CC BY
78
Статистика и анализ пожаров
УДК 614.84
СЛЕДЫ БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ И ИХ ЭКСПЕРТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
К. Б. Лебедев, И. Д. Чешко
Санкт-Петербургский филиал ВНИИПО МЧС России
Проведено моделирование в лабораторных условиях больших переходных сопротивлений (БПС) — пожароопасного режима, возникающего в электротехнических устройствах при протекании электрического тока через так называемый "плохой контакт". Следы процессов, протекающих в некачественных контактных соединениях, исследованы методами оптической микроскопии, металлографии, растровой электронной микроскопии (РЭМ). Установлено, что наиболее информативным методом выявления характерных для БПС следов является РЭМ. Показано, что поверхность контактов, подвергшаяся воздействию процессов, возникших при прохождении электрического тока через БПС, может иметь следы множественных искровых микроразрядов и (или) локальных подплавлений поверхности. Рассмотрена зависимость характера следов, наблюдаемых в зонах БПС методом РЭМ, от температуры нагрева контактного узла.
Во всем мире 20 - 40% пожаров в зданиях и сооружениях различного назначения связаны с аварийными режимами в электросетях и электропотребителях [1-3]. Один из наиболее распространенных пожароопасных режимов такого рода — большие переходные сопротивления (БПС) — аварийный пожароопасный режим, возникающий при переходе электрического тока с одного проводника на другой (отсюда термин — переходное) [3].
БПС, как пожароопасный аварийный режим, достаточно часто упоминается в специальной литературе по пожарной безопасности и электротехнике. Однако основная масса публикаций посвящена вопросам профилактики этого явления. Механизм его возникновения и протекания изучен достаточно плохо. Еще менее изучены следы, которые оставляет этот процесс, методы их выявления и фиксации при исследовании и экспертизе пожаров.
В отдельных случаях разрушения электрических проводников и деталей в зоне действия БПС столь велики, что они без труда обнаруживаются при визуальном осмотре и фиксируются обычной фотосъемкой. Однако в большинстве случаев следы БПС не видны невооруженным глазом, и их выявление и фиксация после пожара представляют нелегкую задачу. Экспертам при поисках следов БПС (если такие поиски проводятся вообще) приходится действовать интуитивно, т.к. неизвестно, что собственно необходимо искать, какими методами и тех-
ническими средствами. Непонятно, какие выявленные следы могут рассматриваться в качестве квалификационных признаков БПС, насколько они способны сохраняться и видоизменяться в ходе пожара. Это приводит к тому, что на практике следы данного пожароопасного режима, как правило, не выявляются, его причастность к возникновению пожара не доказывается. Однако, по мнению специалистов, БПС — одна из наиболее распространенных "электротехнических" причин пожаров, гораздо более частая, нежели другие.
В данной работе исследование следов БПС проводилось в целях создания экспертной методики, позволяющей выявлять следы данного аварийного режима после пожара и, в конечном счете, доказывать его причастность к возникновению пожара.
Развитие пожароопасного процесса от возникновения БПС до возникновения горения может быть проиллюстрировано схемой, показанной на рис. 1. Предполагается, что большие переходные сопротивления ("плохие контакты") возникают в динамических и (или) статических условиях. На схеме выделено две разновидности БПС—локальный нагрев и искрение. Исходя из данной схемы, а также учитывая наиболее частые и характерные ситуации возникновения БПС на практике, были созданы лабораторные установки, моделирующие различные пожароопасные режимы и ситуации, связанные с БПС. Всего было изготовлено четыре установки.
РИС.1. Схема развития пожароопасного процесса при БПС в электрических сетях
• Установка для моделирования искрения при БПС ("плохого контакта") в динамических условиях включала в себя два контактирующих провода, замыкающих цепь, источник питания (ЛАТР 220 В, 9 А) и нагрузку (резистор 7 Ом, 50 Вт). Контактирующие провода размыкались и замыкались механическим устройством. В момент размыкания цепи между ними происходил искровой разряд.
