CC BY
15
БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Адъюнкт кафедры “Пожарнопрофилактических дисциплин” Тольяттинского военного технического института
Н. В. Ширчков
Канд. техн. наук, эксперт по сертификации электротехники, доцент кафедры “Метрологии, стандартизации и сертификации” ГОУВПО “Мордовский госуниверситетим. Н. П. Огарёва”
В. Н. Ширчков
Канд. техн. наук, начальник кафедры “Пожарно-профилактических дисциплин” Тольяттинского военного технического института
А. В. Каришин
УДК 614.841.415
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИИ ВНУТРЕННЕГО МОНТАЖА СВЕТИЛЬНИКОВ
Рассматриваются факторы, влияющие на пожарную опасность светильников. Произведены оценки возможных значений токов, протекающих через проводку светильника в аварийных режимах, для различных условий с выделением диапазонов сверхтоков. Выбраны типичные образцы проводов, проанализированы возможности испытаний внутреннего монтажа светильников с обоснованием испытательной установки. Приведены результаты испытаний.
Необходимость разработки методики испытаний внутреннего монтажа светильников, в том числе люминесцентных, следует из результатов работ [1-4], а также из требований к электрическому монтажу светильников [5].
Во-первых, по ГОСТ Р МЭК [5] установлены только минимальные требования к внутреннему монтажу, ориентированные на мощность светильника при нормальной эксплуатации. Требования к сечению приводов, толщине изоляции, механической защите проверяются путем внешнего осмотра. Допускается применение приводов сечением менее
0,5 мм2 при номинальном рабочем токе менее 2 А. Рекомендуется, без установления метода испытаний, определять и значение тока при аварийных условиях, когда исключен перегрев изоляции провода [6]. Тем не менее, хорошо известна [7] сложность и неоднозначность механизмов аварийных режимов электропроводок.
Во-вторых, светильники представляют собой, зачастую, достаточно сложное изделие [3], и это послужило основанием для разработки специальных норм пожарной безопасности [8]. О факторах, влияющих на пожарную безопасность светильников, говорится во многих публикациях [1, 3, 4, 9, 10]. Применительно к люминесцентным светильникам выделяют основные пожароопасные элементы [11]: колбы ламп в районе цоколей, обмотки и кор-
пуса пускорегулирующих аппаратов (ПРА), конденсаторы и провода. Существенно, что практически отсутствуют сведения о последствиях коротких замыканий в проводке люминесцентных светильников из-за теплового или механического нарушения изоляции. Представляется возможным возникновение режимов межвитковых коротких замыканий в электромагнитных ПРА и, особенно, выход из строя электронных ПРА. Следует учитывать также, что в эксплуатируемых светильниках с люминесцентными лампами (ЛЛ) отсутствуют плавкие предохранители, а во вновь разрабатываемых светильниках требования НПБ [8] не применяют из-за их необязательного статуса и крайней неудобности замены предохранителей в подвесных и потолочных светильниках.
В-третьих, необходимость испытаний внутренней проводки характерна и для светильников с лампами накаливания (ЛН). Такая проблема стала очевидной в последнее время вследствие постоянно растущих и неконтролируемых поставок светильников и ламп накаливания из стран Азии [2]. Проводка в таких светильниках бывает выполнена очень компактно, помещается в трубках с заливкой, применяются провода нестандартных сечений и др. Отдельного рассмотрения заслуживает вопрос отсутствия в лампах плавких предохранителей [12-14].
Согласно [15] отечественные ЛН должны иметь плавкий предохранитель, “защищающий колбу лампы от взрыва”. Международные стандарты и их отечественные аналоги [16, 17] не содержат прямых указаний на необходимость наличия в ЛН плавкого предохранителя. Это объясняется и тем, что стандарты МЭК обычно не конкретизируют требования к конструкции, а также тем, что плавкий предохранитель “по умолчанию” считается не-крепленным элементом ЛН. Ведущие зарубежные производители давно выпускают лампы, снабженные двумя плавкими предохранителями [18, 19]. Существенно также то, что на уровне МЭК отсутствуют конкретные требования к токовременным характеристикам предохранителей, очевидно, по тем же причинам. Несмотря на отсутствие требований к конструкции предохранителя, во всех стандартах [15-17] имеется метод испытаний на “специально вызванный отказ”, предназначенный для инициирования в лампе дугового разряда, часть которого и должен гасить плавкий предохранитель.
