Разновидности аварийных режимов, приводящих к пожару

Электрооборудование может способствовать возникновению пожара в двух случаях - при работе в обычном режиме, за счет теплового воздействия на окружающие горючие предметы (например, в случае загорания шторы от электрического прибора), либо в результате возникновения того или иного аварийного электрического режима. Хотя бывают и более редкие случаи (например, наведенный заряд, искрение в оборудовании и др.).

В настоящее время принято считать, что пожарную опасность представляет любая электрическая цепь, в которой в течение определенного времени выделяется в виде теплоты мощность более 12-15 Вт.

Возгорание электропроводки может быть вызвано разными причинами, например:

- разрушение проводника, изоляции проводника;

- разрушение электропроводки грызунами;

- ухудшение свойств изоляции за счет естественного старения;

- непрофессиональный монтаж;

- искрение в местах плохого контакта проводников;

- горение электрической дуги вследствие короткого замыкания.

Существуют разные классификации электрических аварийных режимов, которые приводят к пожару и иногда путают причины и следствия.

Обычно при решении вопроса о технической причине пожара в судебной пожарно-технической экспертизе анализируется причастность следующих аварийных режимов:

- короткое замыкание;

- перегрузки;

- большое переходное сопротивление.

Все вместе эти процессы еще с середины 50-х годов прошлого века в литературе по пожарной профилактике и пожарно-технической экспертизе принято называть «тепловым проявлением электрического тока». Этот термин не очень удачен с точки зрения норм русского языка, хотя, нужно признать, что во всех таких случаях загорание действительно происходит за счет тепловых процессов - нагрева горючих материалов (быстрого и интенсивного или более медленного) при прохождении тока или при электрическом разряде.

Например, простейшая электрическая схема, собранная из подручных материалов и имеющая источник переменного тока (220 В), одножильные проводники сечением 0,5 мм², которые питают лампу накаливания, параллельно которой подсоединена электррозетка. Вместо стандартного плавкого предохранителя, выполнен так называемый «жучок». Формирование тепловыделения в пожароопасных размерах может происходить по нескольким вариантам:[7]

Во - первых. Тепловыделение может возникнуть в «штатной» цепи. При включении лампочки мощностью 60 Вт по проводам будет протекать ток около 0,3 А, что вполне допустимо для проводов указанного сечения; при таком токе они практически не нагреваются. Однако, например, при включении в розетку оборудования мощностью 8 кВт, ток в цепи возрастет до 36 А, т.е. в 120 раз, а тепловыделение, которое согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату тока – в 14 тыс. раз. Таким образом, при допустимом длительном токе 11 А кратность перегрузки составит 36/11=3,3, что вполне может привести к загоранию провода.

Во - вторых. Еще сильнее и быстрее будут нагреваться локальные зоны, где электрическая цепь, имеет повышенное электросопротивление. К таким зонам относятся места частичного излома проводов (сечение провода здесь меньше, чем по остальной его длине), зоны, где имеются скрутки, плохо закрученные или припаянные контакты и др., т.е. в местах «больших переходных сопротивлений» (БПС). Впрочем, нагрев в зонах БПС, а так же сопутствующее «плохому контакту» искрение могут происходить и приводить к пожару без перегрузки.

В - третьих. Тепловыделение может возникнуть и во «внештатной цепи», которую могут образовать токи утечки. В случаях, когда изоляция у проводов старая, потрескавшаяся, а эксплуатируются они в условиях повышенной влажности и агрессивной среды, при наличии грязи, пыли на поверхности проводов, может возникнуть утечка тока с фазного на нулевой провод или на землю. Токи эти по началу незначительны, но тепловыделение, тем не менее, происходит, и процесс, в конечном счете, приобретает лавинообразный характер – по мере нагрева и карбонизации изоляции проводов или других органических изоляционных материалов, ток нарастает, возникает так называемое «неполное» (неметаллическое) короткое замыкание, которое может перейти и в короткое замыкание «полное». С точки зрения пожарной опасности неполное КЗ представляет большую опасность, по скольку на него хуже реагируют аппараты защиты.

