Методички / Пожарная безопасность

51

Замыкание на землю в электрических сетях

Пожароопасные ситуации в большинстве случаев возникают в режимах однофазного (однополюсного) замыкания на землю токоведущих частей электроустановки при эксплуатационных повреждениях изоляции.

Вэтих режимах значения токов в цепях “токоведущая часть – земля” или “токоведущая часть – тело человека – земля” определяются параметрами не только цепей связи токоведущих частей с землей через сопротивления утечки, но и связи их через сопротивления замыкания на землю или принятого в проек- те электроустановки искусственного заземления токоведущих частей.

Значения токов однофазного замыкания на землю ограничены импе- дансами изоляции здоровых фаз (в сетях, изолированных от земли) или со- противлением заземления нейтрали (в сетях с заземленной нейтралью). По- этому на этот ток не реагирует ни аппаратура защиты от токов междуфазного короткого замыкания (максимальная защита), ни аппаратура защиты от пере- грузки (тепловая защита). В результате, режим однофазного (однополюсного

вдвухпроводных сетях) замыкания на землю может существовать длитель- ное время, приводя к пожароопасным ситуациям.

Пожароопасными считаются такие токи, при которых в месте повре- ждения изоляции выделяется активная мощность более 30 Вт. Во взрыво- опасных зонах опасен ток замыкания на землю, значение которого превыша- ет 25 мА.

Врежиме однофазного замыкания распределенные по всей сети актив- ные и емкостные токи утечки на землю сосредоточиваются в месте замыка- ния. Именно здесь, на сопротивлении замыкания или на контакте с сопротив- лением заземления, и выделяется активная мощность, под действием которой может произойти рост температуры.

Ток замыкания опасен, а токи через частичные емкости и распределен- ные сопротивления утечки, как правило, пожарной опасности не представ- ляют.

Технические средства защиты от пожара – контроль сопротивления изоляции сети и автоматические устройства защитного отключения, защит- ного шунтирования, компенсаторы емкостных токов (там, где это возможно). Если в сети отсутствует эта специальная аппаратура защиты, работа сети в режиме с поврежденной изоляцией может быть длительной. Поэтому не ис- ключена возможность возникновения нового замыкания на землю, например,

вдругой фазе. В результате, возникает пожароопасный режим двухфазного короткого замыкания через землю (корпус объекта).

Предполагаемое (возможное) значение тока однофазного замыкания на землю Iзам в трехфазной сети с изолированной нейтралью при фазном

напряжении Uф может быть рассчитано по формуле

52

gзам = 1 / Rзам – проводимость замыкания; Cф – емкость фазы относительно

земли, ω = 314 [1/с] – круговая частота.

Эта формула дана для случая замыкания фазы А; если замыкание про- исходит в другой фазе, следует соответствующим образом изменить индексы проводимостей.

Критические значения емкости фаз по условию пожаробезопасности в трехфазной сети с частотой 50 Гц составляют 0.87 и 2.6 мкФ при напряжении 380 и 220 В соответственно.

Значение тока однополюсного замыкания на землю в двухпроводной се- ти, изолированной от земли при напряжении U, можно рассчитать по формуле

где g1 , g2 – проводимости изоляции полюсов сети относительно земли, а

С– емкость полюсов относительно земли.

Втрехфазной сети с заземленной нейтралью сопротивление заземления нейтрали обычно существенно меньше сопротивлений изоляции фаз и ем- костных сопротивлений фаза – земля. Вследствие этого ток через сопротив- ление утечки оказывается существенно меньшим тока через заземление нейтрали. В результате, значение тока замыкания на землю можно рассчитать по формуле

где Rзам – сопротивление рабочего заземления.

Силовое электрооборудование

Как правило, на понизительных подстанциях устанавливают транс- форматоры с воздушным или масляным охлаждением. Например, транс- форматор типа ТМЗ-100/10А содержит 1500 кг масла. Трансформаторы с масляным охлаждением имеют повышенную пожароопасность. Температура вспышки содержащейся в них горючей жидкости составляет примерно 135 °С. При нормальном режиме работы обмотки трансформатора нагревает- ся до температуры 105 °С, сердечник – до 115...120 °С.

53

Поэтому для трансформаторных подстанций строят отдельные огне- стойкие здания. Если трансформаторы устанавливают в общем здании, то трансформаторную камеру следует оградить несгораемыми стенами и пере- крытиями. Для быстрого сброса охлаждающего масла под трансформаторами укладывают гравийную подушку высотой не менее 25 см от поверхности земли, выступающую за габариты трансформатора на 1 м. Масло из-под гра- вия по желобу или трубе следует отводить в аварийную емкость. Устройство ввода кабелей должно исключать попадание масла в защитные трубы.

