CC BY
19
ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (В ЭНЕРГЕТИКЕ) / TECHNOSPHERE SAFETY (IN ENERGY)
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК, УНИВЕРСАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ И ИТОГИ
ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГИ
Научная статья
Мельников В.С.1' *
1 ORCID : 0000-0001-7153-9482;
1 Международный противопожарный центр, Москва, Российская Федерация
* Корреспондирующий автор (infoimex[at]mail.ru)
Аннотация
Статья является продолжением публикаций автора, посвящённых оценке эффективности защиты электроустановок от аварий и пожаров. В новом исследовании для анализа привлечены данные статистики по РФ и США, а также результаты физического моделирования пожароопасного режима. В центре внимания два решения. Первое связано с усилением роли сигнализаций и устройств дифференциального тока, второе с применением устройств защиты от дугового пробоя (выключателей дуги). Универсальный способ защиты (отключение штатных устройств дифференциального тока по внешнему сигналу) позволяет автоматически выполнять первоочередные действия при контроле электрических и неэлектрических показателей, а также одинаково реализуется с системами и автономными извещателями или датчиками, с пожарной и противоаварийной автоматикой. Напротив, защита от дугового пробоя, при которой выполняется контроль электрических искажений (шумов) в цепях электропитания, является узконаправленной. Подчёркнуто, что такой подход не позволяет своевременно предотвратить развитие аварийного режима электроустановок, приведены статистические данные за 9 лет закупки и массового внедрения выключателей дуги (AFCI) в США, когда число пожаров электрооборудования в жилых домах не уменьшалось. С учётом статистики и результатов испытаний рекомендовано внедрять универсальную защиту электроустановок. Её применение соответствует требованиям нормативных правовых актов и нормативных документов, основные компоненты (устройства автоматики и дифференциального тока) являются штатными, на их закупку не требуются дополнительные затраты, поэтому переход к универсальной защите доступен, в том числе для жилого сектора. Важно то, что универсальный подход реализуется без изменения проекта электроснабжения. Достаточно в технические задания на проектирование систем пожарных сигнализаций включать требование по обеспечению автоматического отключения электропитания по зонам контроля при обнаружении признаков пожарной опасности за счёт передачи сигнала на штатные устройства дифференциального тока.
Ключевые слова: пожарная безопасность, электроустановка, активная защита.
FIRE SAFETY OF ELECTRICAL INSTALLATIONS, A UNIVERSAL SOLUTION AND THE OUTCOME OF ARC
PROTECTION APPLICATIONS
Research article
Melnikov V.1' *
1 ORCID : 0000-0001-7153-9482;
1 International Fire Center, Moscow, Russian Federation
* Corresponding author (informex[at]mail.ru)
Abstract
The article is a continuation of the author's publications on evaluating the effectiveness of protection of electrical installations against accidents and fires. In the new study, statistical data for the Russian Federation and the USA, as well as the results of physical modelling of fire conditions, are used for an analysis. The focus is on two solutions. The first deals with strengthening the role of alarms and differential current devices, the second with the use of arc protection devices (arc switches). The universal method of protection (disconnection of normal differential current devices by an external signal) enables automatic priority actions for electrical and non-electrical parameters' control, and is implemented equally with systems and autonomous detectors or sensors, with fire and fault automatics. In contrast, arc-through protection, which monitors electrical distortion (noise) in power supply circuits, is narrowly focused. It is emphasized that this approach does not allow for the timely prevention of the development of an emergency mode of electrical installations. Statistics for 9 years of purchase and mass introduction of arc fault circuit interrupter (AFCI) in the USA, when the number of fires in residential buildings has not decreased, are quoted. In view of the statistics and test results, it is recommended that universal protection for electrical installations should be implemented. Its application complies with the requirements of regulations and normative documents, the main components (automation and differential current devices) are standard, no additional costs are required for their purchase, so the transition to universal protection is affordable, including the residential sector. What is important is that the universal approach is implemented without changing the power supply design. It is sufficient to include in the design specifications for fire alarm systems a requirement to ensure that the power supply to the control areas is automatically switched off when signs of fire danger are detected by sending a signal to the standard differential current devices.
Keywords: fire safety, electrical installation, active protection.
Введение
Задача защиты электроустановок от аварий и пожаров имеет ряд решений, среди которых в рамках настоящей статьи предлагается сравнение двух подходов. Первый связан с усилением роли устройств дифференциального (УДТ), второй - с применением выключателей дуги (AFCI, AFDD, УЗДП, УЗДЗ, УЗИс). Хотя в монографии [1] сказано, что эти решения могут дополнять друг друга, при проектировании реальных объектов из-за ограничения ресурсов при технико-экономическом обосновании приходится делать определённый выбор. Его в предыдущей публикации [2] предлагается выполнять с учётом последовательности появления признаков опасности (алгоритма зажигания). С целью продолжения этого исследования представляет интерес рассмотреть статистические и экспериментальные данные с точки зрения оценки эффективности защиты.
Обоснование решений
Требования пожарной безопасности к электроустановкам зданий и сооружений лаконично изложены в Статье 82 «Технического регламента...» (Федерального закона 123-Ф3 от 22.07.2008 в ред. 14.07.2022), где в п. 4 указано, что линии электроснабжения помещений зданий и сооружений должны иметь устройства защитного отключения, предотвращающие возникновение пожара. Там же в Статье 83, п.4 сказано, что автоматические установки пожаротушения и пожарной сигнализации должны обеспечивать подачу управляющих сигналов на технические средства управления инженерным оборудованием.
Система электроснабжения относится к инженерному оборудованию согласно п. 15 а) «Положения о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» (Постановлению правительства РФ от 16.02 2008 N 87 с изменениями на 20.04.2022), где в п. 26 также указано, что в проектах Раздел 9 «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» должен содержать описание и обоснование взаимодействия оборудования противопожарной защиты с инженерными системами зданий.
