БЖД (Иванов ФИБС БТС 8 семестр) / Пожар

51

Замыкание на землю в электрических сетях

Пожароопасные ситуации в большинстве случаев возникают в режимах однофазного (однополюсного) замыкания на землю токоведущих частей электроустановки при эксплуатационных повреждениях изоляции.

В этих режимах значения токов в цепях “токоведущая часть – земля” или “токоведущая часть – тело человека – земля” определяются параметрами не только цепей связи токоведущих частей с землей через сопротивления утечки, но и связи их через сопротивления замыкания на землю или принятого в проекте электроустановки искусственного заземления токоведущих частей.

Значения токов однофазного замыкания на землю ограничены импедансами изоляции здоровых фаз (в сетях, изолированных от земли) или сопротивлением заземления нейтрали (в сетях с заземленной нейтралью). Поэтому на этот ток не реагирует ни аппаратура защиты от токов междуфазного короткого замыкания (максимальная защита), ни аппаратура защиты от перегрузки (тепловая защита). В результате, режим однофазного (однополюсного в двухпроводных сетях) замыкания на землю может существовать длительное время, приводя к пожароопасным ситуациям.

Пожароопасными считаются такие токи, при которых в месте повреждения изоляции выделяется активная мощность более 30 Вт. Во взрыво-

опасных зонах опасен ток замыкания на землю, значение которого превышает 25 мА.

В режиме однофазного замыкания распределенные по всей сети активные и емкостные токи утечки на землю сосредоточиваются в месте замыкания. Именно здесь, на сопротивлении замыкания или на контакте с сопротивлением заземления, и выделяется активная мощность, под действием которой может произойти рост температуры.

Ток замыкания опасен, а токи через частичные емкости и распределенные сопротивления утечки, как правило, пожарной опасности не представляют.

Технические средства защиты от пожара – контроль сопротивления изоляции сети и автоматические устройства защитного отключения, защитного шунтирования, компенсаторы емкостных токов (там, где это возможно). Если в сети отсутствует эта специальная аппаратура защиты, работа сети в режиме с поврежденной изоляцией может быть длительной. Поэтому не исключена возможность возникновения нового замыкания на землю, например, в другой фазе. В результате, возникает пожароопасный режим двухфазного короткого замыкания через землю (корпус объекта).

Предполагаемое (возможное) значение тока однофазного замыкания на землю I зам в трехфазной сети с изолированной нейтралью при фазном

напряжении Uф может быть рассчитано по формуле

52

I зам

=

U ф

9(g B + gC )2

+ [

3(g B − gC ) + 6ωCф]2

,

2Rзам

(g

A

+ g

B

+ g

C

+ g

зам

)2 + 9ω2C 2

ф

где g A , g B , gC

– активные проводимости

фаз

по отношению к земле;

g зам = 1/ Rзам – проводимость замыкания; Cф – емкость фазы относительно

земли, ω = 314 [1/с] – круговая частота.

Эта формула дана для случая замыкания фазы А; если замыкание происходит в другой фазе, следует соответствующим образом изменить индексы проводимостей.

Критические значения емкости фаз по условию пожаробезопасности в

трехфазной сети с частотой 50 Гц составляют 0.87 и 2.6 мкФ при напряжении 380 и 220 В соответственно.

Значение тока однополюсного замыкания на землю в двухпроводной сети, изолированной от земли при напряжении U, можно рассчитать по формуле

I зам =		gзамU						,
		(g + g		зам	)2	+ ω2C 2
1+
		1
		g	2 + ω2C 2
			2

где g1, g2 – проводимости изоляции полюсов сети относительно земли, а

С– емкость полюсов относительно земли.

Втрехфазной сети с заземленной нейтралью сопротивление заземления нейтрали обычно существенно меньше сопротивлений изоляции фаз и емкостных сопротивлений фаза – земля. Вследствие этого ток через сопротив-

ление утечки оказывается существенно меньшим тока через заземление нейтрали. В результате, значение тока замыкания на землю можно рассчитать по формуле

	I зам =	U ф	≈	U ф	,
		Rзам + R0		Rзам

где Rзам – сопротивление рабочего заземления.

Силовое электрооборудование

Как правило, на понизительных подстанциях устанавливают транс-

форматоры с воздушным или масляным охлаждением. Например, трансформатор типа ТМЗ-100/10А содержит 1500 кг масла. Трансформаторы с

масляным охлаждением имеют повышенную пожароопасность. Температура вспышки содержащейся в них горючей жидкости составляет примерно

135 °С. При нормальном режиме работы обмотки трансформатора нагревается до температуры 105 °С, сердечник – до 115...120 °С.

53

Поэтому для трансформаторных подстанций строят отдельные огнестойкие здания. Если трансформаторы устанавливают в общем здании, то трансформаторную камеру следует оградить несгораемыми стенами и перекрытиями. Для быстрого сброса охлаждающего масла под трансформаторами укладывают гравийную подушку высотой не менее 25 см от поверхности земли, выступающую за габариты трансформатора на 1 м. Масло из-под гравия по желобу или трубе следует отводить в аварийную емкость. Устройство ввода кабелей должно исключать попадание масла в защитные трубы.

Пожарная опасность электродвигателей зависит от нахождения в них или поблизости источников зажигания и таких горючих материалов, используемых при их изготовлении, как хлопчатобумажные и шелковые ткани, лаки, гетинакс, текстолит, изоляция проводов и др. При нагреве выше допустимых температур изоляционные материалы разрушаются и воспламеняются. Наиболее вероятными источниками зажигания, как показывает анализ пожаров электрооборудования, являются короткие замыкания, перегрузки, большие переходные сопротивления, электрические искры и дуги.

Короткие замыкания в электродвигателях возможны при нарушении изоляции между фазами, витками одной фазы, фазой и корпусом, при попадании токопроводящих предметов и т. п. Изоляция может быть нарушена в результате механического, термического, химического воздействия. Одной из причин возникновения пожара может быть перегрузка электродвигателя, при которой в неповрежденном электродвигателе возникает ток выше допустимого по его техническим характеристикам. Главными причинами появления таких сверхтоков являются: симметричные перегрузки, пусковые токи недопустимой продолжительности из-за частых включений и противовключений (реверса), неполнофазный режим работы, симметричные или несимметричные отклонения или колебания напряжения вследствие аварийных отключении или переходных процессов в сети.

Пожарная опасность электродвигателей может быть значительно уменьшена при правильном выборе и расчете аппаратов защиты (плавких предохранителей, тепловых реле-автоматов). Установка плавких предохранителей и тепловых реле с завышенным номинальным током срабатывания приводит к увеличению вероятности загорания.

Чтобы предупредить возникновение пожаров от электродвигателей, необходимо выполнять в процессе проектирования, монтажа и эксплуатации пожарно-профилактические мероприятия. По уровню и виду взрывозащиты электродвигатели должны соответствовать классу пожароили взрывоопасности зоны, общим свойствам и параметрам окружающей среды (влажности, температуре и т. д.). Кроме того, электродвигатели должны иметь мгновенную защиту от токов короткого замыкания. Защита от перегрузки

54

устанавливается в цепях электродвигателей, имеющих тяжелые условия пуска, или там, где возможна систематическая перегрузка.

Электродвигатели и аппараты (за исключением закрытых) следует устанавливать на таком расстоянии от горючих материалов и конструкций здания, чтобы они не воспламенялись при образовании искр или дуги.

Необходимо систематически в соответствии с графиком плановопредупредительного ремонта испытывать изоляцию обмоток статора электродвигателей.

Линии канализации электроэнергии и связи

Практика показала, что кабельные линии являются наиболее пожароопасной частью любой электрической установки или системы управления и контроля. В них имеются горючий изоляционный материал (изоляция токоведущих жил и наружная оболочка) и вероятные источники зажигания в виде электрических искр, дуг, перегретых участков. Такое сочетание неблагоприятных факторов, а также разветвленность и недоступность делают кабельные линии местом наиболее вероятного возникновения и развития пожара.

Хотя число пожаров, происходящих в кабельных сооружениях, и составляет меньшую часть от общего количества пожаров в электроустановках, однако убытки от них чрезвычайно велики, так как пожары в кабельных хозяйствах приводят к повреждению не только самих кабельных линий, но и подключенного к ним электрооборудования, прилегающего оборудования и строительных конструкций. Они могут послужить причиной выхода из строя всей системы.

Одной из наиболее важных теплотехнических характеристик горючих веществ является теплота сгорания (теплотворная способность), т. е. количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы или единицы объема вещества. Применительно к пожарам в кабельных сооружениях этот параметр, в частности, определяет суммарное количество выделяющегося тепла и температуру горения (пожара).

Для сравнения в табл. 22 приведены данные о теплотворной способности некоторых материалов. Из этих данных видно, что в пожарном отношении наиболее опасны пластмассы. Так, при сгорании 1 кг полиэтиленовой изоляция выделяется тепла в 4.6 раза больше, чем при сгорании дубовых дров, и в 1.6 раза больше, чем при сгорании антрацита.

	Таблица 22
Материал	Теплотворная способность, кДж/кг
Наиритовая резина ШН-40	19 146
Изоляционная резина	16 860
Полиэтилен изоляционный	48 111
Поливинилхлорид изоляционный	24 907
Поливинилхлорид шланговый	25 782
Прорезиненный миткаль	12 577

	55
Кабельная бумага		15 906
Стеклопряжа		9 064
Дубовые дрова		10 467
Антрацит		31 401

Другими нормированными характеристиками горючести кабелей являются: нераспространение самостоятельного горения, огнестойкость, коррозионная активность продуктов газовыделения, а также оптическая плотность дымообразования при горении и токсичность продуктов газовыделения.

Свойство нераспространения самостоятельного горения обеспечи-

вается конструкцией кабеля. Под действием внешнего источника зажигания изоляционные материалы могут воспламениться. Но после удаления внешнего источника огонь должен погаснуть из-за неподготовленности прилегающих изоляционных покровов к самостоятельному горению (температура их нагрева должна быть ниже температуры самовоспламенения).

При испытании на определение этого свойства (ГОСТ 12176 – 76) берут отрезок кабеля длиной 600 мм и на середину его под углом 45° направляют пламя газовой горелки (длина факела пламени 125 мм). После удаления горелки самостоятельное горение изоляции может распространяться по кабелю на расстояние не более 100 мм от места поджога.

На объектах одиночные кабели встречаются обычно только в местах ввода их в аппаратуру. Как правило, при монтаже применяют их групповую прокладку (пучками или потоками) на панелях, на стеллажах или в кабельных подвесках. В таких условиях существенно изменяются температурные режимы нагрева изоляции и охлаждения ее окружающим воздухом, т. е. при определенной конструкции пучка кабелей становится возможным распространение самостоятельного горения по всей длине трассы. Например, при пожаре на Запорожской АЭС выгорел кабель с суммарной длиной 800 км.

Нормы и методы испытаний на нераспространение горения кабелей при групповой прокладке определены рекомендациями МЭК. В зависимости от объема горючей массы в пучке кабелей (берется удельная величина, вы-

ражаемая в литрах на единицу длины) определяется категория пучка (А – при 7.0 л/м, В – при 3.5 л/м, С – при 1.5 л/м). Например, к категории А относится

пучок, состоящий из 43 контрольных кабелей типа КВВГ 19×1.5 мм2.

При испытаниях в качестве источника зажигания используется газовая горелка ленточного типа с длиной рабочей зоны 257 мм; длительность воздействия пламени зависит от категории пучка (20 мин, 40 мин и т. д.). Пучок кабелей считается выдержавшим испытания на нераспространение горения, если обугленная или поврежденная пламенем часть трассы не превышает 2.5 м.

Огнестойкость кабеля – это длительность времени, в течение которого он сохраняет работоспособность, находясь под воздействием внешнего источника воспламенения.

56

В соответствии с рекомендациями МЭК испытания проводятся на горизонтально закрепленном отрезке кабеля длиной 1.2 м. Жилы кабеля с одного конца через плавкие предохранители на 3 А подключаются к источнику переменного напряжения; второй конец отрезка кабеля свободен. Образец помещают в пламя газовой горелки с рабочей зоной (шириной пламени) 0.6 м и температурой пламени 750 °С на расстоянии 75 мм от сопла горелки (в месте расположения кабеля).

Кабель считают огнестойким, если в течение 3 ч не происходит пробоя изоляции и не перегорает ни один из трех предохранителей, а через 12 ч с момента прекращения воздействия пламени изоляция образца выдерживает испытание номинальным напряжением.

Основные типы кабелей, выпускаемых отечественной промышленностью, этим требованиям не удовлетворяют. В табл. 23 приведены некоторые данные по характеру разрушения кабелей.

		Таблица 23
Материал изоляции	Темпера-	Характер разрушения
	тура, °С
Резина на основе натурального	300	Полное разрушение через 20
каучука		мин
		Начало плавления при сохра-
Бутилрезина	300	нении изоляционных свойств че-
		рез 20 мин
Кремнийорганическая резина	400	То же
Этиленпропиленовая резина	300	Начало разрушения
Полиэтилен	150	Начало плавления
Поливинилхлорид	200	Начало разрушения
Фторопласт	280	То же
Стеклоасбест	1037	Сохранение работоспособно-
		сти
Магнезиальная изоляция	1038	То же

В соответствии с рекомендациями МЭК (публикация 754-1) коррозионная активность оценивается по количественному содержанию в материа-

ле изоляции НСl, HBr, SO2 и HF. Этот параметр характеризует так называемые вторичные повреждения, возникающие при горении кабелей.

Широко применяющийся в конструкции кабелей поливинилхлорид на 75 % состоит из хлора. При воздействии на него пламени наблюдаются явления, описываемые в табл. 24.

Таблица 24

Температура, °С	Состояние материала
80	Начинается размягчение
100	Начинается выделение HCl
160	В виде газа выделяется 50 % HCl
210	Происходит плавление
310	Выделяется 85 % общего количества HCl
300…400	Происходит горение углеродного состава

57

При полном сгорании поливинилхлорида массой 1 кг выделяется более 350 л газообразного HCl, из которого при растворении в воде получается 2 л соляной кислоты 25 %-й концентрации. Газы, содержащие HCl, благодаря перепаду температур, тяге, создаваемой кабельной шахтой или лестничной клеткой (а также ветром), уносятся от очага пожара и оседают в виде мелких капелек соляной кислоты на различных предметах и конструкциях. Вследствие этого коррозия (разрушение конструкций) происходит как в непосредственной близости от очага пожара, так и на удалении от него.

Под действием HCl железо превращается в хлорид. Затем хлорид железа превращается в гидроокись железа, что сопровождается повторным образованием ионов хлора; последние вступают в реакцию с водородом воздуха и образуют пары HCl, вновь воздействующие на железо. В результате такой непрерывной многоступенчатой химической реакции металлические конструкции разрушаются. Также происходит интенсивное разрушение строительных материалов и конструкций.

Причины пожаров в кабельных трассах и защита от них

Наибольшая часть пожаров в кабельных трассах возникает под действием внешнего источника воспламенения. Тем не менее, и сама электрическая сеть может быть инициатором пожара.

Пожароопасные неисправности можно подразделить на две группы. К первой относятся все виды ухудшения качественного состояния изоляции кабелей вследствие высыхания с последующим нарушением механической прочности, объемного увлажнения, разрушения парами масла и топлива (либо непосредственно смазочными материалами или жидким топливом), механического повреждения на трассе или в узлах крепления.

При наличии таких повреждений в длительном режиме происходит разогрев места повреждения (при соответствующих условиях теплоотдачи) и образование электрической дуги в пучке между фазами либо в начале между фазой и землей (корпусом объекта), а затем, после термического разрушения междуфазной изоляции – между фазами. Режим междуфазного короткого замыкания обычно отключается аппаратурой защиты от короткого замыкания. Однако очаг пожара может развиться, и горение кабелей после снятия напряжения будет поддерживаться самостоятельно в соответствии с указанными ранее теплотехническими параметрами пучка.

Ко второй группе относятся различные виды механических повреждений (обрывы) токоведущих жил кабелей и их контактных соединений, возникающих обычно в местах ввода кабелей в аппаратуру под действием вибрации или других механических факторов. При касании жилой кабеля корпуса прибора либо другой токоведущей части, как правило, возникает электриче-

58

ская дуга. При обрыве одной из фаз возникает перегрев не только обмоток асинхронного двигателя, но и питающего кабеля.

Обычно трассы кабелей располагают в недоступных местах или защищают их кожухами от возможных механических повреждений. Поэтому теоретически оболочки кабелей не должны подвергаться каким-либо вредным внешним воздействиям. Однако при регулярном техническом обслуживании необходимо проверять исправность наружных оболочек кабелей, защитных ограждений и кожухов, отсутствие посторонних предметов на кабелях и следов агрессивной жидкости, вытекающей из расположенной над трассой кабелей арматуры трубопроводов.

Действенными средствами обеспечения пожаробезопасности пучков

кабелей являются огнезащитное покрытие типа ОПК (импортный аналог “Flammastik”), наносимое на наружные поверхности, и огнестойкие кабель-

ные проходы, препятствующие распространению огня.

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Требования пожарной безопасности и методы испытаний электронных изделий (ЭИ) установлены в НПБ 247 – 97.

Загорания в электронной схеме могут возникать в результате:

-сильного нагревания и излучения теплоты элементами, которые могут воспламенить близлежащие детали, изготовленные из легковоспламеняющихся материалов;

-прохождения через трансформаторы, дроссели и резисторы электрического тока, превышающего допустимое для данного изделия значение;

-нарушения изоляции соединительных проводов, пробоя конденсаторов, короткого замыкания, вследствие чего происходит пробой деталей и возникает электрическая дуга.

Надежность работы электронных схем и отдельных ее элементов гарантируется только в определенных интервалах температуры, влажности и при заданных электрических параметрах. Из-за отклонений электрических и климатических параметров, а также ухудшения технического состояния

устройств элементы электронной схемы являются наиболее вероятными и частыми источниками открытого пламени и высоких температур.

Опасность загорания усугубляется значительным количеством плотно расположенных на монтажных платах и блоках электронных узлов и схем, электрических проводов и кабелей. Высокая плотность элементов в элек-

тронных схемах может приводить к значительному повышению температуры отдельных узлов (80...100 °С), что может служить причиной воспламенения изоляционных материалов. Слабое сопротивление изоляционных материалов

59

воздействию температуры может вызвать нарушения схемы и привести к короткому замыканию.

Совокупность отказов электрорадиоэлементов и наличие горючих материалов могут создать пожароопасную ситуацию.

Знание статистических данных по источникам зажигания в электронной технике является одним из важнейших факторов для принятия решений по проблемам, связанным со снижением ее пожарной опасности.

По оценкам специалистов основные причины загорания электронной техники следующие:

-повреждение резисторов мощностью свыше 0.5 Вт;

-перегрев контактных соединений;

-короткие замыкания;

-взрыв электролитических конденсаторов;

-пробой изоляции обмоток высоковольтных трансформаторов;

-дефекты конструкции и технологии монтажа;

-некачественный ремонт.

Таким образом, можно сказать, что наиболее пожароопасными элементами ЭИ являются резисторы, конденсаторы, контактные разъемы, мощные транзисторы и микросхемы. Из блоков электронной техники наиболее пожароопасными являются источники питания и высоковольтные блоки.

Электронные компоненты в результате внутренней неисправности или в условиях перегрузки, вызванной внешней неисправностью, могут выделять тепло со скоростью, достаточной для возникновения пожара.

Указанная первопричина может трансформироваться в следующие непосредственные причины пожара:

-самовоспламенение компонента;

-нагрев его от внешних поверхностей до такой силы, чтобы воспламенять другие компоненты, находящиеся с ним в контакте или непосредственной близости;

-взрыв компонента и выделение им раскаленных частиц;

-выделение из компонента горючих газов, которые могут самопроизвольно воспламениться и, таким образом, воспламенить данный компонент.

Распространение пожара определяется:

-количеством энергии, которую может выделить горящий компонент;

-скоростью, с которой эта энергия выделяется;

-продолжительностью горения;

-легкостью, с которой воспламеняются соседние компоненты;

-характеристиками конструкции, т. е. промежутками между компонентами, наличием вентиляции и т. д.

Резисторы. В нормальных режимах работы средняя мощность рассеивания в резисторах невелика, но при нарушении работы схемы она резко возрас-

60

тает. Экспериментальные исследования по определению температуры резисторов при электрических нагрузках показали, что максимальная температура

нагрева лежит, в основном для резисторов типа МЛТ и им подобным, в пределах 280…450 °C и 450…550 °С – для резисторов типа ПЭВ, т. е. достигает зна-

чений температуры теплового разрушения или воспламенения электроизоляционных материалов. При этом отмечено, что нарушение рабочих параметров резисторов наблюдается при трех-четырехкратной перегрузке, а при шестидесятикратной перегрузке наблюдается проявление пожароопасных факторов – интенсивное газодымовыделение и воспламенение резисторов.

Экспериментально определена минимальная мощность, подведенная к резистору и способная вызвать воспламенение изоляционного материала. Сделан вывод, что резисторы мощностью 1 Вт и более являются пожароопасными элементами. С целью обеспечения пожарной безопасности рекомендуется поднимать резисторы над печатными платами на расстояние от 5 до 8 мм.

В устройствах возможны загорания резисторов с неверно выбранной мощностью рассеяния, в результате пробоев в цепях делителей напряжения, а также при включении устройств и во время работы в утяжеленных режимах. Сопротивления типа СП часто выходят из строя из-за выгорания движка в месте его установки.

Конденсаторы. Одной из причин, приводящих к воспламенению конденсаторов, является ухудшение изоляции вследствие старения или некачественного изготовления. Механические повреждения, перегрев и перегрузка по току или напряжению приводят к образованию электрической дуги и выделению газов внутри конденсаторов, часто оканчивающихся взрывом или загоранием ближайших горючих материалов. В этом случае обычно плавится и загорается пластмассовый корпус конденсатора и горящие капли поджигают другие материалы.

Микросхемы. В соответствии с требованиями ГОСТ 18725 – 83 микросхемы (МС) не должны самовоспламеняться и воспламенять окружающие их элементы при воздействии аварийных электрических перегрузок. В то же время стандарт допускает потенциальную возможность воспламенения компонента. Но для того чтобы эта способность компонента не превышала пожароопасность изделия, в котором он применен, разработчику изделия рекомендуется использование какого-либо из мероприятий, например:

-отключение компонента в условиях перегрузки от источника питания;

-применение компонентов, мощностные характеристики которых намного превосходят мощностные характеристики источника питания.

Проведенные испытания показали, что такое событие, как воспламенение пластмассовой МС при перегрузке ее напряжением питания (или мощностью рассеивания) является достаточно редким. Как правило, микросхемы переходят в состояние обрыва их электрической цепи питания. В результате