В - четвертых. С меньшей вероятностью, чем указанные выше режимы, в рассматриваемой цепи может произойти и так называемое «полное» (металлическое) короткое замыкание. Оно может возникнуть при соприкосновении оголенных участков проводов, контактов (т.е. замыкании металла на металл) либо непосредственно, либо через другой металлический предмет (точнее, предмет с крайне малым электросопротивлением). Может полное короткое замыкание возникнуть и как конечное следствие перечисленных выше аварийных режимов[8]

С физической точки зрения, источниками загорания, проявляющимися при описанных аварийных электрических режимах, являются:

а) сильное тепловыделение при прохождении тока. Это может происходить по причине несоответствия величины протекающего тока и сечения проводника – либо за счет того, что ток слишком велик для данного штатного проводника (перегрузка) или микроканала, по которому проходит ток утечки (нагрев при не полном коротком замыкании), либо за счет того, что электрическое сопротивление в локальной зоне слишком большое (БПС).

Если тепловыделение при прохождении электрического тока превышает теплоотвод в окружающую среду, провод или иной элемент электрической цепи нагревается, это ведет к термическому разложению изоляции или иных примыкающих к зоне нагрева органических материалов и, в конечном счете, может привести к их загоранию.

б) искры, возникающие при больших переходных сопротивлениях, а так же работе коммутационных устройств другого искрящего «электрооборудования»;

в) макродуги, возникающие при коротком замыкании;

г) раскаленные частицы и капли расплавленного металла, образующиеся при коротком замыкании.[9]

При анализе версий обычно учитывают, что источники зажигания как правило проявляют себя не поодиночке, а в комплексе. И при коротком замыкании, и при перегрузке, и больших переходных сопротивлениях часто имеет место сочетания последовательно или параллельно протекающих физических процессов и в каждом из них в ходе развития может проявиться несколько указанных факторов:

- при металлическом коротком замыкании – электрическая дуга с присущими «опасными факторами», но, плюс к этому, может проявиться и перегрузка за счет прохождения по электрической цепи тока короткого замыкания;

- при неметаллическом коротком замыкании – утечка тока, нагрев изоляции, и ее карбонизация, разложение (если она представляет собой органический материал), но, в конечном счете, дело может закончиться пробоем и электрической дугой, опять же, с присущими ей «опасными факторами» и характерными следами (дуговыми оплавлениями);

- при перегрузке – нагрев проводников на протяженном участке и более сильный – в локальных зонах БПС. Если последние присутствую в электрической цепи, то горение при перегрузке, скорее всего, возникнет в зоне их нахождения, если там имеются соответствующие горючие материалы. Если нет, то изоляция перегруженного провода может загореться в любом другом месте. Закончиться же все может, как и в предыдущих случаях, электрической дугой и дуговыми оплавлениями;

- при БПС – возникает сочетание локального нагрева с микродуговыми процессами.[10]

Короткие замыкания

Коротким замыканием принято называть замыкания электрических проводников, которые подключены к разным фазам, имеют разные потенциалы, полярность и нарушают нормальную работу. Первый случай (разные фазы) относится к многофазным переменным токам, второй – к замыканию на землю, третий - к электропитанию постоянным током.[11]

В зависимости от значения переходного сопротивления в месте замыкания КЗ разделяют на металлические (глухие, полные) и неметаллические (неполные). При металлическом коротком замыкании сопротивление близко к нулю, мало на столько что им можно пренебречь. При неметаллическом коротком замыкании в зоне контакта имеется определенное сопротивление, обусловленное наличием окисной пленки, обугленной изоляции и др.

Неметаллические короткие замыкания происходят гораздо чаще, нежели металлические и могут приводить к пожарам даже в условиях правильно выбранной защиты, т.к. сопротивление в пятне контакта ограничивает рост тока. С точки зрения пожарной опасности, из всех параметров, характеризующих короткое замыкание, наиболее важны именно сопротивления в зоне замыкания, длительность короткого замыкания и кратность тока короткого замыкания. Параметры эти взаимосвязаны – величина сопротивления определяет значение тока КЗ и его длительность и в итоге, сам механизм зажигания изоляции проводников.[12]

Металлические (они же – глухие, полные) короткие замыкания происходят при обрыве и захлесте неизолированных проводов находящихся под напряжением, при набрасывании на такие провода посторонних металлических предметов. Иногда такого рода короткие замыкания возникают при проведении ремонтных работ на электрооборудовании, находящемся под напряжением или, если оборудование было обесточено. После завершения таких работ и подачи на него напряжения.[13]

Металлические короткие замыкания могут возникать при различного рода авариях, происходящих с электрифицированным оборудованием. Например, при авариях автомобилей, поломках технологического оборудования, обрушения конструкций здания.