Таким образом, решение об отключении электропитания по сигналу пожарной (противоаварийной) автоматики полностью согласуется с положениями нормативных правовых актов. При этом наиболее доступный способ координации действий пожарной (противоаварийной) автоматики и системы электроснабжения известен уже более 10 лет и заключается в подаче управляющего сигнала на штатное устройство дифференциального тока [1].
Поясним принцип координации на примере электроснабжения и сигнализации одной из квартир многоквартирного дома (см. рис. 1).
Первая упрощённая схема (рис. 1а) содержит часть типового этажного щита, вводной автоматический выключатель QF типа С с номинальным током 32А, прибор учёта (счётчик) и устройство дифференциального тока QD (ВДТ) с номинальным током 40 А и значением номинального отключающего дифференциального тока 100 мА. Далее на схеме показана часть квартирного щита с вводным автоматическим выключателем QFl (С25) и шинами L, N Ре, а также часть системы пожарной сигнализации (СПС) с пожарными извещателями ИЩ...3, пожарным приемно-контрольным прибором (ППКП), либо с пожарным прибором управления (ППУ) или радиореле (РР). Между компонентами щита и сигнализации организовано соединение через автоматический выключатель QF2 (С1), резистор Rн и контакты выходного реле ППКП (ППУ, РР). Контроль исправности этой линии связи может быть выполнен с помощью слаботочного индикатора Л или через входную оптопару ППКП. Место соединения выбирается произвольно, либо с шинами квартирного щита Ре), либо в этажном щите после устройства дифференциального тока QD.
В рабочем режиме контакты выходного реле разомкнуты, сигнализация не оказывает влияния на электроснабжение, а при исправности линии связи постоянно горит индикатор Л. На появление признаков опасности реагируют пожарные извещатели ИЩ...3, в результате активизируются системы защиты (оповещения, противодымной вентиляции и т.д.) и одновременно замыкаются контакты выходного реле. Тогда через резистор RH возникает ток замыкания на землю, что приводит к отключению устройства дифференциального тока QD. По схеме видно, что отключение электропитания осуществляется только в той зоне контроля (в той квартире), где сработали пожарные извещатели.
Передача сигнала от извещателей может осуществляться по радиоканалу, как показано на схеме, или по проводному шлейфу. Также возможны различные варианты сигнала на выходе, например, кроме замыкания цепи в любой диагонали устройства дифференциального тока (по сути это реализуется приведённой схемой) возможно замыкание цепей в 2-х диагоналях четырёхполюсного устройства, либо подача управляющего напряжения на один или несколько полюсов.
Рисунок 1 - Схемы электроснабжения и пожарной сигнализации квартиры, обеспечивающие отключение по сигналу
управления (а) и с помощью выключателей дуги (б): QF - автоматические выключатели; QD - устройство дифференциального тока; Rн - резистор; ИП 1..3 - пожарные извещатели; ППКП — прибор приемно-контрольный пожарный; ППУ — прибор пожарный управления; РР -радиореле; Л - индикатор; УЗДП 1...УЗДП3 - выключатели дуги DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.1
Решение о координации действий систем сигнализации и электроснабжения сегодня реализовано на ряде объектов (в жилых и общественных зданиях, а также на производстве). Этому способствует комплекс сводов правил систем противопожарной защиты (СП 484.1311500.2020, СП 485.1311500.2020, СП 486.1311500.2020), который, в том числе предусматривает оборудование пожарной сигнализацией жилых многоквартирных зданий независимо от площади и как минимум автономными пожарными извещателями жилых одноквартирных зданий. Применение устройств дифференциального тока также предусмотрено нормативными документами (СП 256.1325800.2016, ГОСТ Р 50571.4.41—2022). Следовательно, на реализацию решения дополнительных затрат по основному оборудованию не требуется. Доступность координации показана на примерах для систем сигнализации и для автономных датчиков электрических и неэлектрических показателей в монографии [1].
Важно, что внешнее управление штатными устройствами дифференциального тока одинаково выполняется по сигналам, как пожарной, так и противоаварийной автоматики, что обеспечивает первоочередные действия при обнаружении любых признаков опасности (при утечке газа, при протечке воды, появлении вибрации, перегреве и т.д.). Поэтому рассматриваемое решение по технологии является универсальной защитой электроустановок от аварий и пожаров.
Второе решение сосредоточено на одном факторе, поскольку известные уже около 25 лет выключатели дуги [3], [4] реагируют на помехи (искажения электрических показателей), которые возникают при дуговом пробое.
Согласно своду правил СП 256.1325800.2016 необходимые для защиты от дуги устройства (УЗДП) устанавливают на основании проекта электроснабжения как минимум по одному на каждый фазный проводник квартирного щита, а при необходимости повысить степень защиты рекомендуется применить схему с защитой каждой отдельной группы. В случае применения выключателей дуги не отменяются никакие требования по использованию устройств
дифференциального тока и по оборудованию системы пожарной сигнализации, поэтому они также показана на схеме (рис. 1 б). Таким образом, появляются дополнительные расходы на проектирование, оборудование (в том числе на увеличение размеров щитов), монтажные работы, расходные материалы, замену брака и на периодическое обслуживание электроустановок.
Поскольку зона функционирования выключателей дуги ограничена, разработчики рекомендуют при проектировании закладывать издержки из расчёта применения одного устройства на 50 м2 защищаемого здания (помещения). Так, оказывается, что для небольшого школьного здания (5000 м2) необходимо 100 устройств и дополнительные расходы только по оборудованию составят около 1 млн рублей.
