Вибрация, явление растекания электрического тока, горение и взрыв

 

 Рис2. Растекание тока  в грунте через полусферический  заземлитель (потенциалы точек грунта в поле растекания изменяются по гиперболическому закону)

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, то есть поле растекания тока можно считать ограниченным объемом сферы радиусом примерно 20 м. В цепи замыкания на землю наибольшим потенциалом обладает заземлитель. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя.

Область поверхности  грунта, потенциал которой равен нулю, называется электротехнической землей (практически она начинается с расстояния х = 10 ... 20 м от заземлителя). Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Сопротивление заземлителя растеканию тока (сопротивление растеканию) может быть определено как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до любой точки с нулевым потенциалом (земли). Таким образом, сопротивление току замыкания на землю оказывает грунт, находящийся в поле растекания. За пределами поля растекания грунт 'представляет собой проводник с бесконечно большим поперечным сечением и не оказывает сопротивления.

Человек, находящийся  в поле растекания заземлителя, оказывается под напряжением, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами. На рис. 3 показано распределение потенциалов в поле растекания одиночного заземлителя. Напряжение шага определяется как разность потенциалов между точками А и Б:

U=φ_А-φ_Б

Так как точка А  удалена от от заземлителя на расстояние х, потенциал её при полусферическом заземлителе        

Точка Б отстоит от заземлителя на х + а,

где а — расстояние шага человека, то есть ее потенциал     

  или  

где β₁ — коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой (для полусферического заземлителя  β₁ = ax/x(x+a) для заземлителей другой формы значения β₁  приведены в справочных таблицах).

Напряжение шага зависит  от сопротивления опорной поверхности  ног 

 

Rн=ρ_S/πx_H ,

где ρ_S — удельное сопротивление поверхностного слоя грунта и x_H=7 см — эквивалентный радиус опорной поверхности ног. Влияние этого сопротивления учитывается коэффициентом

 

,

 то есть Uш=Uβ₁β₂

где Rh — сопротивление тела человека, Ом;

       Rch — полное сопротивление цепи человека, Ом;

       Rоб — сопротивление обуви, Ом,

Опасность представляет и напряжение прикосновения — разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. В этом случае для человека, который стоит на грунте и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса, напряжение прикосновения может бытьопределено из выражения     Uпр=φр-φн

Так как человек касается корпуса, потенциал руки Ф_Р есть потенциал корпуса или напряжение относительно земли:

Ноги человека находятся в точке  А и потенциал ног равен

На рис3 показано несколько  корпусов потребителей (электродвигателей), присоединенных к заземлителю R₃. Потенциалы на поверхности грунта при замыкании на корпус любого потребителя распределяются по кривой I. Потенциалы всех корпусов одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводом, падением напряжения в котором можно пренебречь. Чтобы получить напряжения прикосновения корпуса, нужно из напряжения относительно земли вычесть потенциал точки грунта, на которой стоит человек. Для человека, стоящего над заземлителем, напряжение прикосновения равно нулю, так как потенциалы рук и ног одинаковы и равны потенциалу корпусов. По мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения возрастает и у последнего (третьего) корпуса оно равно напряжению относительно земли, так как человек стоит на земле и потенциал его ног равен нулю. В общем случае напряжение прикосновения есть часть напряжения относительно земли и в поле растекания заземлителей любой конфигурации:

Uпр=Uз α₁

где α₁ — коэффициент напряжения прикосновения (принимается по таблице в зависимости от формы заземлителя). Напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека

Uпр=Uз α₁ α₂ ,  

 где                       

     х_н =7 см.

С некоторым приближением выражение для определения R_н можно использовать и для учета сопротивления пола, на котором стоит человек.

.

 

Рис.3  Распределение  потенциалов в поле растекания одиночного заземлителя:

а,  б — напряжения   шага   и   прикосновения;   в —  растекание тока   в  грунте с  опорной поверхности   ног   человека,   попавшего   под   напряжение шага;

г — то же, под напряжением прикосновения.

 

4.Понятие  про процессы горения и взрыва

 

Правильная  организация противопожарных мероприятий  и тушения пожаров невозможна без понимания сущности химических и физических процессов, которые происходят при горении. Знание этих процессов дает возможность успешно бороться с огнем.

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением. Окислителем в процессе горения может быть кислород, а также хлор, бром и другие вещества.

В большинстве  случаев при пожаре окисление  горючих веществ происходит кислородом воздуха. Этот вид окислителя и принят в дальнейшем изложении. Горение возможно при наличии вещества, способного гореть, кислорода (воздуха) и источника зажигания. При этом необходимо, чтобы горючее вещество и кислород находились в определенных количественных соотношениях, а источник зажигания имел необходимый запас тепловой энергии.

Известно, что  в воздухе содержится около 21% кислорода. Горение большинства веществ становится невозможным, когда содержание кислорода в воздухе понижается до 14—18%, и только некоторые горючие вещества (водород, этилен, ацетилен и др.) могут гореть при содержании кислорода в воздухе до 10% и менее. При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большинства веществ прекращается.

Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию горения. Источником зажигания может быть горящее или накаленное тело, а также электрический разряд, обладающий запасом энергии, достаточным для возникновения горения и др.

Горючие системы подразделяются на однородные и неоднородные. Однородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров с воздухом). Горение таких систем называют кинетическим. Скорость его определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва или детонации. Неоднородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и нераспыленные жидкости).В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает (диффундирует) сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным, так как его скорость определяется главным образом сравнительно медленно протекающим процессом — диффузией.

 

Для возгорания тепло источника зажигания должно быть достаточным для превращения горючих веществ в пары и газы и для нагрева их до температуры самовоспламенения. По соотношению горючего и окислителя различают процессы горения бедных и богатых горючих смесей. Бедные смеси содержат в избытке окислитель и имеют недостаток горючего компонента. Богатые смеси, наоборот, имеют в избытке горючий компонент и в недостатке окислитель.

Возникновение горения связано с обязательным самоускорением реакции в системе. Процесс самоускорения реакции окисления с переходом ее в горение называется самовоспламенением. Самоускорение химической реакции при горении подразделяется на три основных вида: тепловой, цепной и комбинированный — цепочечно-тепловой. По тепловой теории процесс самовоспламенения объясняется активизацией процесса окисления с возрастанием скорости химической реакции. По цепной теории процесс самовоспламенения объясняется разветвлением цепей химической реакции. Практически процессы горения осуществляются преимущественно по комбинированному цепочечно-тепловому механизму.

Сгорание  различают полное и неполное. При  полном сгорании образуются продукты, которые неспособны больше гореть: углекислый газ, сернистый газ, пары воды. Неполное сгорание происходит, когда к зоне горения затруднен доступ кислорода воздуха, в результате чего образуются продукты неполного сгорания: окись углерода, спирты, альдегиды и др.

Ориентировочно  количество воздуха (м³), необходимое для сгорания 1 кг вещества (или 1 м³ газа),

 

V=1.12Q/1000

 

где С— теплота  сгорания, кДж/кг, или кДж/м³.

Теплота сгорания некоторых веществ: бензина — 47000 кДж/кг; древесины воздушно-сухой —14 600 кДж/кг; ацетилена — 54400 кДж/м³; метана — 39 400 кДж/м³; окиси углерода — 12 600 кДж/м³.

По теплоте  сгорания горючего вещества можно определить, какое количество тепла выделяется при его сгорании, температуру  горения, давление при взрыве в замкнутом объеме и другие данные.

Температура горения вещества определяется как теоретическая, так и действительная. Теоретической называется температура горения, до которой нагреваются продукты сгорания, в предположении, что все тепло, выделяющееся при горении, идет на их нагревание.

Теоретическая температура горения

 

                         t=(Q+mcθ)/mc

 

где т — количество продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг вещества; с — теплоемкость продуктов горения, кДж/ (кг -К); 6 — температура воздуха, К; С — теплота сгорания, кДж/кг.

Действительная  температура горения на 30 — 50% ниже теоретической, так как значительная часть тепла, выделяющегося при горении, рассеивается в окружающую среду.

Высокая температура  горения способствует распространению  пожара, при ней большое количество тепла излучается в окружающую среду, и идет интенсивная подготовка горючих веществ к горению. Тушение пожара при высокой температуре горения затрудняется.

При рассмотрении процессов горения следует различать  следующие его виды: вспышка, возгорание, воспламенение, самовоспламенение, самовозгорание, взрыв.

Вспышка — это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. Возгорание — возникновение горения под воздействием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. Возгораемость — способность возгораться (воспламеняться) под воздействием источника зажигания.

Самовозгорание — это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения веществ (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания.

Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Взрывом называется чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) !/ превращение вещества, сопровождающееся выделением энергии и обра- ' зованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Необходимо  понимать различие между процессами возгорания (воспламенения) и самовозгорания (самовоспламенения). Для того чтобы возникло воспламенение, необходимо внести в горючую систему тепловой импульс, имеющий температуру, превышающую температуру самовоспламенения вещества. Возникновение же горения при температурах ниже температуры самовоспламенения относят к процессу самовозгорания (самовоспламенения).

Горение при  этом возникает без внесения источника  зажигания — за счет теплового или микробиологического самовозгорания.

Тепловое  самовозгорание вещества возникает  в результате самонагревания под воздействием скрытого или внешнего источника нагрева. Самовоспламенение возможно только в том случае, если количество тепла, выделяемого в процессе самоокисления, будет превышать отдачу тепла в окружающую среду.

Микробиологическое  самовозгорание возникает в результате самонагревания под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси). Температура самовоспламенения является важной характеристикой горючего вещества.

Температура самовоспламенения — это самая  низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Температуры самовоспламенения некоторых жидкостей, газов и твердых веществ, имеющих применение в машиностроительной промышленности, приведены в табл.6

Помимо температуры  самовоспламенения, горючие вещества характеризуются периодом индукции или временем запаздывания самовоспламенения. Периодом индукции называют промежуток времени,в течение которого происходит саморазогревание до воспламенения. Период индукции для одного и того же горючего вещества неодинаков и находится в зависимости от состава смеси, начальных температуры и давления.