В последние годы (2000 - 2007 гг.) происходит постоянный рост поставок ЛН китайского производства без плавких предохранителей с сертификатами соответствия, выданными лабораториями или не имеющими необходимого комплекса испытательного оборудования [12], или использующими ненадлежащие схемы сертификации. С другой стороны, признается [14, 20], что испытания на специально вызванный отказ путем подачи высоковольтного импульса требуют больших объемов выборок (более 50 шт.) и не гарантируют однозначного результата. Неслучайно обсуждается необходимость практической реализации нового метода испытаний [21], основанного на разрушении звена тела накала импульсным лазерным излучением.
Констатируя явную неоднозначность вопроса безопасности ЛН, отметим, что все испытания связаны с наличием внешних предохранителей на испытательных позициях и в установках, прерывающих ток 16-25 А при возникновении дугового разряда в лампе. На практике возможны и до настоящего времени не оценивались аварийные и пожароопасные режимы эксплуатации светильника с ЛЛ, когда наблюдается сочетание нескольких факторов:
а) в лампе горит дуговой разряд, плавкий предохранитель отсутствуют;
б) защитный автомат на входе в помещение (квартира, цех, школьный класс и т.д.) неисправен или рассчитан на очень большой ток (сотни ампер);
в) проводка светильника выполнена проводами ненадлежащего (меньшего) сечения.
Оценки показывают, что время горения дугового разряда будет определяться, в общем случае, положением лампы в пространстве (горизонтальное, вертикальное цоколем вверх или вниз); составом и давлением газового наполнения; размерами монтажа; материалом внутренних звеньев вводов (никель или его сплавы); напряжением сети; величиной тока, который, в свою очередь, зависит от сопротивления общей цепи (светильник + проводка в помещении + переходные сопротивления в контактах + сопротивление трансформатора). Влияние большинства факторов рассматривалось в работах В. С. Литвинова, В. С. Мордюка, В. Н. Корочкова, П. В. Пляскина, С. М. Вучмана, Н. П. Киселевой-Плетневой, А. В. Харитонова, И. Н. Кошина и др. Это говорит о большой сложности вопроса дугового разряда в ЛН [22, 23]. В данном случае авторы статьи ограничиваются сведениями о том, что время горения дугового разряда может составлять 1-5 сив крайних случаях приближаться к 10 с.
Произведены укрупненные оценки возможных значений токов, протекающих через проводку светильника, полагая, что имеются в наличии факторы “а” и “б” (см. выше) . Для оценок использовалась упрощенная схема, приведенная на рис. 1, и определенные допущения относительно материалов проводов, их диаметров и длины. В первом приближении считаем также, что температура проводов и, соответственно, их удельное сопротивление за время протекания сверхтока резко не меняются. Очевидно, что это слишком сильное предположение заслуживает отдельного обоснования, выходящего, впрочем, за рамки поставленных задач.
Для оценки величины тока введены следующие обозначения (рис. 1):
Яё1, Ял2 — сопротивления проводки в здании от автоматов (АБ) до гнезда подключения светильника (ВГ);
Яс1, Яс2
сопротивления приводов в светильнике;
Ятр — сопротивление трансформатора;
Д, Е — звенья внутреннего монтажа лампы (ЛН), между которыми горит дуговой разряд (Х-).
Считаем проводку симметричной и Яё1 = Ял2,
Яс1 = Яс2.
А Ял1 в Яс1
Г
ч I—•—Г
тр
я
&
ис
Б Г
-л2
Яс2 I
ЛН
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема для расчета
Для расчета величины тока I сделаем следующие допущения. Проводка выполнена алюминиевым проводом с сечением жилы Бл = 2,5 мм2. Длина каждого провода /л1 = /л2 = 15 м. Проводка в светильнике соответствует требованиям ГОСТ [5] и сделана медным проводом сечение Зс = 0,5 мм и /с1 = /с2 = 1 м. Сопротивление трансформатора выбранной мощности 180 кВА составляетЯтр = 0,12 Ом. Переходными сопротивлениями в контактах АБ, ВГ пренебрегаем. Считаем, что провода не имеют индуктивности и сопротивления Я1 — чисто активные. Примем следующие значения удельного сопротивления (Ом • мм2/м) для температуры проводов, близкой к 100°С: медь — 0,0244; алюминий 0,0355 [19].