В 2022 году было инициировано изменение п. 35 «Правил противопожарного режима» (Постановления Правительства РФ от 16.09.2020 N 1479), которое предусматривало обязательное применение устройств защиты от дугового пробоя для ряда общественных зданий (общежитий, больниц, поликлиник, школ и т.д.). В протоколе расчёта стандартных издержек к проекту нормативного правового акта указана сумма затрат за счёт бюджетной системы РФ -74,5 миллиарда руб. (данные «Федерального портала проектов нормативных правовых актов», regulation.gov.ru). И это лишь минимальная оценка ущерба, а также причина высокой коррупционной ёмкости проекта.
Постановлением Правительства РФ от 28.05.2021 № 815 положения СП 256.1325800.2016 о защите от дугового пробоя были внесены в перечень обязательных нормативных документов, но затем исключены из этого перечня Постановлением Правительства РФ от 20.05.2022 № 914.
Очевидно, что дальнейшее продвижение решения требует веских научных (объективных) доказательств эффективности.
Методы и принципы исследования
С учётом результатов работы [2] при анализе статистических данных [5], [7], [9], [12] наиболее важно из общего объёма информации выделить сведения о пожарах, которые могут быть идентифицированы при контроле электрических и неэлектрических показателей, именно это позволит прогнозировать эффективность применения различных подходов для защиты электроустановок. Физическое моделирование пожароопасных ситуаций по тем же причинам должно быть нацелено на выявление первоочередных признаков опасности, а также на оценку конструкций, реализующих лучшие варианты защиты.
2.1 Статистика
Достигнутый уровень технологий защиты находится на пике результатов исследований и разработок, однако практический уровень, к сожалению, существенно ниже, и статистика пожаров отражает состояние реального обеспечения безопасности. Для анализа выборки из официальных данных [5] удобно преобразовать в круговые диаграммы (рис. 2). Они показывают, что среди основных причин возникновения пожаров в стране на втором месте находятся случаи, связанные с нарушением правил устройства и эксплуатации (НПУиЭ) электрооборудования (11,8% и 14,8% соответственно за 2020 и 2021 год). По выборкам для жилого сектора (рис. 3) показатели значительно хуже (35% и 38,9%), причём доля НПУиЭ электрооборудования здесь уже выше, чем у всех остальных причин пожаров. В связи с этим решение рассматриваемой задачи исключительно актуально для сохранения жизни и здоровья людей, а также для сокращения материального ущерба.
2020 год ( 439 306 пожаров ) 2021 год ( 390 764 пожара )
Рисунок 2 - Распределения основных причин возникновения пожаров в Российской Федерации по данным ист. [5]:
1 - неосторожное обращение с огнём; 2 - нарушение правил устройства и эксплуатации (НПУиЭ) электрооборудования; 3 - НПУиЭ печей; 4 - технологические, прочие и неустановленные причины; 5 - поджог; 6 -
НПУиЭ транспортных средств DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.2
2020 год (114 315 пожаров ) 2021 год ( 114 378 пожаров )
23,0% 5,6% 2,3% 22,7% 5,0% 2,7%
40 026 пожаров 44 464 пожара
Рисунок 3 - Распределения основных причин возникновения пожаров в жилом секторе по данным ист. [5]: 1 - неосторожное обращение с огнём; 2 - нарушение правил устройства и эксплуатации (НПУиЭ) электрооборудования; 3 - НПУиЭ печей; 4 - технологические, прочие и неустановленные причины; 5 - поджог; 6 -
НПУиЭ транспортных средств DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.3
Кроме числа пожаров ещё несколько показателей отражают существующую проблему (табл. 1). Тут следует отметить чрезвычайно высокую смертность и число погибших из-за отравления токсичными продуктами горения. Также важно то, что виновниками пожара часто становятся пожилые люди, т.к. они из-за самочувствия чаще других склонны совершать ошибки при эксплуатации оборудования и нуждаются в помощи. Далее в таблице показано фактическое отсутствие пожарной автоматики, она сопровождала менее 0,8.0,9 % случаев от числа пожаров (от 390 764 за 2021 г. и от 114 378 по жилому сектору) и то далеко не всегда выполняла свою задачу.
В связи с этим обосновано был принят упомянутый комплекс сводов правил противопожарной защиты. Но пока системы помощи человеку умного дома и безопасного производства не действуют, в результате люди не получают своевременное оповещение, также автоматика не выполняет первоочередные действия по предотвращению развития опасных ситуаций.
Таблица 1 - Выборочные сведения о пожарах в РФ DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.4
№ табл. в ист. [5] Показатели Год
2020 2021
1 Количество погибших 8 310 8 471
10 Количество погибших из-за отравления токсичными продуктами горения (63.60 % от общего числа), чел 5 223 5 090
13 Виновники пожара в возрасте от 60 лет и старше, чел 15 922 14 412
60 Наличие пожарной автоматики при пожарах (0,7.0,9 %), ед 2 879 3 019
60 Число пожаров, когда пожарная автоматика выполнила задачу 2 463 2 531
62 В том числе всего в жилом секторе (0,7. 0,9 %), ед 847 1 028
62 Пожарная автоматика выполнила задачу в жилом секторе, ед 669 840
Примечание: по ист. [5]
Поскольку универсальная защита электроустановок от аварий и пожаров нацелена на выполнение именно первоочередных действий, необходима оценка возможности своевременного отключения различного электрооборудования. По принятой номенклатуре изделий (устройств, материалов) места расположения источников зажигания относятся к 44 видам [5], из них 23 позиции содержат электрооборудование. Для анализа часть этих данных удобно объединить. Тогда по электрооборудованию получается 5 крупных групп и ещё в одну группу полезно объединить все виды газового оборудования (см. табл. 2). Добавляем его к рассмотрению, поскольку электрооборудование содержит наиболее вероятный источник зажигания в случае утечки газа. Принятое объединение даёт возможность получить значимые по количеству пожаров группы и наметить технологии пассивной и активной защиты в каждой группе.
