CC BY
57СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воловик М. А. Проектирование структур сложных микропроцессорных систем // Сб. докл. 111-й ме-ждунар. конф. «Микропроцессорные системы автоматики». - Новосибирск, 1996. - С. 11-12.
2. Пархоменко П. П, Согомонян Е. С. Основы технической диагностики / Под ред. П. П. Пархоменко. -М.: Энергия, 1981. - 320 с.
3. Михайлов В В., Кириевский Е В., Ульяницкий Е. М. и др. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты / Под ред. В. П. Морозкина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.
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, доцент кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России
V. Zykov, G. Malashenkov
ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Рассмотрены результаты исследований процессов старения и разрушения изоляции электрических кабелей, приводящих к возникновению токов утечки. На основе полученных результатов разработан метод количественной оценки опасности воспламенения электроизоляционных материалов проводов и кабелей электрических сетей в период их постоянной эксплуатации. Разработано устройство многофункциональной защиты на базе использования трансформатора тока утечки, которое позволяет осуществлять защиту человека от поражения электрическим током.
Ключевые слова: пожарная опасность, электрическая сеть, кабель, провод.
ESTIMATION OF FIRE RISK OF ELECTRIC MAINS
The results of studies of aging and to isolate the electrical cables leading to the emergence of current leakage are given. Based on the results, a method of quantifying the risk of ignition of electric wires and cables of electric networks during an ongoing operation is developed. The multi-device protection, using the transformer leakage current, which allows to protect the human of an electric shock, is developed.
Keywords: fire risk, electric mains, cable, wire.
Кабели и провода электрических сетей промышленных предприятий и жилых домов довольно часто являются причиной пожара. Возникновению пожара способствует появление целого ряда событий, каждое из которых зависит от эксплуатационных параметров электрической сети.
В процессе эксплуатации электрических кабелей и проводов, в зависимости от уровня их защищенности, возможно разрушение изоляции, приводящее к возникновению токов утечки. Этот процесс носит случайный характер и зависит от времени эксплуатации и режимов работы. При оценке пожарной опасности электрических кабелей и проводов необходимо учитывать случайность процесса, приводящего к выходу из строя изоляции.
С точки зрения возникновения пожара интерес представляет определение длительности эксплуатации электрических кабелей и проводов до появления токов утечки, приводящих к короткому замыканию и последующему воспламенению изоляции. Эта длительность определяется
ресурсом проводов, а точнее ресурсом их изоляции. При определении ресурса изоляции электрических кабелей и проводов наиболее широкое применение нашел метод ускоренных испытаний, где ускоряющим фактором является температура [1]. С точки зрения надежности этот метод позволяет получить достаточно достоверные данные по ресурсу электрического провода, но их недостаточно для оценки пожарной опасности электрических кабелей и проводов, так как существуют условия, при которых пробой изоляции не приводит к ее последующему воспламенению.
Одной из проблем эксплуатации кабелей и проводов электрической сети является возникновение токов утечки через изоляцию, сопровождающееся последующим воспламенением. Сложность решения данной проблемы заключается в значительной трудоемкости определения ресурса изоляции, интенсивности появления пожароопасных отказов и вероятности их возникновения. Исследование закономерности старения изоляции электрических кабелей и проводов при их эксплуатации и возможности их последующего воспламенения, а также методы количественной оценки вероятности возникновения пожара на сегодняшний день весьма актуальны.
Исходя из допущения, что закон распределения появления пожароопасных отказов в электрических сетях является экспоненциальным, вероятность возникновения токов утечки через изоляцию - / может быть определена с помощью следующего выражения:
Рут = 1 - е " 1/Тн , (1)
где /- время эксплуатации электрического провода, для которого определяется вероятность возникновения токов утечки через изоляцию;
тн - наработка на отказ электрической сети при длительно-допустимой температуре.
Для реальной прокладки электрических кабелей и проводов длиной Д выражение (1) для определения вероятности Рут, примет несколько иной вид.