Таким образом:
2/„
Таблица 1. Расчетные значения сверхтоков
Я
*л2 = Р^ = 0,0355
л1
,2 • 15
2,5
= 0,426 Ом;
Яс1 + Яс2 = 0,0244 — = 0,098 Ом.
Суммарное сопротивление
Я = 0,426 + 0,098 + 0,12 = 0,644 Ом.
Основываясь на [24], предполагаем, что на дуговом разряде в аргоне напряжение составляет ~50 В. Тогда падение напряжения на цепи равно 220 - 50 = =170 В и расчетное значение тока I = 170/0,644 = = 264 * 264 А.
Полученное оценочное значение является весьма приближенным, но порядок величины — сотни ампер — можно считать вполне разумным.
Выбранные значения длины проводов (15 м) характерны для проводки в жилых помещениях; для общественных зданий, школ и детских учреждений следует взять большие значения — 75 и 50 м соответственно. Кроме того, современные СНиП требуют проектировать проводку медными проводами сечения 2,5 м2, поэтому целесообразно сделать расчеты и для этих условий. Результаты оценок, выполненных аналогично вышеприведенным, представлены в табл. 1.
Вычисленные значения сверхтока являются крайними оценками и не могут существовать в реальных условиях эксплуатации в течение времени, превышающем несколько секунд. Помимо погасания дугового разряда очень вероятно перегорание проводов внутреннего монтажа светильника. Сам факт перегорания проводов не может служить браковочным признаком, однако сопутствующие эффекты — появление дыма, открытого пламени — могут быть использованы в качестве критериев опасности внутреннего монтажа.
Для проведения оценки возможности испытаний проводки внутреннего монтажа светильников
№ п/п Проводка в помещении Суммарное Сверх-
Мате- риал 1ё1, м Ял1 + Ял2, Ом сопротивление Я*, Ом ток I, А ' Примечание
1 А1 15 0,426 0,644 260 Вариант
2 Си 15 0,293 0,511 330 жилого помещения
3 А1 50 1,42 1,638 100 Вариант
4 Си 50 0,976 1,194 140 школьного помещения
5 А1 75 2,13 2,348 70 Вариант
6 Си 75 1,464 1,682 100 общественного помещения
* Расчетные значения без округлений.
следовало выбрать типичные образцы проводов. На ЗАО “Трансвет” авторами были получены отрезки проводов типа НВМ сечением 0,5 мм2, типа ПВЗ сечением 1,0 мм2. Дополнительно использовали одножильный медный провод сечением 0,17 мм2 в ПХВ-изоляции. Внешний вид отрезков приведен на рис. 2.
Из табл. 1 следует, что возможный диапазон токов составляет 10-102 А. При проведении испытаний необходимо обеспечить [7] плавную регулировку токов, стабильность установленного значения тока при очевидном росте температуры проводника и, соответственно, его сопротивления. В качестве такого источника тока была выбрана поверочная установка типа У300, которая фактически представляет собой многофункциональный регулируемый источник постоянного и переменного (50 Гц) тока и напряжения (рис. 3). Применительно к поставленным задачам У300 обеспечивает регулируемый постоянный ток 50 А при напряжении до 2 В, регулируемый переменный ток до 50 А при напряжении не менее 5 В и до 300 А при напряжении не менее 0,5 В. Плавность регулирования выходного параметра не хуже 0,1% от предела регулирова-
Рис. 2. Внешний вид исследованных проводов сечением, мм2: 1 — 1,0; 2 — 0,5; 3 —0,17
Л
ния. Плавная регулировка на каждом пределе — двухступенчатая. Конструктивно установка выполнена в виде передвижного пульта.
Перед испытаниями отрезки проводов длиной 200 мм снабжались наконечниками (см. рис. 2), которые присоединялись с помощью пайки. Отрезки проводов последовательно подвергались кратковременному воздействию (от 5 до 60 с) сверхтоков в схеме включения, приведенной на рис. 4.
В публикации [7] было показано, что результаты испытаний открытой проводки при больших величинах токов перегрузки, коротком замыкании мож-
Рис. 3. Испытательная установка У300: 1 — прижим; 2 — скоба; 3 — амперметр; 4 — панель; 5 — блок коммутации; 6 — блок регулирования
ИП
Рис. 4. Схема испытания электропроводки: ИП — источник питания от 0 до 300 А; РА0 — образцовый амперметр класса точности 0,2; Яп — отрезок испытуемого провода
но переносить на проводку в трубах и каналах. Это связано с тем, что за сравнительно небольшое время воздействия (единицы секунд) процессы теплообмена с внешней средой весьма слабо влияют на термические явления в объеме провода. Поэтому провода нагружались на открытом пространстве в условиях отсутствия сквозняков и заметного движения воздуха. Результаты испытаний представлены в табл. 2 и выборочно на рис. 5.
