Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом при повреждении электрической изоляции оборудования, падении на землю оборванного провода и др. В этих случаях ток стекает в землю через электрод, который контактирует с грунтом. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.
Эффекты, не вызванные электричеством. Проводники могут быть повреждены до или во время пожара, кроме электрических средств, и часто эти эффекты отличаются от электрической активности. Поверхностные цвета проводников. Когда изоляция будет повреждена и удалена с медных проводников любыми способами, тепло приведет к окислению от темно-красного до черного на поверхности проводника. Зеленые или синие цвета могут образовываться, когда присутствуют некоторые кислоты. Эти различные цвета не имеют значения при определении причины, потому что они почти всегда являются результатом состояния пожара.
Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток проходит через его ноги.
Напряжение между двумя точками электрической цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжением шага или шаговым напряжением.
Плавление огнем. При воздействии огня медные проводники могут плавиться. Сначала возникает волдыри и искажения поверхности. Страты, созданные на поверхности проводника во время изготовления, стираются. Следующий этап - некоторый поток меди на поверхности с образованием некоторых висячих капель. Дальнейшее плавление может позволить поток с тонкими участками. В этом случае поверхность проводника стремится стать гладкой. Реконструированная медь образует глобулы. Глобулы, вызванные воздействием огня, имеют неправильную форму и размер.
Они часто сужаются и могут быть заострены. Нет четкой линии демаркации между расплавленными и нерасплавленными поверхностями. Многожильные проводники, которые только достигают температур плавления, становятся жесткими. Дальнейшее нагревание может позволить медь проходить между нитями так, что проводник становится твердым с нерегулярной поверхностью, которая может показать, где находятся отдельные нити. Дальнейший нагрев может привести к образованию проточной, истончающей и глобулярной формации, характерной для твердых проводников.
Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяемой размерами, формой заземлителя и электрическими свойствами грунта.
Для выявления закона распределения потенциалов грунта в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток I З стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r 0 погруженный в однородный изотропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).
Чтобы увидеть некоторые из этих эффектов, необходимо увеличение. Многожильные многожильные проводники, которые плавятся при пожарах, могут иметь пряди, слитые вместе проточным металлом, или нити могут быть разбавлены и оставаться раздельными. В некоторых случаях отдельные нити могут отображать шарообразную глобулу, даже если повреждение проводника происходит от плавления.
Алюминиевые проводники расплавляются и реконструируются в нерегулярные формы, которые обычно не имеют значения для интерпретации причины. Из-за относительно низкой температуры плавления можно ожидать, что алюминиевые проводники начнут плавиться почти в любом огне и редко помогут найти причину.
Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r <r 1 <r 2 <...<r n .
Рис. 1 Растекание тока в грунте с полусферического
заземлителя
Поверхности этих сечений соответственно равны:
Ток распределяется по этим поверхностям равномерно, так как грунт однородный и изотропный. Плотность тока d на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоянии x от центра заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I З к площади поверхности полусферы радиусом х:
Если алюминий капает на оголенный медный проводник во время пожара и охлаждается, алюминий будет просто слегка прилипать к меди. Если это пятно дополнительно нагревается огнем, алюминий может проникать через границу оксида и образовывать сплав с медью, которая плавится при более низкой температуре, чем чистый металл. После пожара пятно из алюминиевого сплава может появляться как грубая серая поверхность на поверхности, или это может быть блестящая серебристая область. Медно-алюминиевый сплав является хрупким, и проводник может легко разрушаться, если он согнут в месте сплавления.
Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиусом X. выделим элементарный слой толщиной dx (см. рис. 1). Падение напряжения в этом слое:
dU=Edx , (2)
гдеЕ = dr – напряженность электрического поля.
Потенциал точки А или напряжение этой точки относительно земли равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:
Если расплавленный сплав стекает с проводника во время пожара, там будет яма, покрытая сплавом. Наличие сплавов может быть подтверждено химическим анализом. Алюминиевые проводники, которые плавятся от нагрева огня на терминале, могут привести к легированию и точечной коррозии концевых частей. Нет четкого способа визуального отличия легирования от эффектов перегрева. Цинк легко образует латунный сплав с медью. Он желтоватый по цвету и не такой хрупкий, как алюминиевый сплав.
Механические выступы обычно показывают царапины от всех, что вызывало выемку. Вмятины будут показывать деформацию проводников под вмятинами. Вмятины или вырезки не будут отображаться на плавленых поверхностях, вызванных электрической энергией. Соображения и предостережения. Лабораторные эксперименты, в сочетании со знанием основных химических, физических и электрических наук, указывают на то, что некоторые предшествующие убеждения неверны или правильны только при ограниченных обстоятельствах.