Пожарная опасность электродвигателей зависит от нахождения в них или поблизости источников зажигания и таких горючих материалов, исполь- зуемых при их изготовлении, как хлопчатобумажные и шелковые ткани, ла- ки, гетинакс, текстолит, изоляция проводов и др. При нагреве выше допусти- мых температур изоляционные материалы разрушаются и воспламеняются. Наиболее вероятными источниками зажигания, как показывает анализ пожа- ров электрооборудования, являются короткие замыкания, перегрузки, боль- шие переходные сопротивления, электрические искры и дуги.

Короткие замыкания в электродвигателях возможны при нарушении изоляции между фазами, витками одной фазы, фазой и корпусом, при попа- дании токопроводящих предметов и т. п. Изоляция может быть нарушена в результате механического, термического, химического воздействия. Одной из причин возникновения пожара может быть перегрузка электродвигателя, при которой в неповрежденном электродвигателе возникает ток выше допу- стимого по его техническим характеристикам. Главными причинами появле- ния таких сверхтоков являются: симметричные перегрузки, пусковые токи недопустимой продолжительности из-за частых включений и противовклю- чений (реверса), неполнофазный режим работы, симметричные или несим- метричные отклонения или колебания напряжения вследствие аварийных от- ключении или переходных процессов в сети.

Пожарная опасность электродвигателей может быть значительно уменьшена при правильном выборе и расчете аппаратов защиты (плавких предохранителей, тепловых реле-автоматов). Установка плавких предохра- нителей и тепловых реле с завышенным номинальным током срабатывания приводит к увеличению вероятности загорания.

Чтобы предупредить возникновение пожаров от электродвигателей, необходимо выполнять в процессе проектирования, монтажа и эксплуатации пожарно-профилактические мероприятия. По уровню и виду взрывозащиты электродвигатели должны соответствовать классу пожаро- или взрыво- опасности зоны, общим свойствам и параметрам окружающей среды (влаж- ности, температуре и т. д.). Кроме того, электродвигатели должны иметь мгновенную защиту от токов короткого замыкания. Защита от перегрузки

54

устанавливается в цепях электродвигателей, имеющих тяжелые условия пус- ка, или там, где возможна систематическая перегрузка.

Электродвигатели и аппараты (за исключением закрытых) следует устанавливать на таком расстоянии от горючих материалов и конструкций здания, чтобы они не воспламенялись при образовании искр или дуги.

Необходимо систематически в соответствии с графиком планово- предупредительного ремонта испытывать изоляцию обмоток статора элек- тродвигателей.

Линии канализации электроэнергии и связи

Практика показала, что кабельные линии являются наиболее пожаро- опасной частью любой электрической установки или системы управления и контроля. В них имеются горючий изоляционный материал (изоляция токо- ведущих жил и наружная оболочка) и вероятные источники зажигания в виде электрических искр, дуг, перегретых участков. Такое сочетание неблагопри- ятных факторов, а также разветвленность и недоступность делают кабельные линии местом наиболее вероятного возникновения и развития пожара.

Хотя число пожаров, происходящих в кабельных сооружениях, и составля- ет меньшую часть от общего количества пожаров в электроустановках, однако убытки от них чрезвычайно велики, так как пожары в кабельных хозяйствах при- водят к повреждению не только самих кабельных линий, но и подключенного к ним электрооборудования, прилегающего оборудования и строительных кон- струкций. Они могут послужить причиной выхода из строя всей системы.

Одной из наиболее важных теплотехнических характеристик горючих веществ является теплота сгорания (теплотворная способность), т. е. коли- чество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы или единицы объема вещества. Применительно к пожарам в кабельных сооружениях этот параметр, в частности, определяет суммарное количество выделяющегося тепла и температуру горения (пожара).

Для сравнения в табл. 22 приведены данные о теплотворной способно- сти некоторых материалов. Из этих данных видно, что в пожарном отноше- нии наиболее опасны пластмассы. Так, при сгорании 1 кг полиэтиленовой изоляция выделяется тепла в 4.6 раза больше, чем при сгорании дубовых дров, и в 1.6 раза больше, чем при сгорании антрацита.