Иногда к возникновению металлического КЗ и последующего пожара приводит редкое стечение обстоятельств. Частой причиной возникновения КЗ является перенапряжение грозового характера, которое наводится на провода высоковольтных воздушных линий при грозе. Значение таких перенапряжений может достигать десятков – сотен киловольт, что создает достаточный потенциал для пробоя изоляции и КЗ. На внутренних проводах сетей 380/220В перенапряжение может достигать 2-3кВ.[14]

Неметаллические КЗ чаще всего возникают из-за нарушения изоляции токоведущих проводников электроустановок, утраты изоляцией своих электроизолирующих свойств.

Замыкание на землю может происходить непосредственно на нее (например, при обрыве проводов) или через заземленные электропроводные предметы – систему отопления, металлоконструкции, водосточные трубы и т.д. Особую опасность такие замыкания представляют в случае, если образовавшийся контур заземления имеет большую протяженность и находится в зоне расположения легковоспламеняющихся материалов (склады, сельхозпомещения, нефтехранилища и т.д.). Как и при неметаллическом коротком замыкании, ток в такой цепи обычно ограничен и не происходит срабатывание электрозащиты.

Режим короткого замыкания, характеризуется многофакторной пожарной опасностью. При нем может иметь место возникновение источников зажигания сразу нескольких типов:

- электрической дуги и электрических искр;

- брызг (частиц) расплавленного дугой короткого замыкания металла;

- разогретых в результате прохождения токов короткого замыкания токопроводящих жил и других элементов электросети.

С физической точки зрения процесс возникновения короткого замыкания и проявления указанных опасных факторов может быть представлен следующим образом. За счет теплоты, выделяемой в месте контакта, происходит мгновенный разогрев некоторой локальной зоны проводников, непосредственно примыкающей к точке касания. Металл в этой точке плавится и испаряется. При определенной силе тока бурное вскипание металла приводит к образованию и разбрызгиванию раскаленных частиц. Алюминиевые частицы при этом загораются. В результате расплавления сечение проводников в зоне контакта уменьшается, что приводит к еще большему разогреву в зоне короткого замыкания. В конечном счете, оплавление проводников приводит к разрыву в цепи, при этом за счет энергии электромагнитного поля происходит повышение напряжения на концах оплавленных проводников, пробой газовой фазы и возникновение искрового разряда. Это способствует еще большему оплавлению металла проводников, вызывает пиролиз изоляции и, при определенной длительности существования тока короткого замыкания, ее зажигание. Отметим также возможность стекания расплавленной горящей изоляции на склонные к тлению материалы и инициирование процесса их тления с последующим переходом в пламенное горение.[15]

При коротком замыкании в цепях, где возможно протекание достаточно больших токов (электросеть 220,380 и более вольт, бортовая сеть автомобиля с хорошо заряженным аккумулятором и т.д.) сам дуговой разряд и возникающая при этом электрическая дуга являются основным пожароопасным фактором (источником зажигания). Температура дуги, которая, по сути, являет собой плазму, может достигать порядка нескольких тысяч градусов, хотя более конкретные цифры указать трудно, разброс в различных источниках довольно велик. Обычно указывают диапазон от 1500-2000 до 4000 ^оС.

