CC BY
13
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) FIRE SAFETY (TECHNICAL)
УДК 614.841.415:621.31
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОЖАРНУЮ ОПАСНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ НА ОСНОВЕ ПВХ-ДИЭЛЕКТРИКОВ
И. А. БОГДАНОВ, С. А. ШАБУНИН, С. Н. УЛЬЕВА, А. Л. НИКИФОРОВ, И. Ю. ШАРАБАНОВА
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: i.a.bogdanov@bk.ru, sergeyshabunin@yandex.ru, jivotjagina@mail.ru, anikiforoff@list.ru, sharabanova@bk.ru
В статье приводятся результаты оценки влияния термического старения на пожарную опасность ПВХ-изоляции электрокабельной продукции. Отмечено, что старение вызывает необратимые структурные изменения, приводящие к снижению изолирующей способности изоляции, что увеличивает вероятность возникновения электрического пробоя и короткого замыкания.
Ключевые слова: ПВХ-изоляция, термодеструкция, старение полимеров, пожарная опасность, термический анализ, кислородный индекс.
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF TEMPERATURE IMPACTS ON THE FIRE HAZARD OF INSULATION BASED ON PVC-DIELECTRIC
I. A. BOGDANOV, S. A. SHABUNIN, S. N. UL'EVA, A. L. NIKIFOROV, I. Y. SHARABANOVA
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Е-mail: i.a.bogdanov@bk.ru, sergeyshabunin@yandex.ru, jivotjagina@mail.ru, anikiforoff@list.ru, sharabanova@bk.ru
The article presents the results of assessing the effect of thermal aging on the fire hazard of PVC insulation of electrical cable products. It is noted that aging causes irreversible structural changes, leading to a decrease in the insulating ability of the insulation, which increases the likelihood of electrical breakdown and short circuit.
Key words: PVC insulation, thermal degradation, polymer aging, fire hazard, thermal analysis, oxygen index.
Последние годы количество пожаров по причине нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования неуклонно растет (рис. 1). Вышеуказанная причина пожаров традиционно занимает лидирующую позицию согласно статистике пожаров. Важно понимать, что за сухими цифрами статистики стоят реальные человеческие жизни. Только в 2021 году на пожарах по причине нарушения
© Богданов И. А., Шабунин С. А., Ульева С. Н., Никифоров А. Л., Шарабанова И. Ю., 2022
правил устройства и эксплуатации электрооборудования погибло 2325 человек1.
Одной из наиболее часто встречающихся причин пожара является пробой изоляции. Существуют следующие виды пробоя: тепловой и электрический. Тепловой пробой происходит при условии, что тепловыделение в изоляции превышает количество отводимого тепла. Такой пробой развивается постепенно и завершается, как правило, в тех местах, где в
1 Пожары и пожарная безопасность в 2021 году: статист. сб. Балашиха: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2022. 114 с.
связи с повышением диэлектрических потерь рост температуры интенсифицируется. Повышенная температура окружающей среды может способствовать развитию теплового пробоя, что позволяет говорить о том, что вследствие пробоя могут возникать вторичные очаги пожара. Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимают пробой изоляции в наиболее уязвимом месте, обычно он связан с локальным разрушением изоляции кабельной продукции. Как правило, пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вызванный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя [1].
70000 60000
я
и
§ 50000
& 40528
2017
Рис. 1. Распределение количества пожаров
в Российской Федерации по причине нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования за 2017-2021 гг.
Одним из наиболее распространенных материалов, применяемых при производстве изоляции электропроводов и кабелей, является продукт переработки поливинилхлорида (ПВХ) - пластикат, который содержит термостабилизаторы, смазки, пигменты или красители, минеральные наполнители, эластомер, а также 30-90 массовых частей пластификатора, например, эфиров фталевой, фосфорной, себациновой или адипиновой кислот [2]. Самая простая композиция ПВХ-изоляции включает в себя: экструзионный поливинилхлорид, пластификатор (обычно диэтилфталат, дибутил-фталат), стабилизатор (стеарат кальция) и пигменты [2].
Таким образом, чрезвычайно важно правильно прогнозировать срок пожаробезопасного использования электрокабельных изделий, что невозможно без исследования изменения диэлектрических и физико-химических свойств, определяющих пожарную опасность изоляции в процессе эксплуатации. Смоделировать данный процесс представля-
ется возможным, в том числе, используя методики ускоренного старения изоляции.
Старение полимеров включает в себя воздействие как физических, так и химических процессов, которые протекают при различных жизненных циклах (хранении, переработки и эксплуатации). Как отмечают авторы [3], в полимерах происходят релаксационные процессы, направленные на установление термодинамического и статистического равновесия в физической системе. Данный процесс и называется «физическим старением». Установлено, что негативные факторы, приводящие к процессам старения, действуют как отдельно, так и в совокупности [4]. Исходя из вышесказанного, исследования, направленные на оценку влияния температурных воздействий на пожарную опасность изоляции на основе ПВХ-диэлектриков, являются чрезвычайно актуальными.