Другими нормированными характеристиками горючести кабелей яв- ляются: нераспространение самостоятельного горения, огнестойкость, корро- зионная активность продуктов газовыделения, а также оптическая плотность дымообразования при горении и токсичность продуктов газовыделения.

Свойство нераспространения самостоятельного горения обеспечи-

вается конструкцией кабеля. Под действием внешнего источника зажигания изоляционные материалы могут воспламениться. Но после удаления внешне- го источника огонь должен погаснуть из-за неподготовленности прилегаю- щих изоляционных покровов к самостоятельному горению (температура их нагрева должна быть ниже температуры самовоспламенения).

При испытании на определение этого свойства (ГОСТ 12176 – 76) бе- рут отрезок кабеля длиной 600 мм и на середину его под углом 45° направ- ляют пламя газовой горелки (длина факела пламени 125 мм). После удаления горелки самостоятельное горение изоляции может распространяться по кабе- лю на расстояние не более 100 мм от места поджога.

На объектах одиночные кабели встречаются обычно только в местах ввода их в аппаратуру. Как правило, при монтаже применяют их групповую прокладку (пучками или потоками) на панелях, на стеллажах или в кабель- ных подвесках. В таких условиях существенно изменяются температурные режимы нагрева изоляции и охлаждения ее окружающим воздухом, т. е. при определенной конструкции пучка кабелей становится возможным распро- странение самостоятельного горения по всей длине трассы. Например, при пожаре на Запорожской АЭС выгорел кабель с суммарной длиной 800 км.

Нормы и методы испытаний на нераспространение горения кабелей при групповой прокладке определены рекомендациями МЭК. В зависимости от объема горючей массы в пучке кабелей (берется удельная величина, вы- ражаемая в литрах на единицу длины) определяется категория пучка (А – при 7.0 л/м, В – при 3.5 л/м, С – при 1.5 л/м). Например, к категории А относится пучок, состоящий из 43 контрольных кабелей типа КВВГ 19×1.5 мм2.

При испытаниях в качестве источника зажигания используется газовая горелка ленточного типа с длиной рабочей зоны 257 мм; длительность воздей- ствия пламени зависит от категории пучка (20 мин, 40 мин и т. д.). Пучок кабе- лей считается выдержавшим испытания на нераспространение горения, если обугленная или поврежденная пламенем часть трассы не превышает 2.5 м.

Огнестойкость кабеля – это длительность времени, в течение которо- го он сохраняет работоспособность, находясь под воздействием внешнего ис- точника воспламенения.

56

В соответствии с рекомендациями МЭК испытания проводятся на го- ризонтально закрепленном отрезке кабеля длиной 1.2 м. Жилы кабеля с од- ного конца через плавкие предохранители на 3 А подключаются к источнику переменного напряжения; второй конец отрезка кабеля свободен. Образец помещают в пламя газовой горелки с рабочей зоной (шириной пламени) 0.6 м и температурой пламени 750 °С на расстоянии 75 мм от сопла горелки (в ме- сте расположения кабеля).

Кабель считают огнестойким, если в течение 3 ч не происходит пробоя изоляции и не перегорает ни один из трех предохранителей, а через 12 ч с момента прекращения воздействия пламени изоляция образца выдерживает испытание номинальным напряжением.

Основные типы кабелей, выпускаемых отечественной промышлен- ностью, этим требованиям не удовлетворяют. В табл. 23 приведены некото- рые данные по характеру разрушения кабелей.

В соответствии с рекомендациями МЭК (публикация 754-1) коррози- онная активность оценивается по количественному содержанию в материа- ле изоляции НСl, HBr, SO2 и HF. Этот параметр характеризует так называе- мые вторичные повреждения, возникающие при горении кабелей.

Широко применяющийся в конструкции кабелей поливинилхлорид на 75 % состоит из хлора. При воздействии на него пламени наблюдаются явле- ния, описываемые в табл. 24.

Таблица 24

57

При полном сгорании поливинилхлорида массой 1 кг выделяется более 350 л газообразного HCl, из которого при растворении в воде получается 2 л соляной кислоты 25 %-й концентрации. Газы, содержащие HCl, благодаря перепаду температур, тяге, создаваемой кабельной шахтой или лестничной клеткой (а также ветром), уносятся от очага пожара и оседают в виде мелких капелек соляной кислоты на различных предметах и конструкциях. Вслед- ствие этого коррозия (разрушение конструкций) происходит как в непосред- ственной близости от очага пожара, так и на удалении от него.

