Моделирование пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ

УДК 614.841.5

В. И. Зыков

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России

Г. Н. Малашенков

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России

V. Zykov, G. Malashenkov

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований пожарной опасности тепловых проявлений токов утечки. Разработана математическая модель пожарной опасности электрических сетей, с помощью которой появляется возможность определять температуру изоляции электрических проводок в зависимости от режима их эксплуатации и продолжительности работы. На основе полученных результатов решена актуальная проблема по определению пожароопасных параметров мощности и величин токов утечки, что имеет практическую направленность и непосредственно связана с обеспечением пожарной безопасности проводов и кабелей электрических сетей.

Ключевые слова: пожарная опасность электрических сетей, ток утечки, математическая модель пожарной опасности, электрический кабель.

MODELING OF FIRE DANGER IN ELECTRIC WIRE AND CABLE NETWORKS

Results of experimental researches of a fire hazard of thermal displays of leakages are considered. The mathematical model of a fire hazard of electrical networks with which is possite to define temperature of isolation of electric conductings depending on a mode of their operation and an uptime is developed. On the basis of the received results the actual problem by definition of fire-dangerous parametres of power and sizes of leakages that has a practical orientation on maintenance of fire safety of wires and cables of electrical networks is decided.

Keywords: a fire hazard of electrical networks, a leakage, mathematical model of a fire hazard, the electric

cable.

Исследование пожарной опасности токов утечки

Одной из причин возникновения пожароопасной ситуации в электрических сетях является нарушение изоляции и оболочки электрического кабеля вследствие его старения или механического повреждения. Пожарная опасность при этом связана с тепловым проявлением тока утечки, а из всех параметров, характеризующих ток утечки, принципиальное значение имеют величина сопротивления изоляции, длительность и величина тока утечки.

Электрические сети переменного тока напряжением до 1000 В могут быть выполнены как с глу-хозаземленной, так и с изолированной нейтралью. Каждое исполнение имеет свои достоинства и недостатки, которые оценивают по четырем основным критериям: электробезопасность, пожарная безопасность, надежность электроснабжения и экономичность. Вопросы электробезопасности, надежности, электроснабжения, экономичности подробно рассмотрены рядом авторов [1, 2]. Однако в этих работах не в полном объеме рассматривались вопросы обеспечения пожарной безопасности электрических сетей. Особенностью электрических сетей с изолированной нейтралью по сравнению с другими сетями следует считать тот факт, что в подобных сетях допускается продолжительная

работа кабельных линий с замыканием фазы на землю. Поэтому можно сделать предположение, что длительное протекание даже незначительного локального тока утечки может привести к выделению на поврежденном участке изоляции оболочки электрического кабеля количества тепла, достаточного для того, чтобы произошло короткое замыкание между фазами [3].

Однофазные замыкания на корпус в таких системах могут иметь различные формы. Наиболее часто возникают замыкания через локально поврежденные изоляцию и оболочку электрического кабеля на землю (корпус). Как показывает анализ выполненных экспериментальных исследований, именно такие замыкания (через определенное переходное сопротивление) являются

пожароопасными. В результате локального разрушения изоляционного материала образуется

токопроводящий слой, и при протекании тока утечки на этом участке может выделяться значительное количество тепла.

Значение мощности в месте протекания тока утечки может быть определено с помощью следующего выражения [2]:

Р= 3/2юСф^ф, (1)

где Сф - емкость фазы относительно корпуса, мкФ; со = 2nf- угловая частота, радиан;

L/ф - напряжение между фазами, В.

Максимальная мощность при этом будет выделяться на сопротивлении изоляции Яиз, Ом, определяемом по формуле:

/?из- 1 / Зсо Сф. (2)

Процесс длительного воздействия локального тока утечки был экспериментально исследован рядом авторов. Согласно опубликованным данным в электрических кабелях с резиновой изоляцией и резиновой оболочкой мощность, которая не вызовет воспламенения, составляет от 20 до 40 Вт [5]. Однако авторы не указывают при этом типоразмеры кабелей, для которых было определено пожаробезопасное значение мощности. В связи с этим проведение экспериментальных исследований по определению пожароопасного значения мощности и величины тока утечки, является весьма актуальной проблемой, имеющей практическую направленность.