(3)
Подставив в выражение (3) соответствующие значения из выражений (1) и (2), а также значение Е. получим
(4)
Проинтегрировав выражение (4) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки относительно земли, в следующем виде:
В допустимых помехах существует большой коэффициент безопасности. Более высокая рабочая температура ухудшит изоляцию быстрее, но не расплавит ее или не приведет к ее падению и не приведет к возникновению каких-либо дополнительных факторов для создания или сохранения тепла. Наличие низкорослых проводников или переполненная защита не является доказательством пожара.
Никелевые или растянутые проводники. Полагают, что проводники, которые уменьшены в поперечном сечении, будучи зазубренными или выдолбленными, слишком сильно нагреваются у ника. Расчеты и эксперименты показали, что дополнительный нагрев пренебрежимо мал. Кроме того, иногда считается, что тянущие проводники через трубопровод могут растягивать их, как настойки, и уменьшать поперечное сечение до размера, слишком малого для прочности защиты. Медные проводники не растягиваются настолько сильно, что не ломаются в самой слабой точке.
(5)
Так как 
, то (5) принимает вид:
Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).
Независимо от того, какое растяжение может произойти до того, как превысит диапазон пластической деформации, не приведет ни к существенному уменьшению поперечного сечения, ни к чрезмерному нагреву сопротивления. Когда термопластичная изоляция ухудшается с возрастом и нагревом, она становится хрупкой и трескается, если ее изогнуть. Эти трещины не допускают ток утечки, если в трещины не попадают проводящие растворы. Резиновая изоляция ухудшается легче, чем термопластичная изоляция, и теряет большую механическую прочность.
Таким образом, резиновая изолированная лампа или шнуры устройства, которые могут быть перемещены, могут стать опасными из-за разрыва охрупчиваемой изоляции. Однако простое крепление резиновой изоляции, как и термопластичная изоляция, не позволяет протекать ток, если в трещины не попадают проводящие растворы. Предположения варьируются от индуцированных токов из-за того, что скот слишком близко к проводникам, чтобы фактически прорезать изоляцию и касаться проводников. Правильно установленный сетевой скот со сплющенным верхом не может проходить через изоляцию.
Рис. 2 Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя
Потенциал заземлителя радиусом r 0 или напряжение заземлителя относительно земли:
(6)
Заземлитель обладает наибольшим потенциалом. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя. В пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Причина подобного распределения потенциалов кроется в своеобразной форме проводника (земли), сечение которого возрастает пропорционально второй степени радиуса полусферы (рис. 3).
Если скоба согнута, ее край можно пропустить через изоляцию, чтобы контактировать с проводниками. В этом случае произойдет короткое замыкание или замыкание на землю. Это событие должно быть очевидно после пожара согнутыми точками штапеля и пятнами расплава на штапеле или на проводниках, если не будет уничтожено последующим огнем. Короткое замыкание должно приводить к срабатыванию защиты от перегрузки по току и предотвращению дальнейшего повреждения. На контакте не было бы непрерывного нагрева, а короткая прокладка не воспламенила бы изоляцию на проводнике или древесине, к которой он был сшито.
Ток, стекая с заземлителя, растекается по земле, которая оказывает сопротивление протеканию тока. Сопротивление растеканию тока заземлителя определяется, как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до точки с нулевым потенциалом. Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном изотропном грунте, сопротивление растеканию R РАС имеет вид:
Если скобка неправильно установлена, так что одна ножка штапеля проникает в изоляцию и контактирует как с проводником с напряжением, так и с заземленным проводником, то это приведет к короткому замыканию или замыканию на землю. Если скрепление скрепляет проводник под напряжением, в этой точке может быть образовано нагревательное соединение.
Короткое замыкание. Считалось, что короткое замыкание в проводке на ответвительной цепи приводит к воспламенению изоляции на проводниках и позволяет распространению огня. Как правило, быстрая вспышка разделительной дуги до срабатывания защиты цепи не может достаточно теплоизолировать для образования воспламеняющихся паров, даже если температура сердечника дуги может составлять несколько тысяч градусов. Если защита от перегрузки по току будет побеждена или неисправна, короткое замыкание может стать перегрузкой и, таким образом, может стать источником воспламенения.
Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли (грунта) лежащие вблизи заземлителя, так как ток протекает здесь по малому сечению. В этих точках имеют место наибольшие падения напряжения.