При описании явлений, происходящих при коротком замыкании, обычно упоминают не только о возникающей при этом электрической дуге, но и об электрических искрах. Определение «искра» допускает двойное толкование, потому что этот термин может относиться или к электрической дуге малой длительности, когда происходит электрический разряд через воздух или другой изолятор, или к крошечному фрагменту горящего или тлеющего твердого материала, двигающемуся в воздухе. При коротком замыкании под электрическими искрами следует понимать электрические разряды в газовой среде. По сути, электрическая искра ничем не отличается от электрической дуги, кроме времени существования. Дуга в качестве разряда существует какое-то время, тогда как электрическая «искра» практически мгновенна.[16]

Рассматривая электрическую дугу и электрические искры как явление одной природы, следует, иметь в виду их различные физические параметры и, как следствие, различную зажигательную способность. Чем дольше длиться электрический разряд, тем больше времени для нагревания окружающей среды и для передачи тепла горючему веществу (материалу). Энергия дуги – искры колеблется в пределах от миллиджоулей до миллионов джоулей. Так как время существования дуги находится в пределах от микросекунд до сотен секунд, диапазон величины выделяемой мощности (количество тепла) может быть очень широк. Способность газовых электрических разрядов к зажиганию горючих веществ и материалов сильно зависит от продолжительности существования дуги, силы тока, а также физико-химических и пожароопасных свойств самого материала.

Возникающая при коротком замыкании электрическая дуга способна расплавить алюминиевые и медные провода, латунные контакты, оплавить стальные детали. При этом образуются разлетающиеся в разные стороны частицы (точнее – капли, брызги) расплавленного металла. Горящие алюминиевые частицы, образующиеся при коротком замыкании проводов, значительно опаснее медных частиц. Один грамм алюминия при сгорании выделяет 32,2 кДж теплоты, что в 11 раз больше, чем при сгорании одного грамма меди. Кроме того, медь в воздухе при атмосферном давлении не горит даже при высоких температурах.[17]

Известно, что причиной образования и разброса частиц металлов при коротком замыкании является электрический взрыв жидкой перемычки проводниковых материалов (расплавленного металла), возникающей в зоне короткого замыкания. Взрывообразное разрушение перемычки приводит образованию ударной волны, разбрызгивающей жидкий металл, после чего возникающий дуговой разряд с температурой в зоне канала дуги около 30006000 К вызывает газодинамический удар, который и сообщает ускорение частицам металла.[18]

Алюминиевые и медные частицы, образующиеся в зоне короткого замыкания, обладают значительной полидисперсностью (от нескольких мкм до 3 мм). Согласно экспериментальным данным, относительная масса частиц практически не зависит от сечения и материала проводников, напряжения (в пределах до 1000 В), рода и силы тока и составляет 81-86% от расплавленного при коротком замыкании металла. Пары и окислы составляют 14-19%. Отмечается, что примерно такое же соотношение наблюдается при сварочных процессах.[19]

При коротком замыкании в электрической сети устанавливается определенный ток, величина которого зависит от следующих факторов:

- мощности источника тока (чем больше мощность, тем больше ток короткого замыкания);

- удаленности источника питания от места короткого замыкания, т.е. величины полного сопротивления элементов цепи, включенных между источником тока и точкой короткого замыкания;

- видом короткого замыкания (при однофазном КЗ ток будет меньше, чем при трехфазном);

- временем между возникновением короткого замыкания и отключением тока аппаратами защиты.

При возникновении короткого замыкания, пока не сработала защита по всему проводу (кабелю) идет ток КЗ, многократно превышающий номинальный это может привести к загоранию изоляции проводов и других горячих материалов, находящихся в контакте с раскалѐнным проводником тока. Следует отметить, что зажигание изоляции вполне может произойти и вне непосредственной зоны короткого замыкания. Наиболее сильный нагрев при прохождении сверх тока КЗ происходит в «слабых» местах электрической цепи, где имеется излом или истончение жилы, плохой контакт и т.д. И именно там и может возникнуть горение, появиться вторичный очаг (очаги).[20]

Может обуглиться и загореться изоляция проводника и на участках, лишенных дефектов. В первую очередь, в зонах ухудшенного теплоотвода с поверхности провода.

Стекание и расплавление изоляции, зажигание материалов, склонных к самоподдерживающемуся тлению. Данное явление проявляется как самостоятельный фактор, обуславливающий возникновение горения, достаточно редко. Но оно может дополнять пожароопасное действие других, перечисленных выше факторов.