Под действием HCl железо превращается в хлорид. Затем хлорид желе- за превращается в гидроокись железа, что сопровождается повторным обра- зованием ионов хлора; последние вступают в реакцию с водородом воздуха и образуют пары HCl, вновь воздействующие на железо. В результате такой непрерывной многоступенчатой химической реакции металлические кон- струкции разрушаются. Также происходит интенсивное разрушение строи- тельных материалов и конструкций.

Причины пожаров в кабельных трассах и защита от них

Наибольшая часть пожаров в кабельных трассах возникает под дей- ствием внешнего источника воспламенения. Тем не менее, и сама электриче- ская сеть может быть инициатором пожара.

Пожароопасные неисправности можно подразделить на две группы. К первой относятся все виды ухудшения качественного состояния изоляции ка- белей вследствие высыхания с последующим нарушением механической прочности, объемного увлажнения, разрушения парами масла и топлива (ли- бо непосредственно смазочными материалами или жидким топливом), меха- нического повреждения на трассе или в узлах крепления.

При наличии таких повреждений в длительном режиме происходит разогрев места повреждения (при соответствующих условиях теплоотдачи) и образование электрической дуги в пучке между фазами либо в начале между фазой и землей (корпусом объекта), а затем, после термического разрушения междуфазной изоляции – между фазами. Режим междуфазного короткого за- мыкания обычно отключается аппаратурой защиты от короткого замыкания. Однако очаг пожара может развиться, и горение кабелей после снятия напряжения будет поддерживаться самостоятельно в соответствии с указан- ными ранее теплотехническими параметрами пучка.

Ко второй группе относятся различные виды механических поврежде- ний (обрывы) токоведущих жил кабелей и их контактных соединений, возни- кающих обычно в местах ввода кабелей в аппаратуру под действием вибра- ции или других механических факторов. При касании жилой кабеля корпуса прибора либо другой токоведущей части, как правило, возникает электриче-

58

ская дуга. При обрыве одной из фаз возникает перегрев не только обмоток асинхронного двигателя, но и питающего кабеля.

Обычно трассы кабелей располагают в недоступных местах или защи- щают их кожухами от возможных механических повреждений. Поэтому тео- ретически оболочки кабелей не должны подвергаться каким-либо вредным внешним воздействиям. Однако при регулярном техническом обслуживании необходимо проверять исправность наружных оболочек кабелей, защитных ограждений и кожухов, отсутствие посторонних предметов на кабелях и сле- дов агрессивной жидкости, вытекающей из расположенной над трассой кабе- лей арматуры трубопроводов.

Действенными средствами обеспечения пожаробезопасности пучков кабелей являются огнезащитное покрытие типа ОПК (импортный аналог “Flammastik”), наносимое на наружные поверхности, и огнестойкие кабель- ные проходы, препятствующие распространению огня.

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Требования пожарной безопасности и методы испытаний электронных изделий (ЭИ) установлены в НПБ 247 – 97.

Загорания в электронной схеме могут возникать в результате:

-сильного нагревания и излучения теплоты элементами, которые могут воспламенить близлежащие детали, изготовленные из легковоспламеняю- щихся материалов;

-прохождения через трансформаторы, дроссели и резисторы электри- ческого тока, превышающего допустимое для данного изделия значение;

-нарушения изоляции соединительных проводов, пробоя конденсато- ров, короткого замыкания, вследствие чего происходит пробой деталей и возникает электрическая дуга.

Надежность работы электронных схем и отдельных ее элементов га- рантируется только в определенных интервалах температуры, влажности и при заданных электрических параметрах. Из-за отклонений электрических и климатических параметров, а также ухудшения технического состояния устройств элементы электронной схемы являются наиболее вероятными и частыми источниками открытого пламени и высоких температур.

Опасность загорания усугубляется значительным количеством плотно расположенных на монтажных платах и блоках электронных узлов и схем, электрических проводов и кабелей. Высокая плотность элементов в элек- тронных схемах может приводить к значительному повышению температуры отдельных узлов (80...100 °С), что может служить причиной воспламенения изоляционных материалов. Слабое сопротивление изоляционных материалов

59

воздействию температуры может вызвать нарушения схемы и привести к ко- роткому замыканию.

Совокупность отказов электрорадиоэлементов и наличие горючих ма- териалов могут создать пожароопасную ситуацию.

Знание статистических данных по источникам зажигания в электрон- ной технике является одним из важнейших факторов для принятия решений по проблемам, связанным со снижением ее пожарной опасности.