• Установка для моделирования локального нагрева при БПС ("плохого контакта") в статических условиях представляла собой последовательно соединенные стандартные бытовые двухпроводные электрические розетки с активной нагрузкой в виде электрической печи и автотрансформатором в качестве источника питания. Между клеммами розеток ставились перемычки из проводов, изготовленных из различных материалов. Диаметр проводов выбирался меньше диаметра штырьков стандартной электрической вилки питания (4 мм), за счет чего и появлялся локальный нагрев на контактах розетки и перемычках.
Измерение температур контактных узлов проводилось с помощью хромель-алюмелевых термопар, подключенных к 12-точечному прибору КСП-4.
• Моделирование БПС, возникающих при вибрации работающего электрооборудования, проводилось на светильниках дневного света. Такая пожароопасная ситуация возникает, например, в салонах самолетов. Светильник укреплялся на вибростенде, который состоял из подвижного основания с исследуемым объектом, укрепленном на подпружиненных кронштейнах. На нижней стороне основания располагался двигатель с эксцентриком.
• Моделирование БПС, возникающих при некачественном монтаже и пайке электронных компонентов печатных плат радиоэлектронной аппаратуры, проводилось на базе телевизора "Радуга 716 Д". В блоке строчной развертки БР-2 телевизора выпаивались резисторы, после чего обеспечивался механический контакт выводов резисторов с поверхностью монтажа печатной. Подобные контакты при работе телевизора подвергались локальному нагреву.
Эксперименты на описанных установках продолжались 20 - 30 ч с перерывами на ночное время.
Полученные на экспериментальных установках образцы исследовались с помощью оптической микроскопии (визуальной и металлографической), а также растровой электронной микроскопии (РЭМ).
Визуальное исследование поверхности контактов проводилось с использованием стереомикро-скопа МБС-10.
Металлографическому исследованию подвергали провода-перемычки, полученные на лабораторной установке для моделирования локального нагрева при БПС. Из поперечных срезов проводов были сделаны металлографические шлифы (микрошлифы). Они изготавливались таким образом, чтобы на исследуемой поверхности микрошлифа можно было наблюдать следы электротехнической эрозии, возникающей при БПС. Микрошлифы изучались на металлографическом микроскопе "МЕТАМ-РВ 21" при увеличении 80х - 400х.
Исследование морфологии поверхности проводилось на растровом электронном микроскопе "Те81а Б8-340" при следующих режимах работы:
• ускоряющее напряжение — 20-30 кВ;
• рабочее расстояние — 20-50 мм;
• угол сканирования — 0°.
Для проведения исследования образцы предварительно обезвоживали и обезжиривали петролей-ным эфиром, а затем этиловым спиртом.
На образцах при визуальном осмотре были обнаружены следующие следы воздействия БПС: локальное повреждение поверхности в месте некачественных контактов, выраженное в резком изменении шероховатости поверхности, а также потемнение поврежденного участка контакта вследствие образования на нем слоя копоти. На рис. 2 показано изображение (10х - 15х) медного проводника-перемычки, наблюдаемое с помощью стереомикроско-па. На проводнике можно видеть изменение шероховатости проводника, произошедшее в результате локального нагрева при БПС. Однако характер этого изменения и вид поверхности после воздействия на него БПС установить с помощью стереомикро-скопа не удается в виду недостаточной глубины резкости при большом увеличении (более 50х).
РИС.2. Внешний вид медного проводника-перемычки (сте-реомикроскоп МБИ-10, 10х)
РИС.5. Следы искрения на медном проводнике (РЭМ, 1400х)
РИС.3. Микрошлиф проводника-перемычки, (Метам, 80х)
РИС.4. Следы искрения на алюминиевом проводнике (РЭМ, 85х)
При исследовании микрошлифов стальных проводников-перемычек (в поперечном сечении) на краях проводов были видны раковины и неровности, образовавшиеся в результате коррозии при локальном нагреве. Кроме того, стальные проводники, которые подверглись более высокому разогреву в ходе эксперимента (до красного каления), имели значительные трещины по всей площади (рис. 3).