Проведенные выше оценки — расчетные и экспериментальные — показали возможность испытаний проводки внутреннего монтажа светильников посредством кратковременного прохождения сверхтока. Причинами возникновения сверхтока могут служить (для люминесцентных светильников) короткое замыкание проводки в местах подключения ее к ПРА, в том числе электронным (ЭПРА), выход из строя ПРА и ЭПРА с короткими замыканиями элементов. В этих случаях ЛЛ оказывается или отключенной, или нагруженной на сетевое напряжение, и после возрастания тока у нее разрушаются электроды, а цепь прерывается. В любом случае появление кратковременных сверхтоков возможно, а их величины будут иметь тот же порядок (см. табл. 1).
Таким образом, предполагается, что после осмотра электрической схемы внутреннего монтажа делаются искусственные замыкания в патронах, клеммных колодках и создаются условия для протекания возможных сверхтоков. Ранее мы сделали попытку выделить диапазоны сверхтоков применительно к типу помещений, где эксплуатируются светильники (см. табл. 1). Конечно, этот вопрос должен быть рассмотрен отдельно с учетом длин /л1, /л2 для реальных проектов электрической проводки в помещениях. Возможно, следует учитывать
Я
Таблица 2. Влияние сверхтоков на провода внутреннего монтажа светильников
№ п/п Тип сечения провода, мм2 Ток, А Время воздействия, с Наличие повреждений Примечание
1 10 10 Нет
2 ПХВ, 0,17 25 5 Оплавление изоляции, дым
3 27 5 Перегорание, задымление Нагрев до оранжевого цвета
4 30 10 Нет
5 НВМ, 0,5 45 5 Оплавление изоляции, дым
6 50 10 Перегорание, задымление Нагрев до оранжевого цвета
7 40 30 Нет
8 50 30 Оплавление изоляции, дым
9 50 60 Оплавление изоляции, дым
ПВЗ, 1,0
10 60 10 Перегорание, задымление Испытание последовательно 7, 8, 9,10
11 60 30 Перегорания нет 60 А подано на новый образец
12 +60 +30 Перегорания нет Образец № 11
Рис. 5. Состояние изоляции проводов: а — сечением 0,17 мм2 после воздействия тока 25 А за время 5 с; б — сечением 0,5 мм2 после воздействия тока 50 Аза время 10 с; в— сечением 0,5 мм2 после воздействия тока 50 А за время 30 с; г — сечением 1,0 мм2 после воздействия тока 50 А за время 60 с; д — сечением 1,0 мм2 после воздействия тока 60 А за время 10 с; е — сечением 1,0 мм2 после воздействия тока 60 А за время 30 с
приемлемые значения рисков [25, 26] возникнове- ными классами функциональной пожарной опас-ния аварийных режимов для помещений с различ- ности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Будасов, А. Н. Исследование пожарной безопасности светотехнических изделий /А. Н. Бу-дасов, Н. Г. Колпин, В. Н. Ширчков [и др.]; под ред.Л. В. Абрамовой// Проблемы и перспективы отечественной светотехники: сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. — Саранск: СВМО, 2002.
— С.215-220.
2. Ширчков, В. Н. Сертификация электротехнической продукции: Монография / В. Н. Ширчков, А. И. Терешкин, Т. А. Рожкова [и др.]. — Саранск: СВМО, 2006. — 124 с.
3. Боков, Г. В. Недостатки сертификации электротехнической продукции в области пожарной безопасности / Г. В. Боков, Т. Н. Клепикова, В. И. Кобец // Пожарная безопасность. — 2003.
— № 4. — С. 113-117.
4. Сашин, В. Н. Пожарная безопасность светотехнических изделий / В. Н. Сашин, В. В. Смирнов // Пожаровзрывобезопасность. — 1997. — Т. 6, № 3. — С. 35-38.
5. ГОСТ Р МЭК 60598-1-2003. Светильники. Общие требования и методы испытаний. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. — 143 с.
6. ГОСТ Р МЭК 598-1-96. Светильники. Часть 1. Общие требования и методы испытаний. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1997. — 185 с.