Таблица 2 - Расположение источника зажигания, выборки из общих данных по РФ DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.5
Виды изделий Количество пожаров за год
Группа (устройств, материалов), на
которых (от которых) возник пожар 2019 2020 2021
1 Кабель, провод 33 484 34 865 40 232
Выключатель,
2 вилка, розетка, разветвитель 5 009 5 012 5 344
Распределительн
ый щит,
3 электросчётчик, автоматический выключатель 3 409 3 622 3 607
4 Электронагреват ельный прибор, плита, утюг 4 195 4 186 4 701
Осветительный
прибор,
5 холодильник, инструмент, СВЧ-печь и т.д. 5 671 5 627 5 339
Газовая плита,
6 баллон, колонка и т.д. 3 774 4 024 3 743
Примечание: по ист. [5]
Очевидно, что для 1-й группы необходимо локализовать потенциальный источник зажигания по всей длине проводников, и с этим лучше всего справляются кабельные каналы из негорючих материалов. Дополнительно можно контролировать температуру с помощью оптических или проводных линейных пожарных извещателей, по сигналам которых будут отключаться головные устройства дифференциального тока. Для 2-й группы требуется локальный контроль температуры проводников или деталей соединений. В 3-й группе рационально использовать щитовые пожарные извещатели или датчики продуктов деструкции термоиндикаторных наклеек. Пожарные извещатели общего назначения подойдут для контроля режима работы приборов 4-й группы. Безопасность 5-группы лучше всего гарантировать применением корпусов из негорючих материалов и в некоторых случаях датчиков неэлектрических показателей (температуры, вибрации и т.д.). Действие защиты 6-й группы должно осуществляться путём отключения электропитания при обнаружении утечки газовыми датчиками. Даже такое весьма краткое перечисление показывает, что достигнутый уровень технологий сегодня обеспечен решениями по защите любого оборудования, в том числе путём усиления роли сигнализаций и устройств дифференциального тока [1].
Альтернативный подход, а именно результаты применения выключателей дуги более уместно смотреть по статистике США. Там, как подробно разобрано в историческом обзоре [4], с 1999 по 2011 год технология прерывания цепи дугового замыкания постепенно усовершенствовалась и внедрялась в жилом секторе. В итоге обязательным стало применение устройств (AFCI) в общих комнатах, столовых, гостиных, библиотеках, кладовках, спальнях, соляриях, комнатах отдыха, шкафах, коридорах и в других помещениях. Для указанного начального периода было отмечено снижение числа пожаров, связанных с электрораспределительным и осветительным оборудованием, а также снижение общего числа пожаров, связанных с электричеством в домах.
Таблица 3 - Общая статистика показателей РФ и США по данным отчётов DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.6
Показатели Значение за год
2018 2019 2020 2021
Число пожаров в США, ед 1 318 500 1 291 500 1 388 500 1 350 000
Население США, тыс. чел 326 687 328 239 331 449 331 842
Число пожаров в жилом секторе США, ед 338 000
Число пожаров в РФ, ед 144 199 471 426 454 206 390 764
Население РФ, тыс. чел 146 880 146 780 146 748 146 171
Число пожаров в жилом секторе РФ, ед 114 378
Число пожаров в США на 1000 4,0 3,9 4,2 4,1
человек
Число пожаров в РФ на 1000 1,0 3,2 3,1 2,7
человек
Число пожаров в жилом секторе США на 1000 человек 1,0
Число пожаров в жилом секторе РФ на 1000 человек 0,8
Примечание: по ист. [5], [6], [7], [8]
Чтобы учитывать американский опыт в других странах необходимо сопоставить статистику пожаров. Поэтому в табл. 3 приведены обще сведения из ряда отчётов, которые показывают, что после изменения методики учёта в РФ с 2019 года наблюдается определённый паритет с данными по США для общего числа пожаров и для числа пожаров жилого сектора при расчёте на 1000 жителей.
На этом основании можно более уверенно говорить о том, что применение выключателей дуги в РФ приведёт к аналогичным результатам, несмотря на существенное отличие нормативной базы, материалов, изделий и условий эксплуатации электрооборудования. Только для правильной оценки необходимо отбросить начальный период, ведь в РФ с самого начала будут применяться усовершенствованные модели выключателей дуги, и США не сразу превратились в полигон для массовых испытаний, а вышли на стабильный рост числа выключателей дуги с 2012 г. С этого времени и следует смотреть официальную статистику о пожарах Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям США (USFA.FEMA.gov), которое в настоящее время предоставило открытый доступ к данным по 2020 год (см. табл. 4).
Таблица 4 - Пожары в жилых домах DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.7
Год Число пожаров Число пожаров электрооборудования Доля пожаров электрооборудования
Распределени я* Всего** Распределени я* Всего**
2012 374 000 20 200 43 500 5,4 11,6
2013 380 300 23 100 47 400 6,1 12,5
2014 379 500 23 900 48 000 6,3 12,6
2015 380 900 24 500 49 800 6,4 13,1
2016 364 300 23 500 47 600 6,5 13,1
2017 371 500 24 100 48 100 6,5 12,9
2018 379 600 25 700 50 800 6,8 13,4
2019 354 400 24 200 47 500 6,8 13,4
2020 372 000 23 400 46 200 6,3 12,4
Примечание: по ист. [9]; *включает электрическое распределение, электропроводку, трансформаторы, коробки счётчиков, устройства переключения питания, розетки, шнуры, вилки, устройства защиты от перенапряжения, электрические ограждения, осветительные приборы, электрическую дугу в качестве источника тепла; **также включает электрическое распределение, осветительные приборы и дополнительно телевизоры, компьютеры, холодильники, стиральные машины и т.д.