Для установления этого вида разобьем всю длину реальной прокладки проводов на А/участков, длиной по 1 м. Тогда количество разбиений составит величину:
п= Д/ Д/. (2)
Появление токов утечки через изоляцию, приводящих к воспламенению, на каждом /м из п участков носит случайный характер и является независимым событием. Исходя из этого, вероятность отказа изоляции, приводящая к возникновению токов утечки в проводах, имеющих длину Д, будет определяться как результирующая вероятность - /тут для пнезависимых событий:
Ртут = 1 - [1 - (1 - е)-# Т1 Д/ Д1 , (3)
где Д/- длина участка провода, равная 1 м;
Д - длина провода в прокладке, м.
Таким образом, при протекании тока по проводнику вследствие нагрева токопроводящей жилы происходит тепловое старение изоляции. В результате этого, через определенный период времени с начала эксплуатации электрического кабеля или провода возникает ток утечки, приводящий к замыканию между жилами через локальный участок состарившейся изоляции.
Зная значение времени наработки до первого отказа изоляции тн можно определить вероятность отказа /т изоляции, приводящего к возникновению токов утечки в электрических кабелях и проводах в зависимости от их длины и длительности эксплуатации. В расчетах вероятности возникновения пожара от электрических кабелей и проводов время / должно быть взято равным 8760 ч (что составляет 1 год) в соответствии с требованием, регламентирующим допустимое значение вероятности возникновения пожара в течение года.
Практически, на реальных объектах, часто невозможно оценить пожарную опасность существующих электрических сетей. Связано это с тем, что очень сложно одновременно оценивать широкий спектр аварийных режимов работы электрических сетей и поведение изоляции электрических кабелей в реальном масштабе времени. По факту появления токов утечки в электрическом кабеле или проводе можно косвенно судить об анормальности их эксплуатации и наступлении аварийных режимов их работы, которые могут привести к разрушению изоляции и последующему воспламенению электрического кабеля.
Оценивать пожарную опасность электрического кабеля или провода только по токам перегрузки или по токам короткого замыкания, протекающих в них, не совсем корректно, т. к. для нового провода или кабеля, находящегося в эксплуатации короткое время, данное значение тока и длительность его протекания не являются пожароопасными. Увеличение сроков эксплуатации кабелей и проводов при тех же равных значениях силы тока и длительности их протекания повышает пожароопасность. Поэтому для обеспечения безопасных условий эксплуатации электрических кабелей и проводов необходимо одновременно оценивать (контролировать) режимы их работы и проводить измерения токов утечки, возникающих при их эксплуатации. Зная критические значения контролируемых величин токов утечки, можно судить о пожарной опасности электрического кабеля или провода. Таким образом, можно утверждать, что в качестве критерия количественной оценки пожарной опасности электрических сетей могут быть выбраны критические значения токов утечки для различных видов кабелей, приводящих к пожароопасному режиму их эксплуатации.
В настоящее время не существует технических средств, позволяющих одновременно оценивать аварийные режимы, протекающие в проводах и кабелях, и токи утечки, по наличию которых можно косвенно судить о пожарной опасности различных видов кабелей.
Для этих целей могут быть использованы устройства защитного отключения (УЗО), с помощью которых может быть проведена оценка токов утечки, а затем, с помощью модифицированного выражения (3), возможно провести количественную оценку пожарной опасности электрических кабелей, проводов и электрических сетей в целом [1].
Расширение функциональных возможностей устройств защитного отключения с использованием трансформаторов тока утечки основано на разделении сигналов помехи (небаланса) и полезного сигнала (утечки). Это дает возможность при эксплуатации электроустановок осуществлять: защиту человека от поражения электрическим током; защиту от токов перегрузки и короткого замыкания; противопожарную защиту от теплового проявления токов утечки и многоуровневую защиту.