В процессе эксплуатации при электрической нагрузке токопроводящий металлический проводник нагревается. Выделяемое тепло приводит к нагреванию изоляции до невысоких температур (в сравнении с температурой начала деструкции ПВХ-пластиката - 180°С [5]). Данный нагрев не приводит к существенному разложению полимера. В противном случае, срок эксплуатации изоляции был бы неудовлетворительным для конечного потребителя.
В течение срока эксплуатации электрокабельной продукции (порядка 20 лет2) длительный нагрев приводит к появлению и аккумулированию дефектов химической структуры компонентов изоляции (в частности поливи-нилхлорида) и повреждению её структурной целостности [1].
Другим важным фактором, вызывающим старение полимеров, является УФ-излучение, провоцирующее фотоиндуцирован-ную деградацию полимеров, приводящую к их распаду на более короткие звенья и простые вещества [3].
Целью работы является оценка влияния термического старения на пожарную опасность ПВХ-изоляции кабельной продукции. В качестве объектов исследования была выбрана изоляция провода АПуВ 2,5 ГОСТ 26445-853 (производитель ООО «Калужский кабельный завод»), который широко применяется при стационарной прокладке в осветительных сетях, а также для монтажа электрооборудования, машин,
4
механизмов и станков .
2 Рубрика по монтажу электропроводки. URL: https://sdelalremont.ru/
3 ГОСТ 26445-85. Провода силовые изолированные. Общие технические условия. Введ. 1987-01-01. М., 1985. 19 с.
4 Электротехническая компания «Энергомаш». URL: https://enmash.ru/
57766
2018 2019 2020 2021
В качестве методов исследования изменения пожароопасных свойств электрокабельной продукции в результате термического старения были выбраны: синхронный термический анализ [5], позволяющий диагностировать микро-изменения химического состава и строения; определение показателя кислородного индекса, отражающего общую горючесть полимерных материалов.
Искусственное старение изоляции проводили методом выдержки 3 образцов в сушильном шкафу в воздушной среде при температуре 150 0С в течение 40 часов (до достижения указанного временного интервала инструментальные методы исследования не регистрировали изменений). При температуре 150 С не происходит термического разложения ПВХ-пластиката (термодеструкция начинается при 180 0С) [5].
Исследование термических характеристик изолирующих поливинилхлоридных покрытий всех выбранных образцов проводилось методом синхронного термического анализа (ТГ+ДСК) в азотно-кислородной атмосфере (содержание кислорода в системе составило 21 %) в интервале температур от 70 до 750 0С при помощи термического анализатора Setsys Evolution («Setaram Instrumentation», Франция). Скорость нагрева составляла 5 0С/мин. Досто-
верность данных подтверждалась тремя параллельными испытаниями для каждого образца.
Определение кислородного индекса осуществляли согласно п. 4.14. ГОСТ 12.1.044-895.
Результаты термических исследований представлены на рис. 2-4. Термическое разложение старенного и нестаренного образца имеет схожий характер (одинаковые интервалы термического разложения, схожие наклоны кривой потери массы и положение максимумов на кривой теплового потока). Отличие заключается в проценте потери массы в интервале температур 200-3500С: у нестаренного образца процент потери составил почти 60 %, у старенного - 50 %.
Известно, что в данном интервале температур выделяется HCl при разложении по-ливинилхлорида [6]. По величине остаточной массы после данного интервала возможно оценить содержание поливинилхлорида в составе исходного образца. Различия в остаточной массе между старенными и нестаренными образцами объясняются деструкцией полимера в процессе его теплового старения, в результате чего происходит снижение количества поливинилхлорида в изоляции электрокабельной продукции в следствие термофлукта-ционных и релаксационных процессов.
Рис. 2. Результаты термографического исследования ПВХ изоляции нестаренного провода
Рис. 3. Результаты термографического исследования ПВХ изоляции старенного провода
Температура образца, С Рис. 4. Изменение массы (в % от исходной) нестаренного и старенного образцов
Ввиду низкой диэлектрической проницаемости поливинилхлорид обладает электроизолирующими свойствами, чем обусловлено его применение в составе изоляции электрокабельных изделий. Соответственно, можно предположить, что с уменьшением содержания ПВХ в изоляции электрокабельной продукции её изолирующие свойства будут также уменьшаться. Поэтому в процессе эксплуатации электрокабельной продукции вероятность короткого замыкания вследствие прокалывающего пробоя с течением времени увеличивается, что в свою очередь увеличивает риск возгорания.
Стоит отметить, что в процессе старения изоляции происходит образование углеродных связей между соседними цепями молекул ПВХ [7]. Образование таких связей, вероятно, происходит в результате отщепления атомов Cl из полимерной цепи. На рис. 5 показана предположительная структура углеродных связей между фрагментами двух соседних полимерных цепей ПВХ. Образование таких связей в структуре полимера увеличивает электропроводность, что снижает изолирующие свойства изоляции.