Здесь надо сказать, что оборудование для приготовления пищи и нагревательные приборы в США отнесены к другим категориям, поэтому прямое сопоставление с данными РФ невозможно. Однако важно то, что никакого снижения числа пожаров электрооборудования за 9 лет не наблюдалось, напротив заметен рост. Из этого можно предположить, что начальный период просто показал ложную корреляцию, и тогда снижение числа пожаров было связано с усилением инспекционного контроля, ростом числа новостроек, обновлением бытовой техники и т.д., вовсе не с внедрением небольшого количества выключателей дуги.
Также о том, что нет никакого положительного эффекта говорят данные Национальной системы отчётности о пожарах ОТГО^ и ежегодные обзоры опыта пожаров ОТРА (см. табл. 5).
Таблица 5 - Средние значения за 2015.. .2019 гг. доли пожаров в домах США, при которых дуга идентифицирована как
источник тепла
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.8
Источники Показатели %
[10], [11] Для распределительного и осветительного электрооборудования (электропроводка, шнуры, вилки, розетки, трансформаторы, лампы и т.д.) 73
[12] Для электроприборов (электропроводка, шнуры, источник питания, кухонное оборудование, отопительное оборудование, вентиляторы, кондиционеры, холодильники, телевизоры и т.д.) 63
Эти сведения появились потому, что после пожаров электрооборудования постоянно обнаруживаются оплавления проводников и следы электроэрозии частей соединений, на таком основании американские специалисты выдают заключение о тепловом действии дуги. Следовательно, во всех выявленных случаях, при большинстве пожаров (73% и 63%) выключатели дуги не выполнили свою задачу, т.е. пожар не предотвратили.
Результат закономерный, поскольку лоббирование технологии проводилось без сколько-нибудь серьёзного исследования эффективности защиты, так выключатели дуги в США стали лекарством от несуществующей болезни. Теперь же его продают и в других странах, также без доказательств возможности предотвращения пожаров.
2.2 Физическое моделирование пожароопасного режима
Как отмечалось в предыдущей публикации, температура является универсальным показателем режима работы частей электроустановок, причём доминирующее влияние на повышение температуры оказывает резистивный нагрев [2]. Данное положение полезно комментировать с использованием фотографий повреждений. Для реальных пожаров такие снимки информативны, если горение удалось остановить на начальной стадии, когда дальнейшие повреждения ещё не скрыли следы действия источника зажигания. Именно такой случай показан на рис. 4.
Рисунок 4 - Последствия возгорания в деревянном доме от коробки с клеммами WAGO DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2023.130.45.9
Расследование данного пожара показало, что источник зажигания находился в коробке, в которой соединения проводников с помощью клемм (зажимов ) WAGO эксплуатировались более года при нагрузке, включающей электроплиту (2 кВт), чайник (2,2 кВт) и микроволновую печь (1,2 кВт), суммарная мощность оборудования - 5,4 кВт. Все электроприборы были исправны. Для защиты цепи в группе использовались автоматические выключатели С25, отключения не было, поскольку ток нагрузки не превышал значения номинального тока. Не было превышения значения номинального тока (24 А) и для клемм WAGO 2273-204. По свидетельству хозяйки горение началось плавно и не сопровождалось какими-либо звуками или искрением. Понятно, что имело место несколько нарушений, включая заниженный выбор сечение проводников - 2,5 мм2, а также прокладку электропроводки по горючему основанию.
Приведённое подробное описание даёт возможность обосновано организовать моделирование при лабораторных экспериментах. И первый тест, который следует обсудить, касается нагрева дефектного соединения (рис. 5). Этот процесс был рассмотрен в работе [2]. Продолжение исследования на том же стенде при многократном включении-выключении нагрузки показало не только повторение ординарного искрения. На стоп-кадре видеозаписи (рис. 5 а) можно заметить и дугу, и ещё несколько особенностей. Освещение дугой создаёт белёсый блик на пластине исследуемого дефектного соединения с двух сторон проводника. После такого действия дуги в этой части пластины обнаруживается след электроэрозии. Характерные повреждения особо хорошо проявлялись при 100 и большем числе циклов нагружения. Кроме того, стало заметно изменение цвета проводника из-за окисления меди, одновременно тёмный налёт окисла появился вблизи места контакта на пластине клеммы. Механизм многократного повреждения довольно прост, но именно он приводит к постепенному увеличению переходного сопротивления. Измерения показали, что в холодном состоянии это сопротивление повышалось от начального значения 0,7 Ом и через 200 циклов составило 76 Ом. Увеличению переходных сопротивлений также способствует рекристаллизация меди. Поэтому термограммы нагруженного соединения в итоге выявили значительные температуры в месте соединения (148,8°С и 209,6°С) даже при относительно небольших токах (рис. 5, б, в). Ещё раз отметим, что при напряжении 230 В происходит очень быстрый прожиг окисной плёнки и дуга гаснет, в результате выключатели дуги никогда не реагируют на ординарное искрение и допускают последующий резистивный нагрев.
ЕТПгеД
Г 1 г 1и э) 1
^НЛИ
1
а) б) в)
Рисунок 5 - Результат многократного включения-выключения дефектного соединения с нагрузкой: а - ординарное искрение между медным проводником сечением 1,5 мм2 и пластиной клеммы при напряжении в цепи нагрузки - 230 В; б - термограмма соединения при токе 11,5 А после 200 включений-выключений; в - тоже при токе
16,6 А
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.10 9
Итак, простой тест, позволяет объяснить почему рассматриваемый пожар в деревянном доме (рис. 4) случился не сразу, а после длительной эксплуатации, т.е. после того, как было не менее 1000 включений и отключений цепи соединения (из расчёта 3-х циклов за сутки). Возникновение источника зажигания в этих условиях шло постепенно. Вначале был только нагрев проводников и их окисление в месте контакта с клемм WAGO. Это привело к увеличению переходных сопротивлений. При каждом включении нагрузки нагрев увеличивался, но целый год это не было заметно пока корпуса клемм не расплавились и не загорелись. После расплавления корпусов клемм и изоляции могло произойти замыкание, но в данном случае его не было, автоматические выключатели не сработали.