По оценкам специалистов основные причины загорания электронной техники следующие:

-повреждение резисторов мощностью свыше 0.5 Вт;

-перегрев контактных соединений;

-короткие замыкания;

-взрыв электролитических конденсаторов;

-пробой изоляции обмоток высоковольтных трансформаторов;

-дефекты конструкции и технологии монтажа;

-некачественный ремонт.

Таким образом, можно сказать, что наиболее пожароопасными элемен- тами ЭИ являются резисторы, конденсаторы, контактные разъемы, мощные транзисторы и микросхемы. Из блоков электронной техники наиболее пожа- роопасными являются источники питания и высоковольтные блоки.

Электронные компоненты в результате внутренней неисправности или в условиях перегрузки, вызванной внешней неисправностью, могут выделять тепло со скоростью, достаточной для возникновения пожара.

Указанная первопричина может трансформироваться в следующие непосредственные причины пожара:

-самовоспламенение компонента;

-нагрев его от внешних поверхностей до такой силы, чтобы воспламе- нять другие компоненты, находящиеся с ним в контакте или непосредствен- ной близости;

-взрыв компонента и выделение им раскаленных частиц;

-выделение из компонента горючих газов, которые могут самопроиз- вольно воспламениться и, таким образом, воспламенить данный компонент.

Распространение пожара определяется:

-количеством энергии, которую может выделить горящий компонент;

-скоростью, с которой эта энергия выделяется;

-продолжительностью горения;

-легкостью, с которой воспламеняются соседние компоненты;

-характеристиками конструкции, т. е. промежутками между компонен- тами, наличием вентиляции и т. д.

Резисторы. В нормальных режимах работы средняя мощность рассеива- ния в резисторах невелика, но при нарушении работы схемы она резко возрас-

60

тает. Экспериментальные исследования по определению температуры резисто- ров при электрических нагрузках показали, что максимальная температура нагрева лежит, в основном для резисторов типа МЛТ и им подобным, в преде- лах 280…450 °C и 450…550 °С – для резисторов типа ПЭВ, т. е. достигает зна- чений температуры теплового разрушения или воспламенения электроизоляци- онных материалов. При этом отмечено, что нарушение рабочих параметров ре- зисторов наблюдается при трех-четырехкратной перегрузке, а при шести- десятикратной перегрузке наблюдается проявление пожароопасных факторов – интенсивное газо- дымовыделение и воспламенение резисторов.

Экспериментально определена минимальная мощность, подведенная к резистору и способная вызвать воспламенение изоляционного материала. Сде- лан вывод, что резисторы мощностью 1 Вт и более являются пожароопасными элементами. С целью обеспечения пожарной безопасности рекомендуется под- нимать резисторы над печатными платами на расстояние от 5 до 8 мм.

В устройствах возможны загорания резисторов с неверно выбранной мощностью рассеяния, в результате пробоев в цепях делителей напряжения, а также при включении устройств и во время работы в утяжеленных режимах. Сопротивления типа СП часто выходят из строя из-за выгорания движка в месте его установки.

Конденсаторы. Одной из причин, приводящих к воспламенению кон- денсаторов, является ухудшение изоляции вследствие старения или некаче- ственного изготовления. Механические повреждения, перегрев и перегрузка по току или напряжению приводят к образованию электрической дуги и вы- делению газов внутри конденсаторов, часто оканчивающихся взрывом или загоранием ближайших горючих материалов. В этом случае обычно плавится и загорается пластмассовый корпус конденсатора и горящие капли поджига- ют другие материалы.

Микросхемы. В соответствии с требованиями ГОСТ 18725 – 83 мик- росхемы (МС) не должны самовоспламеняться и воспламенять окружающие их элементы при воздействии аварийных электрических перегрузок. В то же время стандарт допускает потенциальную возможность воспламенения ком- понента. Но для того чтобы эта способность компонента не превышала по- жароопасность изделия, в котором он применен, разработчику изделия реко- мендуется использование какого-либо из мероприятий, например:

-отключение компонента в условиях перегрузки от источника питания;

-применение компонентов, мощностные характеристики которых намного превосходят мощностные характеристики источника питания.

Проведенные испытания показали, что такое событие, как воспламене- ние пластмассовой МС при перегрузке ее напряжением питания (или мощно- стью рассеивания) является достаточно редким. Как правило, микросхемы переходят в состояние обрыва их электрической цепи питания. В результате