Стекающая горящая изоляция может создавать дополнительные очаги горения. Расплавленные полимеры обладают, как известно, высокой теплоемкостью и адгезией, что облегчает им прогрев материалов, на которые они попадают, и инициирование загорания таких материалов (легкогорючих, склонных к тлению). В меньшей степени это относится к наиболее распространенной – поливинилхлоридной – изоляции, в большей степени – к изоляции проводов и отдельным деталям из полиэтилена, капрона, полиэтилентерефталата, полиметилметакрилата и др.[21]

Неметаллические короткие замыкания обычно возникают в результате нарушения изоляции токоведущих частей электроустановок, утраты изоляцией своих электроизолирующих свойств. В первую очередь это касается изоляции проводов и кабелей. Следует отметить, что оболочки проводов и кабелей теряют свои электроизоляционные свойства в результате старения полимерного материала, его растрескивания. Интенсифицируют разрушительные процессы воздействия влаги и агрессивных сред.

Влага попадает в трещины, растворенные в ней соли образуют электролит, создаются токопроводящие мостики, приводящие к утечке тока. Если провод проложен снаружи помещения, то разрушительное действие влаги усиливается перепадом температур, когда вода в трещинках периодически замерзает и разрушает полимер.

Агрессивные среды, выводящие из строя изоляцию проводов и кабелей, других электротехнических изделий существует не только на химических производствах, но и, например, на сельскохозяйственных животноводческих фермах, где в воздухе присутствует высокое содержание органических кислот, сероводорода и аммиака.

Нагрев изоляции (как внешний, так и вследствие перегрузок) значительно ускоряет процессы ее разрушения. Существует даже понятие теплового старения изоляции. Изоляция провода который эксплуатировался в течение нескольких месяцев, а то и недель, при температуре, превышающей нормативную, может получить повреждения, эквивалентные разрушениям, получаемым при эксплуатации в нормальных условиях в течение многих лет. Так, например, в литературе отмечают, что срок службы изоляции в электродвигателях при нагреве до 100 ⁰С составляет 10-15 лет, а при 150 ⁰С он сокращается до 1,5-2 месяцев.

Перегрузки по току и напряжению приводят, в конечном счете, к разрушению изоляции и возникновению короткого замыкания. Перегрузка не всегда бывает столь велика, чтобы сразу вызвать загорание изоляции. Однако и незначительные по величине, но частые и продолжительные перегрузки также представляют опасность. Процесс разрушения изоляции при незначительных перегрузках протекает постепенно. Изоляция теряет эластичность, трескается.

Наличие грязи, пыли, влаги на поверхности изолятора может приводить к утечке тока по его поверхности. При этом неметаллическое короткое замыкание может возникнуть по механизму, рассмотренному ниже.

Механические повреждения изоляции также являются негативным фактором, способным ухудшить ее диэлектрические свойства. Повреждения возникают вследствие небрежного монтажа – избыточного растяжения проводов, перегибов, протаскивания через отверстия в перегородках. Когда, например, провода прокладывают в трубах и металлорукавах, их, с одной стороны, защищают от внешнего механического воздействия в дальнейшем, а, с другой – протаскивая провод через трубу, часто нещадно царапают, обдирают изоляцию, создавая «точки роста» будущих дефектов. Аналогичная ситуация бывает с прокладкой проводов при установке сигнализации на автомобилях.

Недаром они часто замыкают на корпусе автомобиля по месту прохождения через различные отверстия.

Дополнительный риск механических повреждений возникает при вибрации, когда провод не защищен от трения об острые углы металлоконструкций и изделий. Все перечисленные факторы приводят к возникновению токов утечки, нагреву полимерного материала в канале прохождения тока, его карбонизации. Уголь, как известно, имеет на порядки меньшее электросопротивление, чем исходный полимерный материал, причем его электросопротивление последовательно снижается с ростом температуры и длительности нагрева. Со снижением электросопротивления увеличивается ток утечки, процесс разрастается лавинообразно. По сути, это уже неметаллическое (через угольный слой) короткое замыкание. Загореться может сам разогревающийся полимерный материал, может, в конечном счете, возникнуть и электрическая дуга.[22]