При исследовании микрошлифов медных проводников описанные выше дефекты наблюдались при большем увеличении, нежели на микрошлифах стальных проводников. По краям проводника также были видны раковины и неровности, образовав-
шиеся в результате коррозии при локальном нагреве. Меньший размер повреждений на медных проводниках (по сравнению со стальными) объясняется, вероятно, меньшей температурой контактов с медными образцами.
Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что металлографическое исследование позволяет выявить наличие БПС на проводах и контактах электрических сетей при достаточно интенсивном тепловыделении, сопровождающемся изменением (по сути — разрушением) внутренней структуры объекта. Однако при процессах, протекающих с меньшим тепловыделением, сделать это не удается. При исследовании же поверхностных дефектов, возникающих при БПС, малая глубина резкости оптических микроскопов существенно ограничивает применение оптической микроскопии.
Как известно, традиционным методом исследования морфологии поверхностей твердых веществ и материалов является растровая электронная микроскопия. Наиболее информативной оказалась она и для выявления и исследования характерных для БПС следов.
На образцах, подвергшихся искрению в момент замыкания (размыкания) цепи, РЭМ позволяет обнаружить четко выраженные дефекты поверхности в местах контакта. Они представляют собой многочисленные кратеры и микрооплавления неправильной формы. На рис. 4 показан алюминиевый проводник со следами искрения при увеличении 85х. Отчетливо видны кратеры, оставленные одиночными искрами на поверхности проводника, различных форм и размеров. На ряде участков они нало-жились друг на друга, и в результате поверхность имеет вид "горных хребтов", между которыми просматриваются правильные округлые кратеры. При исследовании РЭМ медных проводников, подвергшихся искрению, также обнаруживаются следы искр на поверхности (рис. 5, 1400х).
Сравнивая следы искрения на алюминиевых и медных проводниках можно заключить, что кратеры и микрооплавления на медных проводниках
РИС.6. Поверхность алюминиевого проводника (РЭМ, 280х)
РИС.7. Поверхность алюминиевого проводника: "дно" впадины (РЭМ, 280х)
имеют значительно меньший размер по сравнению со следами на алюминиевых проводниках. Этот факт можно объяснить более низкой температурой плавления алюминия по сравнению с медью, в результате чего искра одной и той же мощности оставляет более глубокие дефекты на алюминиевых проводниках.
Аналогичные по внешнему виду следы обнаруживаются на медных и алюминиевых проводниках при "плохом контакте" в статических условиях. На алюминиевых проводниках на участке "плохого контакта" видны те же "кратеры" и "хребты". Эти следы располагаются по краю поврежденного участка (рис. 6, РЭМ, 280х), в центральной части находится глубокая "впадина", образованная, видимо, многократными искрами. Эти искры полностью разрушили все кратеры и "хребты", наблюдаемые по краям поврежденного участка, где, видимо, искрение происходило менее интенсивно. Дно "впадины" напоминает пористую поверхность, при большем увеличении (рис. 7, РЭМ 960х) видно, что оно состоит из множественных микрооплавлений различных размеров.
На медных проводниках в зоне статического "плохого контакта" также обнаруживались поврежденные поверхности проводников. Эти повреждения имели структуру, аналогичную структуре подобных зон на алюминиевых проводниках: "впа-
РИС.8. Дефектный участок алюминиевого образца. На дне "впадины"различимы "кратеры". Ттах = 275°С (РЭМ, 360х)
дина" наибольшей глубины в центральной части поврежденного участка и уменьшение глубины к краям "впадины". По краям можно также различить кратеры различных размеров. На дне "впадины" расположены множественные микрооплавления. Несмотря на одинаковый характер поверхности дна "впадины", следует заметить, что микрооплавления алюминиевого проводника значительно крупнее микрооплавлений медного провода. Как уже отмечалось выше, это связано с более низкой температурой плавления алюминиевого проводника.
Для изучения зависимости характера БПС от температуры контакта были проведены сравнительные морфологические исследования алюминиевых проводников-перемычек, в которых возник "плохой контакт" в статических условиях. Исследования проводились с образцами, имевшими наибольшую и наименьшую максимальные температуры контакта (два объекта — с наибольшими температурами контакта (275 и 186°С) и два — с наименьшими (161 и 153°С). Указанных температур все исследуемые образцы достигли через 53 мин после начала эксперимента.