Допустим иное развитие, при котором из-за замыкания автоматические выключатели сработали, только горение уже началось, и продолжение пожара было неизбежным. Замыкание только привело бы к оплавлению проводников, что при расследовании можно было связать с тепловым действием дуги. Чтобы ответить на вопрос могло ли тепловое действие дуги ухудшить ситуацию, ещё раз посмотрим результаты тестов на замыкание, в которых используются индикаторы пожарной опасности (теплового излучения) (рис. 6). В предыдущих экспериментах [2] в качестве индикатора использовалась хлопковая вата, теперь применена бумага плотностью 80 г/м2. Она менее чувствительна, но более реально отражает способность к воспламенению горючих материалов, которые могут оказаться вблизи проводников. Бумага в качестве индикатора часто применяется в пожарно-технических испытаниях, например, по ГОСТ 20.57.406-81.
а) б) в)
Рисунок 6 - Результат короткого замыкания и дугового пробоя при токах 100.. .150 А для медного проводника сечением
1,5 мм2 с воспламенением индикатора пожарной опасности - хлопковой ваты (а) и без воспламенения бумаги с разлётом капель металла (б), а также при оплавлении проводника в форме бусинок (в) DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.11
Как уже отмечалось воспламенение хлопковой ваты наблюдалось в некоторых опытах (рис. 6 а), однако воспламенения бумаги не было. Выполнено более 500 тестов, и только в некоторых после замыкания проводников на белой поверхности обнаружены потемнения в местах падения капель расплавленного металла (рис. 6 б). Часто после замыкания на проводниках появлялись оплавления в виде бусинок (рис. 6 в). Получается, что тепловое действие дуги не приводит ни к какому серьёзному повреждению горючих материалов.
Количественная оценка теплового эффекта была выполнена путём многократного замыкания медных или алюминиевых проводников. Фотографии образцов до и после такого теста показаны на рис. 7. Масса образцов определялась до и после замыканий, затем с учётом теплофизических свойств рассчитывались показатели процесса. В результате получены ориентировочные значения энергии капель, которые оказались на 3 порядка меньше, чем тепловой эффект резистивного нагрева за 1 сек (табл. 6).
б)
Рисунок 7 - Образцы алюминиевых проводников до испытания (а) и после испытания (б) DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.12
Таблица 6 - Тепловой эффект ординарного искрения и резистивного нагрева при токе 200 А DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.13
Проводники Число замыканий Энергия капель, Дж Тепловой эффект,
Алюминий Диаметр - 4,5 мм Температура плавления - 660°С 200 3
Медь Диаметр - 1,7 мм Температура плавления - 1084°С 30 17
Дж/с
8 000
Можно отметить, что представленная оценка полностью согласуется с положением «Руководства по расследованию пожаров» ОТРА 921-2021 о том, что, несмотря на очень высокие температуры, дуга не может быть источникам воспламенения. Следовательно, для защиты от пожара автоматика должна быть сосредоточена на контроле резистивного нагрева.
Заметим, что пока во всех рассмотренные случаях имело место нарушение нормального режима работы. Из-за чего же ещё мы имеем чрезвычайно большое число пожаров, связанных с электрооборудованием? Нарушения правил устройства и эксплуатации - слишком общее и сокращённое название причин, реально многие из них даже не укладываются в рамки нарушений, но в статистику попадают. Другие возникают из-за явных нарушений, но теряются в общей статистике. Так, нигде не выделена значительная часть пожаров, которые возникли из-за контакта горючих материалов с электронагревательными приборами. Важно, что при таких случаях сами приборы и все цепи питания до начала пожара остаются полностью исправными, режим работы нормальный и никакие электрические показатели не могут отражать опасность ситуации. Для данных условий и поиска способа защиты полезно заметить то, что нормативными документами предусмотрено ограничение температуры рабочей поверхности. Например, у электроконфорок по ГОСТ 14163-88 она должна быть в пределах 450-550°С. Указанное ограничение даёт шанс вовремя отключить электропитание. Подтвердить это удаётся с помощью тестов, в которых в качестве индикатора пожарной опасности использована хлопчатобумажная ткань (рис. 8). Условия самого эксперимента практически совпадают с теми, которые могут иметь место при приготовлении пищи, когда из-за неосторожного использования нагревательных приборов воспламеняются горючие вещества, материалы и изделия (растительное масло, бумага, пластмассовая посуда, шторы).
Рисунок 8 - Термограмма электронагревательного прибора (а) и результат контакта с горючим материалом (хлопчатобумажной тканью) в разные момента времени (б-д) DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.14
В рассматриваемом опыте термограмма конфорки показывает, что температура поверхности была ниже допустимых пределов - 414,5°С (рис. 8 а). После падения на конфорку (рис. 8 б) ткань достаточно быстро нагрелась и на 14 секунде невооружённым глазом стало заметно появление дыма (рис. 8 в). Затем у нас было 18 секунд для принятия решения, поскольку воспламенение случилось на 32 секунде (рис. 8 г). В общем случае небольшой запас времени есть всегда, и им надо пользоваться.
