке с током, проходящим в грунт, человек рискует оказаться в зоне, где потенциалы под двумя ногами различаются, и через тело замыкается электрическая цепь.

¶Природа явления

Когда ток уходит в землю через заземлитель (например, при коротком замыкании на землю или ударе молнии), он расходится от точки вхождения в грунт радиально во все стороны. Грунт обладает определённым удельным сопротивлением, поэтому по мере удаления от заземлителя потенциал поверхности падает. Разность потенциалов между двумя точками, отстоящими друг от друга на расстояние, равное длине шага человека (принимается 0,8 м), и есть шаговое напряжение.

Если человек стоит обеими ногами на земле рядом с токоведущим заземлителем, между его ногами возникает разность потенциалов. Через ноги, таз и ноги обратно ток проходит по телу, вызывая электротравму. Чем ближе человек к точке вхождения тока в грунт, тем выше напряжение, но при этом растёт и напряжение прикосновения к корпусу оборудования.

¶Факторы, влияющие на величину

На значение шагового напряжения влияют:

• Сила аварийного тока — напряжение пропорционально току, уходящему в грунт.
• Удельное сопротивление грунта — сухой грунт и песок дают высокое сопротивление, мокрая глина — низкое.
• Конфигурация заземлителя — вертикальные стержни, горизонтальные полосы и кольца распределяют потенциал по-разному.
• Глубина залегания и влажность грунта.
• Расстояние между ногами — чем шире шаг, тем больше разность потенциалов.

При замыкании на землю в сетях с глухозаземлённой нейтралью ток КЗ может достигать тысяч ампер, а шаговое напряжение вблизи заземлителя — сотен вольт, что смертельно опасно для человека.

¶Расчёт

Приближённый расчёт для одиночного вертикального заземлителя выполняется по формуле:

Uш = Iз · Rз · (kш / l),

где Iз — ток, уходящий в землю; Rз — сопротивление заземлителя; kш — коэффициент шага (зависит от расстояния до заземлителя и глубины его залегания); l — длина шага.

Коэффициент шага определяется по таблицам и графикам, приведённым в нормативных документах (ПУЭ, ГОСТ 12.1.038). Для сетей напряжением до 1 кВ в зоне заземлителя нормируется допустимое шаговое напряжение, зависящее от времени воздействия тока.

¶Нормирование и безопасные значения

Допустимое шаговое напряжение определяется по кривым электробезопасности, учитывающим сопротивление тела человека, длительность воздействия и условия контакта. Для сетей до 1 кВ с продолжительностью воздействия 0,1–0,15 с (время срабатывания защиты) допустимые значения составляют порядка сотен вольт, для сетей выше 1 кВ — существенно выше, но и аварийные токи там значительно больше.

В нормальных условиях шаговое напряжение не должно превышать безопасного значения на всей территории, доступной персоналу и посторонним. На подстанциях и вблизи заземляющих устройств принимают меры по выравниванию потенциалов.

¶Защита от шагового напряжения

Основные меры:

• Выравнивание потенциалов — укладка на поверхности грунта металлической сетки (металлургический пол), связанной с заземлителем. Сетка создаёт практически равномерный потенциал, устраняя разность между точками.
• Укладка асфальта или бетона поверх заземляющей сетки — слой с высоким удельным сопротивлением снижает ток, проходящий через ноги.
• Использование диэлектрических ковриков и обуви — применяется персоналом при работах вблизи заземлителей.
• Ограждение зон с повышенным шаговым напряжением и предупредительные знаки.
• Установка заземлителей на удалении от мест постоянного нахождения людей.

При перемещении в зоне шагового напряжения рекомендуется идти мелкими шагами, не отрывая ног от земли, или перемещаться «гуськом», поставив одну ногу перед другой без разноса. Это уменьшает расстояние между точками контакта с землёй и снижает напряжение, приложенное к телу.

¶Шаговое напряжение при ударе молнии

При молниевом разряде ток может достигать 200 кА и более, а продолжительность воздействия — микросекунды. Несмотря на кратковременность, шаговое напряжение вблизи точки удара молнии в грунт опасно. Молниезащитные отводы направляют ток в заземлители, расположенные вне зон частого пребывания людей.

¶Учёт при проектировании

При проектировании заземляющих устройств расчёт шагового напряжения обязателен. Нормы ПУЭ (глава 1.8) требуют проверять его на всей площадке подстанции. Для повышения безопасности применяют:

• кольцевые заземлители вокруг подстанций;
• горизонтальные полосы, связывающие отдельные заземлители;
• глубинные заземлители, снижающие потенциал на поверхности.

Проверка фактических значений выполняется измерением сопротивления заземлителя и расчётом распределения потенциалов на плане площадки.

¶Историческая справка

Понятие шагового напряжения введено в нормативные документы по электробезопасности в первой половине XX века по мере развития сетей с глухозаземлённой нейтралью и роста мощностей электроустановок. В советских ПУЭ расчёты шагового напряжения закреплены с 1950-х годов, а требования по выравниванию потенциалов на подстанциях — с 1970-х.

¶Источники

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание, глава 1.8
• ГОСТ 12.1.038-82 «Электробезопасность. Допустимые значения напряжений прикосновения и токов, проходящих через тело человека»
• Основы электробезопасности: учебные пособия для вузов энергетического профиля