Для проведения эксперимента использовались известные экспериментальная установка и методика проведения испытаний, которые описаны в работе [6] и в настоящее время широко используются в экспериментальных исследованиях. Сущность метода состояла в имитации локального тока утечки, величина которого изменялась подбором емкостей между фазами и землей при его протекании через поврежденный участок изоляции. Для имитации тока утечки в оболочке и изоляции кабеля высверливались отверстия до токопроводящей жилы, которое плотно заполнялось измельченными продуктами горения резины и соединялось с помощью контактного устройства с пластиной, заменяющей землю в электрической сети объекта. В ходе эксперимента регистрировалось время от начала испытаний, ток утечки, падение напряжения на поврежденном участке изоляции и оболочки кабеля, мощность тепловыделения и температура в непосредственной близости от места повреждения. В качестве контролируемого параметра была выбрана мощность тепловыделения, так как именно данный параметр может быть достаточно легко рассчитан.

В качестве образцов были выбраны кабели различного типоразмера: КРШС 4x35, КРШС 3x16 и КУПР 7x0,5. Результаты испытаний определялись по 5 измерениям с доверительной вероятностью Р= 0,95. Для определения доверительных границ погрешности измерений использовалось распределение Стьюдента. В табл. 1 приведены значения Тр - температуры на оболочке кабеля на расстоянии 5 мм от локального места повреждения изоляции в зависимости от тепловой мощности - Р Расстояние в 5 мм обосновано техническими возможностями экспериментальной установки.

Таблица 1

Значения температуры на оболочке кабеля в зависимости от тепловой мощности

КРШС 4*^5 К^ШС 3х]б КУПР 7*0,5

Р Вт Гор, °С Р Вт ГСр, °С Р Вт Гор, °С

8 110+6 9 130+11 8 120+15

10 120+10 10 140+15 8,5 160+12

14 233+11 13 223+14 10 190+11

25 330+15 25 355+17 19 300+12

Анализ полученных результатов подтверждает, что температуры на оболочке электрического кабеля определяются, с одной стороны, мощностью тепловыделения, а с другой - тепловыми потерями, связанными с типоразмерами кабеля.

Для определения пожароопасного значения мощности тока утечки был сделан термический анализ материалов, использованных в конструкциях кабелей на термоаналитическом комплексе йи РопЬ9900, результаты которого приведены в табл. 2 [7].

Таблица 2

Данные термического анализа конструктивных материалов кабелей

Используя зависимость Тр = и результаты термического анализа в соответствии с кри-

терием безопасности Тр < Тоспл, можно сделать заключение о пожароопасном значении мощности.

Для определения пожароопасного значения величины тока утечки также была проведена серия дополнительных экспериментов с теми же образцами выбранных для эксперимента кабелей. С учетом результатов проведенных исследований в первой серии экспериментов обеспечивалось условие, когда при протекании тока через сопротивление достигалась мощность выделения теплоты, равная 18 Вт.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что через 10 ч после начала проведения эксперимента падение напряжения и ток на поврежденном участке изоляции оболочки электрического кабеля изменялись незначительно. В дальнейшем отмечалось появление электрических микродуг, дыма и свечения вблизи искусственного повреждения оболочки кабеля. Одновременно приборами было зарегистрировано резкое падение напряжения в месте повреждения изоляции, что потребовало для поддержания заданного значения мощности тепловыделения постоянно уменьшать ток утечки. Так, если в начале эксперимента ток был равен 4,5±0,2 А, то в конце - 0,2±0,05 А. Через 20 ч после начала испытаний произошло короткое замыкание между фазами электрической сети, которое сопровождалось воспламенением предварительно прогретой оболочки кабеля и разлетом раскаленных частиц металла в радиусе порядка 0,9 м.