Рис. 3 Упрошенная модель проводника земли
По мере удаления от заземлителя сечение проводника (земли) увеличивается и сопротивление растеканию тока уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения. На расстоянии 10¸20 м от заземлителя сечение проводника (земли) становится настолько большим, что земля практически не оказывает сопротивления проходящему току. Таким образом, потенциал точек грунта, находящихся на расстоянии 10¸20 м от одиночного полусферического заземлителя, практически равен нулю.
Бисероплетение. Бусинка на конце проводника сама по себе не указывает на причину пожара. Введение в статическое электричество. Статическое электричество представляет собой электрическую зарядку материалов посредством физического контакта и разделения и различные эффекты, которые возникают в результате положительных и отрицательных электрических зарядов, образующихся в результате этого процесса. Это достигается путем переноса электронов между телами, отбрасывая электроны и становясь положительно заряженными, а другие набирают электроны и становятся противоположными, но одинаково отрицательно заряженными.
Шаговое напряжение определяется, как разность потенциалов между точками, например А и Б (см. рис. 4).
Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние r
, то ее потенциал, исходя из (5) при полусферическом заземлителе получим в виде:
Общие источники статического электричества включают следующее. Пульверизированные материалы, проходящие через лотки или пневматические конвейеры. Пар, воздух или газ, вытекающие из любого отверстия в трубе или шланге, когда пар влажный или поток воздуха или газа содержит твердые частицы.
Непроводящая сила или конвейерные ленты в движении. Непроводящие жидкости, протекающие по трубам или брызги, заливки или падения. Движение слоев одежды друг против друга или контакт обуви с полами и напольными покрытиями при ходьбе. Грозы, которые производят сильные воздушные потоки и разности температур, которые перемещают воду, пыль и кристаллы льда, создают молнию.
Точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a. Потенциал точки Б:
Рис. 4 Возникновение шагового
напряжения
Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю. Пусть расстояние от заземлителя до эквипотенциали, на которой находится человек, равно r , тогда шаговое напряжение равно нулю.
Движения всех видов, которые связаны с изменением относительного положения контактирующих поверхностей, обычно из разнородных жидкостей или твердых веществ. Генерация статического электричества. Генерация статического электричества не может быть предотвращена абсолютно, но это не имеет большого значения, поскольку разработка электрических зарядов сама по себе не может быть потенциальной опасностью возгорания или взрыва. Для воспламенения должен быть разряд или внезапная рекомбинация разделенных положительных и отрицательных зарядов в виде электрической дуги в воспламеняющейся атмосфере.
Значение шагового напряжения зависит от размера шага. Уменьшение его приводит к снижению шагового напряжения. Шаговое напряжение зависит от напряжения заземлителя:
где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.
Коэффициент напряжения шага b Ш зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно заземлителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше b Ш и, следовательно, больше шаговое напряжение. Человек, находящийся вне поля растекания тока (на расстоянии 10–20 м от заземлителя), не попадает под действие шагового напряжения, так как b Ш = 0. Как видно из выражения для определения коэффициента шага, его значение меньше единицы. Таким образом, шаговое напряжение составляет часть напряжения на заземлителе. Полученное выражение для определения b Ш справедливо только для полусферического заземлителя.
Электрические инженеры обычно более комфортно думают о электрических сигналах с точки зрения напряжения, а не тока. Уровни цифровой логики обычно определяются сигнальными напряжениями, а источники питания обычно являются источниками постоянного напряжения. Напряжения в цепи обычно можно измерять с помощью простых датчиков без значительного нагружения схемы.
С другой стороны, течения труднее измерить. Обычно ток измеряется путем пропускания его через небольшое сопротивление и измерения напряжения, падающего на сопротивление. В качестве альтернативы мы измеряем напряжение, индуцированное в петле магнитным полем, сопровождающим ток. Во многих схемах контура указаны максимальные токи, но мало внимания уделяется текущим колебаниям или текущим путям.
Для другой формы заземлителей, а также для заземлителей, состоящих из нескольких электрически соединенных между собой электродов, распределение потенциалов определяется сложными зависимостями. Следовательно, и коэффициент напряжения шага в различных случаях определяется очень сложными выражениями. Для одиночного протяженного заземлителя длиной l >20 м b Ш =0,14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединенных полосой, b Ш = 0,10.
Нахождение человека в поле растекания тока может привести к поражению, если шаговое напряжение U Ш превышает допустимое по условиям электробезопасности значение U ДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой U Ш >U ДОП, называется опасной зоной . Радиус опасной зоны зависит от напряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта.