При визуальном осмотре образцов каких-либо признаков дуговых проявлений, описанных выше, на поверхности обнаружено не было. На образцах с большей температурой имелась обугленная изоляция на поверхности, примыкающей к месту контакта. Изоляция образцов с наименьшей температурой термических повреждений не имела.
При морфологическом анализе алюминиевого образца с максимальной температурой нагрева (увеличение 40х) был обнаружен участок с заметным изменением рельефа поверхности. Очевидно, что данный участок являлся местом контакта проводника-перемычки и контактной пластины розетки (рис. 8,360х). В месте дефекта наблюдается формирование "впадины". Глубина впадины незначительна, на ее дне видны многочисленные оплавления, наплавленные друг на друга, по краям
РИС.9. Поверхность алюминиевого образца, Тш (РЭМ, 90х)
161°С
РИС.10. Поверхность алюминиевого образца, Тш (РЭМ, 35х)
= 379°С
отчетливо различаются кратеры. Подобная структура наблюдалась в вышеописанных случаях при возникновении "плохого контакта" в динамических и статических условиях. Учитывая, что образец участвовал в эксперименте лишь 53 мин, наличие кратеров и микрооплавлений можно рассматривать как свидетельство интенсивности искрения, возникающего при недостаточной площади контакта. Аналогичные следы были обнаружены на поверхности второго образца с наибольшей температурой.
При исследовании поверхности образцов с наименьшей максимальной температурой были обнаружены многочисленные участки с дефектами, расположенными равномерно по всей длине проводника в месте его контакта. На рис. 9 (РЭМ, 90х) видны три таких повреждения. Дефекты представляют собой слабо выраженные подплавления без явных признаков искрения, описанных выше. Данный факт позволяет предположить иной механизм образования данных дефектов: при сравнительно большой площади касания контактирующих проводников (но меньшей, чем необходимо для нормального прохождения тока) в местах соприкосновения проводника и контактной пластины происходила термическая деформация поверхности проводника. Наличие следов микродуг в более "горячих" контактах и отсутствие в более "холодных" позволяет предположить, что возникновение в контакте микродуговых процессов является одним из основных факторов, увеличивающих тепловыделение и, соответственно, повышающих температуру контакта.
Данное предположение подтверждается результатами изучения алюминиевых и медных образцов, эксперимент с которыми продолжался более длительное время (до 34 ч — алюминиевые и до 21 ч — медные). Первые при этом разогревались до 180- 380°С, вторые —до 110-235°С.
На алюминиевых образцах, имевших наибольшую максимальную температуру контакта (370 и 380°С), были обнаружены микродефекты черного цвета, едва заметные невооруженным глазом. С по-
РИС.11. След БПС на алюминиевом образце, Тш (РЭМ, 98х)
379°С
мощью РЭМ они однозначно идентифицируются как следы дуговых процессов, характерные для БПС (рис. 10, РЭМ, 35х). Следы имеют явно выраженный локальный характер, хорошо различимы на фоне "чистой" поверхности. Крупным планом они показаны нарис. 11 (РЭМ, 98х). Поврежденный участок полностью состоит из "кратеров", наложенных друг на друга, т.е. "хребтов". В центре поврежденного участка наблюдается формирование "впадины" — места, имеющего максимальную глубину. Очевидно, что "впадина" образовалась в результате более частого проскока искровых разрядов. Кроме того, на участке, подвергшемся воздействию искрения, можно наблюдать "кратеры", в центре которых расположены округлые оплавления. Эти элементы подтверждают искровое происхождение следов на контактах. При большем увеличении можно рассмотреть большое количество микрооплавлений на поверхности деформированного участка.