Математическое моделирование пожарной опасности проводов и кабелей

электрических сетей

Результаты экспериментальных исследования подтвердили, что одним из опасных проявлений электрического тока с точки зрения пожарной опасности, безусловно, является его тепловое действие. Проводники, по которым течет ток больший, чем ток расчетной величины, начинают перегреваться. При этом могут достигаться температуры, приводящие к воспламенению изоляции, что, в свою очередь, может служить причиной пожара. Температура токопроводящей жилы зависит от силы протекающего тока, от температуры окружающей среды, диаметра жилы и изоляции проводника, теплообмена с окружающей средой, удельного сопротивления материала проводника, времени аварийного режима работы.

Моделирование локальных токов утечки по электрическим кабелям с резиновой изоляцией показывает, что температура на оболочке кабеля в месте утечки тока определяется мощностью тепловыделения и тепловыми потерями, связанными с типоразмерами электрического кабеля. При этом было установлено, что мощность локальных токов утечки для электрических кабелей с резиновой изоляцией менее 14 Вт не приводит к пожароопасным последствиям, а превышение величины локальных токов утечки более 88 мА приводит к наиболее пожароопасному режиму, а именно: к короткому замыканию между фазами электрической сети.

На рис. 1 представлен график изменения температуры оболочки электрического кабеля марки КРПГ 3x16 во времени, при мощности тока утечки - 18 Вт.

Время,ч

Рис. 1. Изменение температуры нагрева оболочки кабеля во времени

Как видно из рис. 1, в начале эксперимента температура на оболочке кабеля составляет около 200 °С, а через 10 ч с момента начала эксперимента наблюдается резкое увеличение температуры - более 350 °С. Это обусловлено тем, что разложение изоляции жил кабеля под воздействием локального источника тепла привело к появлению дополнительного источника, вызванного протеканием тока между фазами электрической сети. После 13 ч эксперимента наблюдается незначительное снижение температуры, а затем повторный ее рост. Через 20 ч по-

сле начала испытаний произошло короткое замыкание между фазами электрической сети, которое сопровождалось воспламенением предварительно прогретой оболочки кабеля и разлетом раскаленных частиц металла в радиусе около 0,9 м.

Дальнейшими экспериментальными исследованиями установлено, что только при уменьшении значения мощности выделения теплоты до 14 Вт в течение всего эксперимента наблюдалось незначительное увеличение температуры оболочки кабеля до 180 °С. Эта температура не превысила значения температуры начала разложения материала изоляции жил кабеля. Результаты повторных испытаний показали их удовлетворительную сходимость.

Кроме того, были установлены максимально допустимые температуры нагрева проводов и кабелей. Так, для отечественных проводов и кабелей (с изоляцией из ПВХ и резины) температура нагрева составляет 120 °С, а с изоляцией из полиэтилена - 104-108 °С [7].

Таким образом, было установлено, что условия пожаробезопасности токов утечки могут быть обеспечены, если фактические значения параметров тепловой мощности Р$ш, тока /факт и емкости фаз СфШ будут НИЖв ЭНЭЛОГИЧНЫХ допустимых параметров сети: /’факт < 14 Вт; ^закт < 0,088 А; Сфакт < 0,6 мкФ.

Как известно, аппараты защиты срабатывают не мгновенно, а являются устройствами инерционными. При этом очень важно оценить температуру (а значит и пожарную опасность), до которой разогреется электропроводка. С учетом того, что аппараты защиты являются инерционными устройствами, важно установить значение температуры, до которой разогревается электропроводка, пока ток не будет отключен аппаратом защиты.

На основе уравнения теплового баланса получена зависимость температуры нагрева изоляции электрического провода электрической сети от величины протекающего тока и времени его воздействия T.

()=Т + Т

''■'1

у|/2 (ю -1)/ + у2со (ю -1) — + \|/2(о(м - 1)(3ш - 2) —-

2! 3!

(3)

где со, уч, \\12,51, 82, 8з, 64, 85, 56 - комплекс переменных величин, определяемых как:

V'; =

(1 + 8Д-8,)

+ 1;

_ 53 + 65 _ 1 + 8,

2 .