Уменьшение сигнала небаланса в трансформаторе тока реализовано за счет совершенствования конструкции самого трансформатора [2]. На основе результатов экспериментальных исследований разработана новая конструкция дифференциального трансформатора тока, позволяющая обеспечить компенсацию сигналов небаланса.
На рис. 1 представлена конструкция трансформатора тока утечки, когда через два одинаковых тороидальных сердечника с одинаковыми вторичными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на угол 180°, пропущены одинаково ориентированные фазные проводники, смещенные относительно друг друга на 120°. При такой конструкции трансформатора во вторичных обмотках двух тороидальных сердечников от действия потоков рассеивания Фст2 (пунктирные линии), наводятся одинаковые по величине, но противоположно направленные синусоидальные сигналы небаланса, величиной енб. При появлении тока утечки (например, в одной из фаз) создается магнитный поток, изменяющийся по синусоидальному закону (его направление показано стрелкой). Изменяющийся магнитный поток наводит во вторичных обмотках одинаковые
по величине и направлению полезные сигналы - еут. Если обмотки трансформаторов соединить последовательно, то происходит компенсация сигналов небаланса енб и сложение полезных сигналов еут.
С А В
е
Рис. 1. Схема компенсации сигналов небаланса с использованием двух тороидальных сердечников
Данный способ может быть выполнен на одном сердечнике за счет конструктивного выполнения первичной и вторичных обмоток. Также данный способ компенсации сигнала небаланса позволяет решить задачу создания дифференциального трансформатора тока, обеспечивающего гальваническое разделение сигналов разностного тока, пропорционального току утечки, и сигнала небаланса, пропорционального току нагрузки. При этом появляется возможность на базе предлагаемых трансформаторов тока разработать новые устройства защитного отключения с расширенными функциональными возможностями, т. е. создавать устройства, более чувствительные к токам утечки. Таким образом, возможно создание унифицированного и более надежного устройства защиты от ложных срабатываний при токах перегрузки, т. е. создание устройства, позволяющего настраивать его на различные токи нагрузки, изменять чувствительность к токам утечки и соблюдать условие селективности.
На рис. 2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока утечки нового типа в трехфазную сеть без нейтрального проводника, что позволяет разделять сигнал утечки, пропорциональный току утечки, и сигналы небаланса (помехи), пропорциональные токам нагрузки в фазах [3].
2енб с ■0 <----------- &
Рис. 2. Конструкция дифференциального трансформатора тока:
1 - сердечник; 2- первичная обмотка; 3- держатель; 4- вторичная обмотка первой секции; 5 6- вторичная обмотка второй секции
Новый тип дифференциального трансформатора позволяет гальванически разделить сигналы разностного тока и нагрузки, что дает возможность создавать многофункциональные устройства на базе всех предлагаемых вариантов дифференциального трансформатора тока с защитой не только от токов утечки, но и от токов перегрузки и короткого замыкания. Такие устройства перспективны еще и потому, что с их появлением отпадет необходимость установки в токовые цепи аппаратов защиты тепловых и электромагнитных реле, ограничивающих своими собственными сопротивлениями токи нагрузки и короткого замыкания. В результате была разработана новая конструкция дифференциального трансформатора тока утечки и реализовано его изготовление.
Расширение функциональных возможностей УЗО с использованием трансформатора тока утечки, основанного на разделении сигналов помехи (небаланса) и полезного сигнала (утечки), дает возможность при эксплуатации электроустановок осуществлять:
- защиту человека от поражения электрическим током;
- защиту от токов перегрузки и короткого замыкания;
- противопожарную защиту от теплового проявления токов утечки;
- многоуровневую защиту.
Таким образом, предлагается унифицированное и более надежное устройство защиты от ложных срабатываний при токах перегрузки, позволяющее настраивать его на различные токи нагрузки, изменять чувствительность к токам утечки и соблюдать условие селективности.