Прочие ситуации возникновения неметаллического короткого замыкания. К ним могут быть отнесены ситуации, когда находящиеся под напряжением шинопроводы между шинами попадают грызуны, тараканы замыкают контакты в сложной бытовой технике и т.д. Замыкать собою электрооборудование могут улитки, слизняки, птицы. Специалисты, ремонтирующие стиральные машины, холодильники, телевизоры, электроплиты, микроволновые печи могут подтвердить, что выход из строя электронных блоков такой техники достаточно связан с проникновением туда тараканов и прочей подобной живности. Иногда возникшая аварийная ситуация развивается дальше вплоть до возникновения пожара – подобные случаи хорошо известны из экспертной практики. Мыши, крысы любят грызть провода, создавая условия для возникновения утечек тока, неметаллического (а иногда и металлического) короткого замыкания. В отдельных случаях тем же отличаются домашние животные (кошки, собаки).[23]

Резкое уменьшение электрического сопротивления диэлектрика и увеличение силы тока, проходящего через него, когда напряженность электрического поля достигает критической величины, называемой электрической прочностью диэлектрика, принято называть электрическим пробоем. При пробое образуется токовый канал (так называемый «шнур»), в котором диэлектрическое сопротивление меньше, чем в окружающем веществе. И весь пробойный ток течет по этому шнуру или шнурам.

Пробой диэлектрика может случаться по двум механизмам – тепловому и электрическому. Пробой по тепловому механизму случается при нагреве диэлектрика, когда тепловыделение (теплоприход) выше теплоотвода и температура диэлектрика быстро возрастает, но еще быстрее повышается его удельная электропроводность. По такому механизму часто происходит пробой стекла лопатки лампы накаливания, если она, находясь во включенном состоянии, еще дополнительно нагревается внешним теплом пожара.

Пробой по электрическому механизму происходит под действием сильного электрического поля. Различают:

- электрический пробой через изолятор (твердый диэлектрик);

- пробой через воздушный промежуток;

- пробой по поверхности изолятора (поверхностный пробой). Электрическому пробою часто подвержены высоковольтные блоки телевизоров и другой электронной техники. Пробои происходят в результате накопления пыли внутри аппарата, а также за счет изменения в процессе эксплуатации диэлектрических свойств изоляционных материалов.

Быстрее всего утрачивают изоляционные свойства поверхности диэлектриков. Они увлажняются, покрываются пылью и, в том числе, солевыми отложениями. Тонкая пленка влаги, представляющей собой за счет растворенных солей слабый электролит, обеспечивает возникновение утечек электричества, искрение, возникновение и разрастание углеродистых электропроводных мостиков и прочих пожароопасных явлений. Подобное явление можно наблюдать, включая весной перезимовавший на даче телевизор, не дав ему просохнуть. Зимой в городах часто случаются короткие замыкания в контактной сети троллейбусов, когда на провода попадает солевой состав, который посыпают на улицах для таяния снега.[24]

 

 

Перегрузка по току

Перегрузка по току - аварийный режим, при котором в проводниках электросетей, машин и аппаратов возникают токи, длительно превышающие величины, допускаемые нормами. Различают перегрузки нормальные и аварийные. Первые имеют место при нормальных условиях эксплуатации, обычно кратковременны и потому, в общем-то, пожаробезопасны. Такие перегрузки возникают, в частности, при пуске электродвигателей. Аварийные перегрузки могут быть следствием:

- неправильного расчета сечения проводников при проектировании;

- подключения к сети дополнительных нагрузок.

В первом случае негативные следствия перегрузки проявятся достаточно быстро уже на начальном этапе эксплуатации электрической сети или отдельной установки. Во втором случае – когда угодно после подключения нагрузок, мощность которых такова, что обеспечивает прохождение по проводнику тока, на который он не рассчитан. Опасность перегрузки заключается в повышенном (по сравнению с нормой) нагреве проводников.

Увеличение тока в два раза приводит к увеличению тепловыделения в четыре раза, при трехкратном увеличении тока – в девять раз и т.д. разогрев изоляции выше нормы создает массу неприятностей, каждая из которых в той или иной степени повышает пожарную опасность электрической цепи.