1 I

/2

/ Р о

Я — ж

01 —5-----------

€Ужсув

02 =

2

I Р 0«

ж

& жС 0

8з Тъ фж,

У ИЗ ^3^3° Уж$жС0

_ У ИЗ ^из ^0 Физ

05--------------------

Уж^ж^о

= 2пгюа ■ УАС0

Тв - первоначальная температура воздуха, °С; I- сила тока в электрической сети, А; /- время, с; гиз - радиус от центра жилы до наружного края изоляции, м; ¿ж, ¿из - площадь поперечного сечения жилы и изоляции, соответственно, м2; С*, Сиз - теплоемкость материала жилы и изоляции, соответственно, Дж/град; уж, уиз - плотность материала жилы и изоляции, соответственно, кг/м3; а- коэффициент теплопередачи от изоляции в воздух, Вт/м2 град; рж=, Сж°-, Сиз2 - начальные значения параметров удельного электрического сопротивления, теплоемкости жилы и изоляции; а - термический коэффициент удельного электрического сопротивления материала жилы; фж, физ - термический коэффициент теплоемкости материала жилы и изоляции, соответственно.

Выражение (3) может быть использовано в качестве математической модели пожарной опасности электрических сетей, которое позволяет определять температуру изоляции электрических проводок в зависимости от режима их эксплуатации и продолжительности работы.

Проведена программная реализация разработанной математической модели, результаты которой представлены в виде аналитических расчетов температурного режима эксплуатации провода марки ПВ1 х2,5. В табл. 3 приведены результаты аналитических расчетов температурного нагрева провода марки ПВ 1 *2,5 во времени при различных значениях тока нагрузки.

Таблица 3

Результаты теоретических исследований нагрева провода марки ПВ 1 *2,5

Время, с Токи нагрузки,

Т /теор» Т “Г /экст АТ, % Т 'теор> ^ Т °Г 'эксп> АТ, % Т вГ 7теор> Т °Г хэксп> АТ, %

0 20 19,5 2,56 20 20 0 20 20 0

10 26,94 26 3,62 30,76 30,5 0,85 35,34 36 -1,83

20 33,67 34 -0,97 41,02 41,5 -1,16 49,69 52 -4,44

30 40,22 41,5 -3,08 50,85 49 3,78 63,16 67 -5,73

40 46,58 47,5 -1,9 60,24 61 -1,25 75,78 82 -7,59

50 52,77 55 -4,05 69,23 71,5 -3,17 87,62 95,5 -8,25

60 58,77 61 -3,66 77,81 80,5 -3,34 98,71 110,5 -10,67

70 64,60 67 -3,58 86,02 90,5 -4,95 109,13 125 -12,7

80 70,27 74 -5,04 93,86 99 -5,19 118,91 136,5 -12,8

90 75,78 79 -4,08 101,37 107 -5,26 128,14 141 -9,12

100 81,13 85 -4,55 108,56 114 -4,77 136,86 144 -4,96

110 86,33 90,5 -4,61 115,44 120,5 -4,2 145,13 149,5 -2,92

120 91,38 95 -3,81 122,05 126 -3,13 152,99 159 -3,78

130 96,29 99 -2,74 128,39 133 -3,47 160,52 168 -4,45

140 101,07 103 -1,87 134,49 138 -2,54 167,76 178 -5,75

150 105,72 105 0,68 140,36 145 -3,2 174,77 187 -6,54

160 110,24 108 2,07 146,03 150 -2,65 181,61 195 -6,84

170 114,64 110 4,22 151,50 154 -1,62 188,34 203 -7,22

180 118,9 112 6,17 156,7 157,5 -0,45 194,9 210,5 -7,37

На рис. 2. представлены теоретические и эксплуатационные характеристики изменения температуры нагрева провода марки ПВ 1 *2,5 в зависимости от времени.

Время, мин

Рис. 2. Температурно-временная характеристика эксплуатации провода марки ПВ 1 *2,5

Выводы и предложения

1. Определение пожароопасных параметров мощности и величин токов утечки является актуальной проблемой, имеющей практическую направленность, непосредственно связанную с обеспечением пожарной безопасности проводов и кабелей электрических сетей.