Значения кислородного индекса для старенных образцов изоляции составила 23,2, для нестаренных образцов - 23,6. Как видно из результатов, значение кислородного индекса незначительно снижается в процессе старения. Снижение значения может быть вызвано уменьшением количества хлоридных групп в составе полимера. При горении связь C-Cl в ПВХ разрывается с образованием различных газообразных хлорсодержащих соединений (хлороводород, оксиды хлора), которые вытесняют кислород из зоны горения, снижая тем самым его локальную концентрацию.
Список литературы
1. Павлова С. В. Причины пробоя изоляции силовых кабелей // Молодой ученый. 2011. № 6 (29). Т. 1. С. 92-95.
2. Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии. Вып. № 2, 2002; № 4,5,7,8,9,10, 2003.
3. Структурные изменения в смесях линейных полимеров в процессе их физического старения / Н. В. Бабкина, Л. Ф. Косянчук, Т. Т. Тодосийчук [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2012. Т. 54. № 2. С. 256.
4. White J.R. Comp. Rend. Chim. 2006, vol. 9, P. 1396.
5. Ульева С. Н., Никифоров А. Л., Ша-бунин С. А. Возможности термических методов анализа при определении пожарной опасности полимерных изоляционных материалов электрокабельных изделий // Современные про-
Рис. 5. Предполагаемая структура углеродной связи между фрагментами двух соседних полимерных цепей ПВХ
Проведенное исследование показало, что тепловое старение ПВХ-изоляции при эксплуатации электрокабельной продукции повышает её пожарную опасность. Повышение пожарной опасности вызвано снижением электроизолирующих свойств ПВХ-изоляции, по причине её термической деструкции и образованием углеродных связей между соседними цепочками ПВХ. Нарушения в химической структуре вместе с потерей эластичности приводят к увеличению вероятности нарушения целостности изоляции, что повышает риск возникновения короткого замыкания, что, в свою очередь, может привести к пожару.
блемы гражданской защиты. 2021. № 4 (41). С.132-139.
6. Общая органическая химия. Т. 7. Под ред. Д. Бартона и У. Д. Оллиса. М.: Химия, 1984, 472 с.
7. Тагер А. А. Физико-химия полимеров. Издание 4-е, переработанное и дополненное. М.: Научный мир. 2007. 576 с.
References
1. Pavlova S. V. Prichiny proboya izoly-acii silovyh kabelej [Causes of insulation breakdown of power cables]. Molodoj uchenyj, 2011, vol. 1., issue 6 (29), pp. 92-95.
2. Polimernye materialy. Izdeliya, obo-rudovanie, tekhnologii [Polymeric materials. Products, equipment, technologies]. issue 2, 2002; isue 4,5,7,8,9,10, 2003.
3. Strukturnye izmeneniya v smesyah linejnyh polimerov v processe ih fizicheskogo
stareniya [Structural changes in mixtures of linear polymers during their physical aging] / N. V. Babkina, L. F. Kosyanchuk, T. T. Todo-sijchuk [et al.]. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A. 2012, vol. 54, issue 2, P. 256.
4. White J.R. Comp. Rend. Chim. 2006, vol. 9, P. 1396.
5. Ul'eva S. N., Nikiforov A. L., Shabu-nin S. A. Vozmozhnosti termicheskih metodov analiza pri opredelenii pozharnoj opasnosti po-limernyh izolyacionnyh materialov elektrokabel'n-yh izdelij [Possibilities of thermal analysis meth-
ods in determining the fire hazard of polymeric insulating materials of electrical cable products]. Sovremennye problemy grazhdanskoj zashchity, 2021, iossue 4 (41), pp. 132-139.
6. Obshchaya organicheskaya himiya Vol. 7. [General organic chemistry. Vol. 7.]. / Pod red. D. Bartona i U. D. Ollisa. M.: Himiya, 1984, 472 p.
7. Tager A. A. Fiziko-himiya polimerov [Physico-chemistry of polymers]. Izdanie 4-e, pererabotannoe i dopolnennoe. M.: Nauchnyj mir. 2007, 576 p.
Богданов Илья Андреевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт очной формы обучения
E-mail: i.a.bogdanov@bk.ru
Bogdanov Ilya Andreevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
postgraduate student
E-mail: i.a.bogdanov@bk.ru
Шабунин Сергей Александрович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, научный сотрудник
sergeyshabunin@yandex.ru
Shabunin Sergey Alexandrovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, Research Associate
E-mail: sergeyshabunin@yandex.ru
Ульева Светлана Николаевна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, доцент
E-mail: jivotjagina@mail.ru
Ulieva Svetlana Nikolaevna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, аssоciate professor
E-mail: jivotjagina@mail.ru
Никифоров Александр Леонидович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново доктор технических наук, профессор E-mail: anikiforoff@list.ru
Nikiforov Alexander Leonidovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Technical Sciences, professor
E-mail: anikiforoff@list.ru
Шарабанова Ирина Юрьевна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
кандидат медицинских наук, доцент, заместитель начальника академии по научной работе E-mail: sharabanova@bk.ru Sharabanova Irina Yurevna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of medical sciences, associate professor, Deputy head of the Academy for Scientific work E-mail: sharabanova@bk.ru