7. Смелков, Г. И. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах / Г. И. Смел-ков. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 183 с.
8. НПБ 249-97. Светильники. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний. — М.: ВНИИПО, 1997. — 10 с.
9. Смелков, Г. И. О концепции пожарной безопасности электрических изделий /Г. И. Смелков // Пожаровзрывобезопасность. — 1992. — Т. 1,№2.—С. 28-32.
10. Смелков, Г. И. Совершенствование методов вероятностной оценки пожарной безопасности электрических изделий / Г. И. Смелков, В. А. Пехотиков, О. И. Тескин [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. — 1995. — Т. 4, № 3. — С. 5-9.
11. Демуцкая, Л. И. Некоторые особенности возникновения пожаров при использовании люминесцентных светильников / Л. И. Демуцкая // Журнал ПБИТ. — 1996. — №4. — С.129-130.
12. Терешкин, А. И. Качество и безопасность источников света в интересах потребителя /
А. И. Терешкин, В. Н. Ширчков // Светотехника. — 2004. — № 6. — С. 86-87.
13. Корочков, Ю. А. Проблемы и задачи сертификации светотехнической продукции /
Ю. А. Корочков, А. Е. Набойщиков, В. Н. Ширчков [и др.]; под ред. Л. В. Абрамовой// Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и электроэнергетики: сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. — Саранск: СВМО, 2005. — С. 202-204.
14. Ваганов, Е. В. Некоторые вопросы сертификации тепловых источников света / Е. В. Ваганов, А. Е. Набойщиков, В. Н. Ширчков [и др.] // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент. Межвуз. сб. науч. тр. — Вып. VI. — Саранск: РНИИЦ, 2006. —
С. 42-47.
15. ГОСТ 2239-79. Лампы накаливания общего назначения. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 34 с.
16. ГОСТ Р МЭК 60432-1-99. Требования безопасности для ламп накаливания. Часть 1. Лампы накаливания вольфрамовые для бытового и аналогичного общего освещения. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999. — 28 с.
17. ГОСТ Р МЭК 60064-99. Лампы накаливания вольфрамовые для бытового и аналогичного общего освещения. Эксплуатационные требования. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. —
70 с.
18. Вугман, С. М. Исследования плавких предохранителей ламп накаливания / С. М. Вугман,
А. Н. Косинец, О. М. Муратов [и др.] // Электрические источники света. Труды. Вып. IX. — Саранск: Мордов. кн. изд-во, 1978. — С. 3-9.
19. Вугман, С. М. Характеристики и конструктивные особенности плавких предохранителей ламп накаливания / С. М. Вугман, А. А. Семенова // Электрические источники света. Труды.
Вып. XIII. — Саранск: Мордов. кн. изд-во, 1982. — С. 61-64.
20. Ваганов, Е. В. Особенности сертификации ламп накаливания / Е. В. Ваганов, Т. А. Рожкова, А. И. Терешкин [и др.] // Светотехника. — 2006. — № 5.— С. 50-53.
21. Кочетков, Д. И. Новый метод испытания ламп накаливания на безопасность / Д. И. Кочетков, В. Н. Ширчков, Т. А. Рожкова [и др.]; под ред. В. К. Свешникова // Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света: тез. докл. V Всерос. конф. — Саранск: Мордов. гос. пед. ин-т, 2007. — С. 92-93.
22. Корочков, В. Н. К вопросу о возникновении разряда в лампах накаливания / В. Н. Корочков,
П. В. Пляскин, А. А. Спирин [и др.] // Светотехника. — 1973. — №4.— С. 8-10.
23. Кошин, И. Н. Условия возникновения дугового разряда в тепловых источниках оптического излучения / И. Н. Кошин, А. В. Харитонов. — Саранск: Мордов. ун-т., 2000. — 13 с. — Деп. в ВИНИТИ 06.04.00, № 924-В00.
24. Рохлин, Г. Н. Разрядные источники света / Г. Н. Рохлин. — М.: Энергия, 1984. — 649 с.
25. Белов, П. Г. Социально-экономические аспекты нормирования риска / П. Г. Белов // Стандарты и качество. — 2007. — № 1.—С. 24-29.
26. Аронов, И. 3. Морально-этические аспекты нормирования безопасности / И. 3. Аронов // Стандарты и качество. — 2006. — № 3. — С. 28-32.
Поступила в редакцию 23.10.07.