Даже небольшие, но длительные перегрузки по току, не приводящие к перегреву проводов до температур самовоспламенения изоляции, вредны для изоляции проводов. Чем выше нагрев, тем быстрее изоляция стареет, теряет эластичность, механическую прочность, трескается с образованием микротрещин, при этом возникают токи утечки и прочие опасные явления. Известно, так называемое «восьмиградусное правило», согласно которому длительное повышение температур проводника сверх допустимого на каждые восемь градусов приводит к ускорению износа его изоляции вдвое. Старение изоляции – следствие не только указанных выше физических процессов, но и химических превращений. Полимер, из которого сделана изоляция, может подвергаться термическому разложению с соответствующими последствиями (вплоть до возникновения короткого замыкания) при температурах значительно более низких, нежели температуры воспламенения и самовоспламенения. Так, например, поливинилхлорид – самый распространенный материал изоляции проводов – подвергается дегидрохлорированию (реакции термического разложения с выделением хлористого водорода) при температуре от 220 ⁰С. Температура же воспламенения этого материала – 390 ⁰С, самовоспламенения – 454-495 ⁰С.[25]

Нужно заметить, что процесс дегидрохлорирования с гораздо меньшей скоростью, но все же происходит и при обычных температурах. Признаком этого процесса является пожелтение поверхности данного полимерного материала. Образующиеся при этом сопряженные двойные связи обуславливают снижение сопротивления изоляции, появление токов утечки. Очевидно, что подобные процессы интенсифицируются с ростом температуры. В частности, при нагреве провода токами перегрузки. Учитывая эти обстоятельства, для проводов с различной изоляцией устанавливаются предельные рабочие температуры, нагрев выше которой считается опасным.

По достижении определенных температур нагрев изоляции приводит к ее обугливанию (карбонизации). Чем выше температура нагрева, тем ниже электросопротивление слоя угля. По угольному слою и через него возникают утечки тока, микродуги, возможно неметаллическое короткое замыкание и загорание угля. Особенно опасен процесс карбонизации изоляции в обмотках электродвигателей, трансформаторов, дросселей и других устройств, имеющих обмотки проводов. Изоляция проводов в таких обмотках обычно очень тонкая, из слоя специального лака, и ее нагрев очень быстро приводит к пробою. Необходимо иметь в виду, что тепловыделение при перегрузке происходит по всей длине провода, но оно может возрастать на локальных участках «плохого контакта» пропорционально величине электросопротивления данного участка. Именно на таких участках, прежде всего, происходит воспламенение изоляции.

Для всех проводников существует зависимость вероятности воспламенения от кратности аварийного тока (К). Вероятность воспламенения изоляции резко возрастает при К = 3-4, а при достаточном увеличении К она уменьшается до нуля. Характер изменения зависимости вполне объясним с точки зрения тепловой теории зажигания Я.Б. Зельдовича. Согласно основным положения этой теории, зажигание твердого вещества происходит при выполнении следующих условий:

- вещество нагреется настолько, что температура его поверхности достигнет некоторого значения, при котором будет наблюдаться интенсивная «газификация», обеспечивающая достаточную скорость перевода вещества в газовую фазу (т.е. достаточно высокая скорость пиролиза с выделением горючих летучих);

- в веществе образуется достаточно прогретый слой, глубина которого должна быть такой, чтобы градиент температуры не превышал критического значения, выше которого существование пламени у поверхности невозможно;

- свойства газовой фазы таковы, что продукты «газификации» воспламеняются над поверхностью вещества, т. е. имеет место достаточная концентрация компонентов и высокая температура в газе (т. е. достигнут НКПР). В данном случае протекание по проводнику аварийного тока кратности К< 2 не приводит к выполнению первого и третьего условий. При достаточно же больших кратностях перегрузки (К=90-100) разогрев и плавление токопроводящей жилы происходит настолько быстро, что материал изоляции просто не успевает прогреться и подвергнуться термодеструкции, поэтому выполнение второго и третьего условий становится невозможным и вероятность загорания изоляции закономерно приближается к нулю.