На рис. 3 представлена блок-схема устройства многофункциональной защиты на базе разработанного трансформатора тока утечки. Устройство включает в себя следующие блоки: трансформатор тока утечки - 1; регулируемый усилитель - 2 4 многоуровневый компаратор - 3 блок управления - 5 логическую схему совпадения «Или» - 6 усилитель с релейным блоком и его контактами «К» - 7
2
3
0
Рис. 3. Блок-схема устройства многофункциональной защиты от токов утечки
Предлагаемое устройство многофункциональной защиты на базе использования трансформатора тока утечки осуществляет защиту человека от поражения электрическим током и противопожарную защиту от теплового воздействия тока утечки, токов перегрузки и токов короткого замыкания.
Разработан алгоритм функционирования блок-схемы устройства защиты, который заключается в следующем: при отсутствии тока утечки сигнал, пропорциональный току нагрузки, поступает с выхода трансформатора 1 на вход регулируемого усилителя 4. С помощью усилителя можно изменять коэффициент усиления и уровень выходного сигнала, таким образом, чтобы на выходе усилителя при различных номинальных токах нагрузки был сигнал одного уровня, при котором начинает функционировать блок управления 5
При поступлении на блок управления 5 сигнала, превышающего пороговое значение, загорается индикатор, что говорит о перегрузке. Одновременно блок управления формирует время-токовую зависимость, аналогичную аппаратам защиты (предохранители, тепловые реле, автоматические воздушные выключатели). Данная зависимость формируется таким образом, чтобы на выходе блока управления сформировался сигнал за время хоткл < тнагр. При этом тоткл - время формирования сигнала на отключение блоком управления в зависимости от величины рабочего тока; тнагр - время достижения нагрузкой предельно-допустимой температуры в зависимости от величины рабочего тока.
Выводы
1. По результатам исследования пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей разработан метод оценки пожарной опасности электрических сетей, позволяющий проводить количественную оценку пожарной опасности современных проводов и кабелей по величине возникающих в них токов утечки при одновременной оценке аварийных режимов их работы.
/
К
2. Разработано устройство многофункциональной защиты на базе использования трансформатора тока утечки, которое позволяет осуществлять защиту человека от поражения электрическим током и одновременно обеспечивать противопожарную защиту от теплового воздействия тока утечки, токов перегрузки и токов короткого замыкания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зыков В. И, Анисимов Ю. Н.. Малашенков Г Н. Противопожарная защита электрических сетей от токов утечки // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы ХУІІІ-й науч.-практ. конф. - Ч. 1. -М.: ВНИИПО, 2003. - С. 182-185.
2. Костарев Н. П., Малашенков Г. Н, Анисимов Ю. Н. Физические основы работы трансформатора тока нулевой последовательности // Пожары и окружающая среда: Материалы ХУІІ-й Международной на-уч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО, 2002. - С. 187-189.
3. Анисимов Ю. Н.. Малашенков Г. Н. Патент на изобретение. № 2260865. Дифференциальный трансформатор тока. Заявка № 2003133250/09. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 сентября 2005 г, опубликовано 20.09.2005. Бюлл. № 26.
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 614.8/843:66
С. Н. Ланин
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры процессов горения Академии ГПС МЧС России
И. Р. Бегишев
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой процессов горения Академии ГПС МЧС России
А. С. Андросов
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры процессов горения Академии ГПС МЧС России
А. К. Беликов
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры процессов горения Академии ГПС МЧС России
А. В. Бабурин
старший преподаватель кафедры процессов горения Академии ГПС МЧС России
П. В. Комраков
кандидат технических наук, доцент кафедры процессов горения Академии ГПС МЧС России
S. Lanin, I. Begishev, A. Androsov, A. Belikov, A. Baburin, P. Komrakov
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ГРУНТОВ
Исследовано образование взрывоопасных паровоздушных смесей над поверхностью загрязненных нефтепродуктами грунтов. Приведена методика испытаний.
Ключевые слова: взрывоопасность паровоздушных смесей, нефтепродукты.