Следы дуговых процессов обнаруживаются и на наиболее сильно нагревшихся медных образцах. Так, на поверхности образца с максимальной температурой нагрева 235°С обнаружены два участка с поврежденной поверхностью (рис. 12, РЭМ, 50х). Один из поврежденных участков имеет правильную дугообразную форму, вероятно, соответствую-
РИС.12. Поверхностные повреждения медного образца, Ттах = 233°С (РЭМ, 50х)
РИС.13. Структура поврежденных участков медного образца, Т^ = 233°С (РЭМ, 2100х)
РИС.14. Микродефекты на поверхности алюминиевого образца, Ттах = 180°С (РЭМ, 450х)
РИС.15. Подплавления на поверхности медного образца, Ттах = 149°С (РЭМ, 2700х)
щую площади и форме контактировавшей поверхности проводника. Структура поврежденной поверхности представляет собой множество микрооплавлений, "сплавившихся" друг с другом (рис. 13). Обращает на себя внимание тот факт, что, несмотря на высокую температуру контакта, впадины, наблюдаемой нами на алюминиевых проводниках, не образовалось. Это можно объяснить более высокой температурой плавления меди, относительно большой площадью контакта (2 участка) и меньшей длительностью эксперимента с медными образцами (20,5 ч) по сравнению с алюминиевыми (33,5 ч).
На алюминиевых и медных проводниках, имевших наименьшую максимальную температуру, были обнаружены дефекты, имеющие вид "под-плавлений" (рис. 14 и 15).
По результатам представленных исследований можно сделать следующие заключения:
• Явление БПС возникает в случае недостаточной площади контакта или неплотного соединения между контактирующими проводниками (что также приводит к недостаточной площади контакта) и сопровождается множественными искровыми микроразрядами и (либо) локальным нагревом поверхности.
• Наиболее информативным методом выявления характерных для БПС следов является растровая электронная микроскопия.
• Микроразряды оставляют на поверхности контактирующих проводников следы в виде"впадин", "кратеров", "хребтов", микрооплавлений различных форм и размеров, лучше всего выявляемых методом РЭМ. По мере удаления от центра впадины плотность расположения характерных следов БПС уменьшается.
• При безыскровом характере БПС следы этого режима представляют собой локальные "подплав-ления" — округлую, без граней и кромок структуру, напоминающую при увеличениях 300х - 1200х "волны".
• Проведенные исследования позволяют предположить следующий механизм протекания БПС: при недостаточной площади контакта между проводниками в местах контакта вследствие повышения температуры начинается локальный нагрев участка поверхности контактов. Если площадь участка контакта меньше некоторого критического значения, в зоне БПС начинается прохождение многочисленных электрических разрядов.
• Размер следов, оставленных искрами, зависит не только от мощности искры, но и природы контактирующих материалов. Установлена корреляция между мощностью искр, температурой плавления материала и размером возникающих на поверхности дефектов: чем больше мощность искры и ниже
температура плавления металла, тем крупнее дефекты, и наоборот.
• Выявлена зависимость формирующихся на контактах морфологических признаков от температуры их нагрева: при относительно низких температурах наблюдаются волнообразные проплавления, при более высоких — искровые следы. При искровом характере БПС с увеличением температуры возрастают и геометрические размеры следов искрения — размер впадины, кратеров и микрооплавлений.
• Общий характер следов БПС не зависит от материала контакта —алюминий, медь, сталь, латунь.
Описанные выше следы на проводниках и контактных элементах, в случае их выявления при экспертных исследованиях по делам о пожарах, могут трактоваться как признаки протекания процессов, характерных для БПС ("плохих контактов"). Пока открытым остается вопрос о возможности сохранения этих следов в условиях вторичного теплового нагрева в ходе развившегося пожара, задымленно-сти и взаимодействия со средствами тушения. Исследование воздействия данных факторов на внешний вид следов БПС будут проводиться в дальнейшем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чешко И. Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования) / Под ред. Н. А. Андреева. — СПб.: СПб ИПБ МВД России, 1997. — 560 с.
2. Смелков Г. И. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах. — М.: Энерго-атомиздат, 1984. — 184 с.
3. Мыльников М. Т. Общая электротехника и пожарная профилактика в электроустановках: Учебникдпя пожарно-техническихучилищ. — М.: Стройиздат, 1985. — 311 с.
Поступила в редакцию 24.10.03.