2.3 Реагирование на появление признаков пожарной опасности
Существует глубокое заблуждение о том, что пожарная сигнализация срабатывает после начала пожара. Однако выполненные исследования доказывают, что даже обычные пожарные извещатели (дымо-тепловые) позволяют заблаговременно отключить электропитание и предотвратить пожар. Обеспечить это можно, если правильно выбраны места размещения сенсоров для контроля неэлектрические показателей. Например, надёжный результат даёт размещение пожарного извещателя в зоне конвективных потоков варочной поверхности на кухне [1]. Ещё лучше приблизить сенсоры к потенциальному источнику опасности позволяют мини- и микротермостаты. На рис. 9 показан пример применения такого контактного устройства (термореле) в сборке с клеммами WAGO. Низкая цена (доступность) решения связана с тем, что кроме минитермостата по схеме необходим лишь токоограничивающий резистор Rн (рис. 9 б). Сборка содержит три зажима, что позволяет соединять фазные (Ь) и нейтральные (Ы) проводники, а также подключать защитный проводник (Ре).
а) б) в)
Рисунок 9 - Сборка клемм WAGO 2273-204 с минитермостатом Sang Mao B-1009N, 90°C, 2 A, NO (а), схема защиты от перегрева (б) и термограмма в момент отключения устройства дифференциального тока (в) при токе 77 А
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.15
Минитермостат контролирует температуру клемм L и N, с которыми он склеен с помощью теплопроводящего силиконового диэлектрического компаунда КПТД-1/1Т-5.5. Размеры минитермостата Sang Mao B-1009N, 90°C, 2 A, NO - 17х5,8х4,9 мм, и он почти полностью накрывает боковую поверхность корпусов (18х17х5,5 мм) клемм WAGO 2273-204 (номинальный ток - 24 А). При перегреве клемм L и (или) N контакты минитермостата замыкаются, возникает замыкание на землю через токоограничивающий резистор RH, в результате срабатывает устройство дифференциального тока и электропитание через опасное соединение прекращается. Данное конструктивное решение является самым простым среди аналогичных для универсальной защиты электроустановок. Надёжность решения подтверждают тесты, в которых сравнивались температуры сборок с защитой и без защиты. Термограмма одного из таких тестов в момент срабатывания минитермостата показана на рис. 9 в. Кроме тепловизора для более точного измерения использовались термопары. Максимальная температура при токе 77 А составила 133°С. Выполнение серии таких тестов позволило построить графики зависимости температуры от тока через клеммы (рис. 10).
Р<
Й с, и к
о Н
400 350 300 250 200 150 100 50 0
без защиты d ►
аГ* * *
у V ♦
с защитой
Г ♦ ........ .А»—*
. Л....Ф" ......... ♦*
20 30 40 50 60
Ток. А
70
80
Рисунок 10 - Зависимости температуры сборки клемм WAGO 2273-204 от тока для медных проводников сечением 1,5
мм2 без применения защиты и с минитермостатом В-1009^ 90°С DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.16
Верхний график для соединения без защиты (красная линия тренда) получен на отдельных клеммах нейтрального проводника, что исключало замыкание после плавления пластмассовых корпусов и изоляции при токах выше 40А. Нижний график (зелёная линия) показывает, что даже при большой скорости нагрева (при токе 77А) устройство дифференциального тока успевает отключить нагрузку и разрушения корпусов клемм не происходит.
Следующий пример реагирования на появление признаков пожарной опасности связан с использованием микротермостатов (термореле) от тепловых пожарных извещателей ИП 103-5/4-А1**. Температура их срабатывания лежит в пределах - 54...65°С, и в заводском обозначении модели символ ** означает, что контакты микротермостата нормально разомкнуты. Для испытания указанные контактные устройства были смонтированы у гнёзд обычной розетки, как показано на рис. 11 а, б. Диаметр микротермостата (рис. 11 в) - 3 мм и длина - 8 мм, что позволяет выполнить монтаж в термоусаживаемой трубке и склеить с гнёздами теплопроводящим силиконовым диэлектрическим компаундом КПТД-1/1Т-5.5.
Схема управления питанием розетки (рис. 11 г) включала параллельное соединение микротермостатов с входом радиодатчика (РД), который мог передавать сигнал на радиореле (РР). Оно в свою очередь замыкало цепь с токоограничивающим резистором RH в диагонали устройства дифференциального тока. Данная схема хорошо известна и применяется с автономными пожарными извещателями или с противоаварийными датчиками универсальной защиты электроустановок [1].
Рисунок 11 - Оборудование розетки (а, б) микротермостатами (в) и схема защиты от перегрева (г): РР - радиореле (блок управления) Rubetek RЕ-3311; РД - радиодатчик Rubetek RS-3222 DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.17
Тестирование под нагрузкой розетки с микротермостатами было выполнено при намеренном ухудшении соединения между гнёздами и штырями вилки (они имели меньший диаметр), а также при намеренном ослаблении винтовых выводов. Это обеспечивало нагрев гнёзд даже при номинальном токе. Температуры гнёзд измеряли с помощью термопар.
Графики температур для розетки без защиты и с защитой показаны на рис. 12. Первый отражает опасность разрушения розетки и пожара при обычном использовании розетки, когда перегрев возникал при токе выше 11...15А (красная линия тренда). Напротив, защита оказалась эффективной и обеспечивала своевременное отключение питания во всём диапазоне токов нагрузки (зелёная линия).
и
о
а &
й а
О)
К
Я ■и Н
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
< »* я
" У
.«'' без защиты
♦ у *
♦ .
♦ ♦ с заш ИТОН
► у • • • у * ^ .......*
10 20 30 40 50 60
Ток, А
70
Рисунок 12 - Зависимости температуры гнезд розетки от тока для медных проводников сечением 1,5 мм2 без
применения защиты и с микротермостатами DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.18
Примечание: 54...65°С
Таким образом на основании результатов испытаний можно уверенно говорить о высокой эффективности универсального способа защиты. Его преимущества позволяют сделать вывод о том, что данное решение действительно поможет уменьшить число пожаров и будет выгодно в первую очередь потребителю.