Возможность возникновения горения, а также его распространения за пределы очаговой зоны, во многом зависят от типа провода, материала его изоляции, способа прокладки (горизонтально, вертикально, пучком или одинарным проводом, по поверхности конструкции или в трубе, латке, коробе).

Если провода проложены в пучке, в закрытом объеме (например, в трубе), при перегрузке их теплообмен с окружающей средой ухудшается, а вероятность загорания увеличивается. Поэтому неслучайно, что, например, допустимый длительный ток, который устанавливается ПУЭ для проводов и кабелей, различных марок, тем меньше, чем большее количество проводов уложено в одной трубе. Распространение возникшего горения по понятным причинам лучше происходит вверх, чем по горизонтали, а, тем более, вниз. А по пучку проводов — лучше, чем по одиночному проводу — горящие провода взаимно «подогревают» друг — друга, меньше теплопотери при горении.[26]

В электротрансформаторах перегрузка возникает при работе с повышенным током потребления в цепи нагрузки или при КЗ во вторичной обмотке. При этом происходит разогрев обмоток, возможно термическое разложение или подплавление изоляции, ее пробой с образование межвитковых коротких замыканий. После каждого такого КЗ ток в обмотке возрастает еще больше, и аварийный режим развивается лавинообразно. Аналогичный процесс происходит и в случаи, например, обрыва одной из фаз в трехфазном трансформаторе.[27]

Перенапряжение

Перенапряжение – перегрузка, суть которой заключается в подаче потребителям повышенного напряжения. Этот процесс возникает в результате аварии в питающей низковольтной, высоковольтной электросети; при ремонтных работах.[28]

Перенапряжение часто возникает в ходе монтажа или ремонта при неправильном подсоединении, перемены нуля, фазы, отсоединения нуля и возникающего «перекоса фаз». Перенапряжения могут возникать во время грозы при наведении на провода воздушных линий электропередач. Величина таких перенапряжений может достигать десятков, а иногда и сотен киловольт. Несмотря на меры ограничения величины потенциала перенапряжения, оно может проникать с высоковольтных линий 380 В на внутренние проводки и достигать там 2-3 кВ. При таких перенапряжениях возможен пробой изоляции и возникновение КЗ, а так же другие аварийные режимы. Перенапряжение бывает кратковременным - скачок напряжения, но значительным по величине, что может привести к пожару. Перенапряжение возникает и при пожаре за счет теплового воздействия на элементы электросети, если электросеть не будет обесточена. Такого рода явления могут даже стать причиной образования вторичных очагов горения.

К перенапряжениям в низковольтной сети могут приводить аварии на высоковольтной линии. В том числе такие распространенные ситуации, как:

- обрыв провода высоковольтной линии и замыкание его на землю;

-замыкание провода воздушной линии на опору ЛЭП;

- возникновение связи провода с землей через посторонние предметы;

- повреждение изоляции на стороне первичной обмотки трансформатора одно из понижающих подстанций вследствие электрического старения, загрязнения или замыкания посторонними предметами;

-прочие неисправности в цепях связи токоведущих частей высоковольтной сети с землей.

Из теории электрических сетей и систем известно, что все режимы связи токоведущих частей с землей в сети с изолированной нейтралью сопровождаются так называемыми внутренними перенапряжениями – резонансными и коммутационными. Они инициированы индуктивностью токоведущих частей и их емкостными связями с землей и между фазами.

Резонансные перенапряжения могут достигать значительных величин. Такой запас электрической прочности высоковольтных изоляционных конструкций не предусмотрен нормативами, часто происходит пробой, дуговое замыкание «здоровых» фаз на заземленные несущие металлоконструкции, при этом их потенциал передается заземленному нулевому проводу сети низкого напряжения.

При металлическом замыкании одной фазы на землю в установившемся режиме напряжение относительно земли поврежденной фазы снижается до нуля, а в других увеличивается до линейного. Потенциал нейтрали возрастает до фазного напряжения.

Переход от нормального состояния системы (когда потенциал нейтрали равен нулю) к установившемуся режиму при заземлении одной фазы совершается путем затухающих колебаний с частотой, определяемой индуктивностями и емкостями системы. В случае дугового замыкания на землю может сформироваться режим перемежающейся дуги (при токе замыкания, превышающ

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: