web site

ООО «АТТ ЭНЕРГИЯ»

194100   Санкт-Петербург   (812) 923-21-32   Info@attenergy.ru   skype: ATTinfospb

Материалы

Какие неисправности электрической проводки могут стать причиной возгорания здания?

Автор: Dr. V. Babrauskas

 

Перевод: И.В. Луговская

Источник: http://www.interfire.org/features/electric_wiring_faults.asp

Общее понятие

Значительная часть возгораний зданий связана с неисправностями электропроводок или проводящих устройств. Удивительно, но режимы, в которых электрические неисправности могут стать причинами возгораний, не были изучены. Этот документ рассматривает известную, ранее опубликованную информацию по этой теме, а также указывает на основные моменты дальнейших исследований. Основной упор делается исключительно на однофазные, 120/240В системы распределения. Необходимо также отметить, что систематические исследования этой темы чрезмерно недостаточны, а большая часть существующих исследований, доступна только на японском языке.

Предпосылки

Последние статистические данные Национальной ассоциации противопожарной защиты [[1]], за 1993 – 1997 гг., гласят, что 41200 бытовых пожаров в зданиях за год, относятся к так называемым «электрически распространяемым».

Эти электрические возгорания насчитывают 336 смертей, 1446 травм гражданских лиц, и 643 млн. $ прямого ущерба имуществу в год.

41200 пожаров зданий составляют 9,7% от общего числа бытовых пожаров, электрические возгорания занимают 5 место среди 12 основных причин пожаров.

643 млн. $ прямого ущерба имуществу составляет 14,4% от общего числа повреждений вследствие пожаров, разместив электрические возгорание на второе место по причинению ущерба от пожаров (после поджога или подозрительных причин).

Опубликованные ранее FEMA [[2]] статистические данные за 1985 – 1994 гг. были очень похожи: электрические возгорания занимали пятое место среди причин пожаров, четвертое место, среди причин пожаров со смертельным исходом, и второе место среди причин пожара по ущербу имуществу. Причины электрические возгораний [1], перечислены в таблице 1.

Таблица 1. Причины пожаров жилых помещений в США из-за электрических возгораний

Причины пожара

Процентное соотношение (%)

Стационарная проводка

34.7

Шнуры и вилки

17.2

Осветительные приспособления

12.4

Выключатели и розетки

11.4

Светильники и лампы накаливания

8.3

Предохранители, выключатели

5.6

Измерительные приборы

2.2

Трансформаторы

1.0

Неклассифицированное или неизвестное электрораспределительное оборудование

7.3

 

Большие потери, нанесенные возгоранием электрических приборов, не означают, что электрические системы являются ненадежными. В США около 270 миллионов человек занимают около 100 млн. единиц жилья, в среднем 5.4 комнат на дом [ [3] ]. Это означает, что в США проживает 2,7 человека в одной единице жилья, или же имеется 2 комнаты на одного человека. Если есть по 4 розетки в комнате, то количество розеток составляет 4*2*270*106 = 2,16 миллиарда. Следует вычесть определенный процент неиспользуемых розеток. Можно предположить, что половина розеток имеют подключенные устройства. Из оставшейся половины розеток, будем считать, что половина из них имеет последовательное соединение к другой розетке, а другой выход используется. Таким образом, реальное количество розеток, с протекающим в них током, оценивается как ¾ = 2,16 млрд., или 1620000000. Статистические данные NFPA показывают, что 4700 пожаров приходится на "выключатели и розетки", но CPSC [[4]] далее опровергает статистику для выключателей, указывая, что они составляют 30% на рисунке выше. Не принимая во внимание пожары, произошедшие из-за неисправностей переключателей, 3290 пожаров за год обусловлены неисправностями розеток. Частота повреждений оценивается как 3290 / 1,62 '109, или 2'10-6 / в год. Очень низкий процент повреждений показывает, что электрический розетки обладают высокой надежностью. Проблема заключается не в высокой вероятности повреждений, кол-ва устройств, за год.

Вместо этого, вопрос состоит в том, что электрическая сеть включает в себя необычайно большое количество устройств, которые распределены повсеместно. Каждое устройство является источником энергии, и каждый из них потенциально может дать сбой и привести к пожару.

Виды возгораний

Учитывая то, что такие причины пожаров, как электрические возгорания занимают   второе место по количеству нанесенного ущерба (в долларах США) среди остальных причин пожаров, можно сделать вывод, что был выполнен большой объем исследований, по изучению неправильной работы механизмов, приводящих к возникновению воспламенений. Это доказывает по сути, что, в лучшем случае, исследования были фрагментарными. К рассмотрению повреждений можно подойти по-разному:

  • определение срабатывания или бездействия, которые привели к повреждению
  • классификации повреждений неисправного устройства или его части
  • изучение основ физики повреждений.

Такие методы, играют важную роль в реконструкции несчастных случаев.

Изучение неисправностей механизмов показывает, что существует всего несколько основных способов, при которых электрическая изоляция или горючие вещества, расположенные близко к электрическим компонентам проводки, могут воспламениться, хотя существуют различные аспекты для каждого из них:

  • дуга
  • чрезмерный омический нагрев, без искрения
  • внешний нагрев

Некоторые типы возгораний включают сочетание механизмов, поэтому они не должны рассматриваться как взаимоисключающие причины пожара.

Образование дуги

Графически изображено, как дуга может возникнуть или последовательно (рис. 1), или же параллельно (рис. 2)

Рисунок 1. Последовательная дуга          Рисунок 2. Параллельная дуга

Некоторые авторы считают короткозамкнутую дугу – третьей формой дуги, её появление возможно, когда схема содержит короткозамкнутую нейтраль. Топологический механизм такой дуги идентичен параллельной, так как нагрузка не последовательна дуге. Различие между двумя основными формами дуг имеет важное значение. В случае последовательной дуги – при возникновение дуги, уменьшается ток в цепи. Таким образом, устройства защиты перегрузки по току не сработают.

Причин возникновения дуги может быть много, но основными из них являются:

  • обугливание изоляции (дуга тонарма)
  • внешняя ионизация воздуха
  • короткое замыкание.

Обугливание изоляции

В цепи переменного тока, напряжением 120В легко образуется устойчивое горение дуги, если в цепи будут находиться обугленные токопроводящие элементы. Это явление иногда называют ещё ‘arcing-across-char’. Этот механизм известен в области электротехники уже в течение очень долгого времени [[7]]. То, как обугленные токопроводящие элементы появляются в изоляционном материале, не является тривиальным вопросом. Существуют не мало способов получения таких элементов. Самый простой способ, используемый в некоторых стандартных методиках испытаний [[8]], заключается в создании дуги непосредственно на поверхности изоляции, например, путем размещения двух электродов на изоляционном материале и применения высокого напряжения между ними. Другой механизм предполагает комбинированное воздействие влаги и загрязняющих веществ на поверхность. Этот процесс иногда называют «мокрый трекинг» (wet tracking) и он являлся особой проблемой для воздушной проводки с полиамидной изоляцией [[9]]. Совокупное воздействие влаги и загрязняющих веществ вызывают на поверхности изолятора токи утечки, которые со временем могут привести к образованию обугленных треков [[10]].

Изоляционные материалы различаются по своей восприимчивости к дуге трекинга. Большая часть проводки напряжением 120/240В изолированы поливинилхлоридом (ПВХ), но, к сожалению, ПВХ является одним из менее удовлетворительных полимеров по отношению к дуге трекинга [10]. Ното и Кавамура [[11]] сообщили об обширных мокрых трекинг - экспериментов с ПВХ изоляцией. Использование стандарта Международной электротехнической комиссии (IEC) 60112 [[12]], они зафиксировали ряд типовых образцов, которые привели к воспламенению кабеля.

Когда ПВХ подвергается воздействию температуры 200 - 300С°, образец является полупроводником. Не удивительно, что это может привести к утечке тока и искрению. Однако Нагата и Юкои [[13]] обнаружили, что, если абсолютно новый ПВХ нагревается до достаточно низкой температуры 160C°, то приложение напряжения величиной 100В через 1 мм толщины изолятора достаточно, чтобы вызвать воспламенение изоляции. Кроме того, если изоляция была ранее предварительно нагрета до 200 - 300C°, тогда возгорание происходит при умеренных температурах. В течение исследования испытательное напряжение варьировалось – от комнатной температуры до 40C° – этого было достаточно для появления возгорания (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние температуры предварительного нагрева и температуры испытания на воспламенение ПВХ изоляции проводов при воздействии переменного тока напряжением до 100В через 1 мм толщины изоляции

Хагимото вместе с соавт. [[14]] провели лабораторные исследования параллельной дуги при неисправностях электрических шнуров. Они определили, что этот процесс обычно происходит в нерегулярно повторяющихся режимах работы. Исследователи выявили следующую последовательность шагов:

  • начальный ток возникает из-за обугливания слоя изоляции кабеля
  • электрический ток увеличивается, что приводит к возникновению местной дуги
  • искрение вызывает плавление металла и высвобождение расплавленных частиц, т.к. расплавленные частицы были высвобождены, ток начинает падать
  • продолжительный ток через обугленные частицы материала, в конечном итоге, приводит опять к возникновению значительного электрического тока.

Этот процесс повторяется до бесконечности. Кроме того, авторы измерили ток в процессе, и обнаружили пики до 250А, но такие пики были редки, а сигнал амперметра обычно показывал пики не более 50А. Следовательно, длительное время может потребоваться для включения выключателя. (Обратите внимание, конечно, что фактические текущие значения будут зависеть от сопротивления конкретной схеме испытания).

Внешняя ионизация воздуха

Внутренняя электрическая прочность воздуха высокая (около 3 МВ м-1, для всех, кроме очень маленьких зон), но пробой может произойти при гораздо более низких значениях, если воздушное пространство ионизировать тем или иным способом. Если происходит серьезная неисправность с появлением дуги в распределительном устройстве, выбрасывается большое количество ионизированных газов. Они могут перемещаться на определенном расстоянии, и если они соприкасаются с участками новой цепи, они могут легко привести к поломке и образованию новых дуг в других местах [[15]]. Месина зарегистрировала в лабораторных условиях, что снижение пробивной силы воздуха происходит из-за наличия пламени [[16]]. Опыты показали, что электрическая прочность воздуха падает до приблизительно 0,11 МВ м-1 в огне. Однако, исследование Месины, охватывали условия только при напряжении 1600В и выше.

Считается, что дугообразование, при появлении возгораний, является наиболее распространенной причиной пожара, которые могут возникнуть в месте действия огне [[17]]. Оно может включать в себя либо обугливание изоляции, либо внешнюю ионизацию воздуха, или оба условия сразу. Но в случае схем, напряжением 120В, существуют лишь несколько ограниченных эмпирических исследований, по которым нет общих рекомендаций.