Рис. 5 Кривые распределения потенциалов
группового заземлителя
Пусть заземлитель состоит из двух полусферических электродов. Картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 5. Поля растекания заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности грунта между электродами имеет значительный потенциал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.
Для снижения шаговых напряжений заземлители располагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга, что приводит к выравниванию потенциалов за счет наложения полей растекания. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 6).
Рис. 6 Заземлитель с выравниванием потенциалов:
вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)
Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как шаговое напряжение U Ш < U ДОП, т. е. опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соединенные с заземлителем (см. рис. 7). При этом спад потенциалов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.
Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем . Одиночные заземлители различаются формой, размерами и способами осуществления контакта с землей.
Распределение потенциалов на поверхности земли (потенциальная кривая) имеет свои особенности для:
шарового заземлителя, находящегосяся в земле на большой глубине;
шарового заземлителя вблизи поверхности земли;
полушарового заземлителя;
стержневого заземлителя;
дискового заземлителя.
Потенциальная кривая заземлителя любой формы на относительно большом от него расстоянии (по сравнению с размерами заземлителя) приближается к потенциальной кривой полушарового заземлителя и описывается уравнением, В (х – расстояние от заземлителя, м):
Важно отметить также и то, что потенциал земли на расстоянии свыше 20 м от заземлителя любой формы, как и в случае полушарового заземлителя, при небольших токах, стекающих с заземлителя, можно считать практически равным нулю .
В. Сопротивление растеканию тока одиночного заземлителя
Сопротивление заземлителя растеканию тока. Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением растекания.
Оно имеет три слагаемых:
сопротивление самого заземлителя;
переходное сопротивление между заземлителем и грунтом (т. е. контактное сопротивление между поверхностью заземлителя и прилегающими к ней частицами земли);
сопротивление грунта.
Два первых слагаемых по сравнению с третьим малы, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.
Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20 м от заземлителя практически равна нулю, можно считать, что сопротивление стекающему току оказывает лишь соответствующий объем земли; для одиночного заземлителя это полусфера радиусом 20 м. Однако при разных формах и размерах заземлителя сопротивление этого объема земли различно.
Поэтому выражения для вычисления сопротивлений растеканию тока одиночных заземлителей различной формы имеют свои особенности:
Сопротивление растеканию тока одиночного шарового заземлителя ;
Сопротивление растеканию тока полушарового заземлителя ;
Сопротивление растеканию тока одиночных заземлителей других типов .
До сих пор, рассматривая явления стекания тока в землю, мы считали, что земля во всем своем объеме однородна , т. е. в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ,Омм. . В действительности земля имеет слоистое строение и реально необходимо определять сопротивления заземлителей растеканию тока в многослойных грунтах .
С. Электрические свойства грунтов
Электрическое сопротивление земли
Земля является плохим проводником электрического тока: проводимость ее в несколько миллиардов раз меньше проводимости металлов.
Грунт представляет собой дисперсное пористое тело, состоящее из трех частей: твердой , жидкой (связаннная вода и свободная вода ) и газообразной (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Схематичная структура грунта
1- твердая часть; 2 - связанная вода;
3 - свободная вода;
4 - газообразная часть (воздух, пары воды)
Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением , т. е. сопротивлением куба грунта с ребром длиной 1 м. Единицей объемного удельного сопротивления является Ом на метр (Ом х м).
Значение земли колеблется в широких пределах: от десятков до тысяч Ом на метр. Оно зависит от многих факторов, в том числе от:
влажности ,
температуры ,
рода грунта ,
степени его уплотненности ,
от времени года .
Измерение удельного сопротивления грунта . При проектировании заземляющего устройства необходимо знать грунта в том месте, где будет сооружаться заземление. Пользоваться для этой цели данными таблиц нельзя, так как в них приводятся ориентировочные значения , которые могут отличаться от истинных в десятки и сотни раз.
Удельное сопротивление однородной земли
Удельное сопротивление однородной земли определяется методом разового (или глубокого) зондирования (иначе этот метод называется методом простого пробного электрода) с помощью контрольного зонда в два этапа. Вначале контрольный зонд - стержневой электрод в виде сплошного стержня или трубы диаметром d =4–5 см с острым наконечником - погружается в землю вертикально до глубины l , м предполагаемого заложения заземлителей так, чтобы верхний его конец возвышался над землей, и замеряется его сопротивление растеканию R изм, Ом.
Затем определяется искомое измеренное удельное сопротивление земли, Ом*м по формуле для расчета стержневого заземлителя :
(2.49)
Для большей точности измерений контрольный зонд погружают в землю не менее чем в трех – четырех местах исследуемой площадки