2. Разработанная математическая модель пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей позволяет определять температуру нагрева изоляции электрических проводов от величины протекающего тока и длительности его воздействия.

3. Определены условия пожаробезопасности токов утечки в кабелях с резиновой изоляцией, которые могут быть обеспечены, если фактические значения параметров мощности в электрической цепи тока утечки составляют й 14 Вт, а величина локального тока утечки -к < 0,088 А. Данный подход к определению фактических параметров пожароопасных режимов работы ряда типов проводов и кабелей позволяет обеспечить пожарную безопасность электрических сетей на этапе проектирования и разработки.

4. По результатам анализа нормативно-технической документации определено, что силовые и монтажные провода не подлежат обязательной сертификации в области пожарной безопасности, но учитывая большое количество пожаров от этого вида электрических изделий (10-13 % от всех пожаров) необходимо включить силовые и монтажные электрические провода в «Перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации в области пожарной безопасности».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черкасов В. Н, Костарев Н П. Пожарная безопасность электроустановок. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2002. - 377 с.

2. Смелков Г И, Смирнов В. В, Сашин В. Н Пожарная опасность длительных по времени локальных токов утечки в электрических сетях с изолированной нейтралью // Пожаровзрывобезопасность. - 1994. - № 4.

3. Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - 414 с.

4. Смелков Г Н, Александров А. А., ПехотиковВ. А. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электротехнических устройствах. - М.: Стройиздат, 1980. - 87 с.

5. Тюгай С. И, Смирнов В. В, Иванов Е А. Нормирование токов утечки на корпус по условиям пожаробезопасности. - Изв. ГЭТУ,1993. Вып. 463. - С. 52-58.

6. Поединцев И Ф, СмирновВ. В, БойцовВ. Ф. Методика исследования зажигания оболочки кабеля локальными токами утечки // В сб. «Вопросы развития и автоматизации судовых электроэнергетических систем». ВНТО им. Акад. А. Н. Крылова. Вып. 521. - Л., 1992. - С. 64-68.

7. Зыков В. И, Анисимов Ю И, Малашенков Г И Противопожарная защита электрических сетей от токов утечки. // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф., Ч. 1. - М.: ВНИИПО, 2003. - С. 182-185.

БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 614.891.46:643.5

В. М. Сонечкин

кандидат технических наук, доцент

Л. Т. Панасевич

А. Рачкаускас

заместитель директора Департамента пожарно-спасательной службы при МВД Литовской Республики

Г. В. Хорватх

ведущий главный специалист Главного управления пожарной охраны г. Будапешта, Венгрия

V. Sonechkin, L. Panasevich, A. Rachkauskas, G. Horvath

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗВИХРЕНИЯ ПЫЛИ В ОБЪЕМЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Приведены аналитические зависимости, позволяющие определить возможность возникновения опасных концентраций взвешенной в воздухе пыли при выбранном оборудовании и выбранных параметрах системы пылеудаления из рабочего объема оборудования.

Ключевые слова: древесная пыль, пылевоздушная смесь, пожаровзрывобезопасность.

CONDITIONS OF WHIRLWIND FOR A DUST IN AN INDUSTRIAL PREMISE

Analytical dependences for definition of dangerous concentration of the weighed dust are resulted at the certain parameters of system for removal of a dust from volume of working.

Keywords: the timber dust, the air-dust, the fire-explosion safety.

При механической обработке древесных материалов происходит образование и накопление большого количества горючих отходов, в том числе и в виде пыли, способной образовать с воздухом взрывоопасные смеси и тем самым создать высокую степень пожаровзрывоопасности производства. При этом особенностью процесса механической обработки древесных материалов является то, что образование и накопление горючих отходов происходит при нормальном режиме работы технологического оборудования [1, 2].

В случае взвихрения и при наличии источника зажигания пылевоздушная смесь может взорваться. В процессе механической обработки образующаяся пыль может нагреваться и выделять