Заключение
1. Наш подход к решению задачи основан на усилении роли пожарной (противоаварийной) автоматики и устройств дифференциального тока. Первое обеспечивает контроль не только электрических, но и неэлектрических показателей работы электроустановок, а второе - доступность управления. Соответствующее решение предусмотрено нормативными правовыми актами, поэтому технические задания на проектирование систем пожарной сигнализации должны содержать требование по обеспечению автоматического отключения электропитания по зонам контроля при обнаружении признаков пожарной опасности за счёт передачи сигнала на штатные устройства дифференциального тока электроустановок.
2. Предлагаемая координация обеспечит повышение эффективности систем противопожарной защиты за счёт следующих первоочередных действий:
- блокировки электропитания (одного из основных источников опасности);
- ограничения распространения пожара за пределы очага;
- предотвращения повторного возгорания;
- обеспечения электробезопасности (защиты от поражения электрическим током людей, в том числе пожарных и спасателей).
3. Решение о координации действий доступно и не требует изменения проекта электроснабжения. Наряду с электрифицированными объектами предложение даёт существенный эффект, если в быту или на производстве используется газ. В этом случае отключение электропитания с помощью штатных устройств дифференциального тока должно выполняться при обнаружении утечки, что исключит появление наиболее вероятного источника зажигания.
Конфликт интересов
Не указан.
Рецензия
Беляк А.Л., Восточно-Сибирский институт МВД России,
Иркутск, Российская Федерация
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.19
Conflict of Interest
None declared.
Review
Belyak A.L., East Siberian Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, Irkutsk, Russian Federation DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.45.19
Список литературы / References
1. Мельников В.С. Пожарная автоматика защитного отключения электроустановок / В.С. Мельников. — М.: Мир науки, 2019. — 152 с.
2. Мельников В.С. Пожарная безопасность электроустановок, алгоритм зажигания / В.С. Мельников // Международный научно-исследовательский журнал. — 2023. — № 1(127) — DOI: 10.23670/IRJ.2023.127.84
3. Restrepo C.E. Arc Fault Detection and Discrimination Methods / C.E. Restrepo // 2007 Proceedings of the 53rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. — 2007. — P. 1-8. — DOI: 10.1109/H0LM.2007.4318203
4. The Importance of Arc Fault Circuit Interrupter Technology / White Paper: Engineering & Technology Electrical Engineering. — 2013. — 12 p.
5. Пожары и пожарная безопасность в 2021 году: статистический сборник / ФГБУ ВНИИПО МЧС России. —
2022. — 114 с.
6. World Fire Statistics / Center for Fire Statistics of CTIF. — 2020. — № 25.
7. World Fire Statistics / Center for Fire Statistics of CTIF. — 2022. — № 27
8. Hall B. Fire Loss in the United States During 2021 / B. Hall, B. Evarts // NFPA Research. — 2022. — 11 p.
9. Residential Building Causes - ROUNDED National Fire Estimates by Cause (2003-2020). Data Sets / U.S. Fire Administration USFA.FEMA.gov. — 12 p.
10. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Distribution and Lighting Equipment / R. Campbell // NFPA journal, winter. — 2022. — p.81-82
11. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Distribution and Lighting Equipment: Supporting Tables / R. Campbell // National Fire Protection Association (NFPA). — 2022
12. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Failure or Malfunction: Supporting Tables / R. Campbell // National Fire Protection Association (NFPA) // NFPA Research. — 2021
Список литературы на английском языке / References in English
1. Mel'nikov V.S. Pozharnaja avtomatika zashhitnogo otkljuchenija jelektroustanovok [Fire Protection Circuit Switchers for Electrical Installations] / V.S. Mel'nikov. — M.: Mir nauki, 2019. — 152 p. [in Russian]
2. Mel'nikov V.S. Pozharnaja bezopasnost' jelektroustanovok, algoritm zazhiganija [Fire Safety for Electrical Installations, Ignition Algorithm] / V.S. Mel'nikov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. —
2023. — № 1(127) — DOI: 10.23670/IRJ.2023.127.84 [in Russian]
3. Restrepo C.E. Arc Fault Detection and Discrimination Methods / C.E. Restrepo // 2007 Proceedings of the 53rd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. — 2007. — P. 1-8. — DOI: 10.1109/HOLM.2007.4318203
4. The Importance of Arc Fault Circuit Interrupter Technology / White Paper: Engineering & Technology Electrical Engineering. — 2013. — 12 p.
5. Pozhary i pozharnaja bezopasnost' v 2021 godu: statisticheskij sbornik [Fire and Fire Safety in 2021: Statistical Compendium] / FGBU VNIIPO MChS Rossii [Fire Safety Research Institute of EMERCOM of Russia]. — 2022. — 114 p. [in Russian]
6. World Fire Statistics / Center for Fire Statistics of CTIF. — 2020. — № 25.
7. World Fire Statistics / Center for Fire Statistics of CTIF. — 2022. — № 27
8. Hall B. Fire Loss in the United States During 2021 / B. Hall, B. Evarts // NFPA Research. — 2022. — 11 p.
9. Residential Building Causes - ROUNDED National Fire Estimates by Cause (2003-2020). Data Sets / U.S. Fire Administration USFA.FEMA.gov. — 12 p.
10. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Distribution and Lighting Equipment / R. Campbell // NFPA journal, winter. — 2022. — p.81-82
Mem^dynapoduhiü MayuMO-uccAedoBameAbCKUü wypnm ■ № 4 (130) • Änpejib
11. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Distribution and Lighting Equipment: Supporting Tables / R. Campbell // National Fire Protection Association (NFPA). — 2022
12. Campbell R. Home Fires Caused by Electrical Failure or Malfunction: Supporting Tables / R. Campbell // National Fire Protection Association (NFPA) // NFPA Research. — 2021
