Исследование процесса воспламенения полихлорвиниловой изоляции кабеля (nym) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

УДК 614.841.415

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПОЛИХЛОРВИНИЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ (№М)

Экспериментально исследован процесс возгорания полихлорвиниловой изоляции электрического кабеля. Выполнен расчет мощности, выделяемой в точке локальной утечки, в зависимости от переходного сопротивления утечки. Показана эффективность применения устройств защитного отключения для предотвращения возгораний и пожаров.

Ключевые слова: пиролиз, воспламенение, изоляция, электрический кабель, устройство защитного отключения.

Введение

Все более широкое использование электроэнергии во всех областях деятельности человека, неуклонный рост энерговооруженности труда, резкое увеличение количества электроприборов в быту и на производстве естественным образом влекут за собой повышение потенциального риска электропоражений человека, а также возгораний и пожаров, вызванных действием электрического тока. По статистике ФГУ ВНИИПО МЧС РФ, на долю возгораний, связанных с электричеством, приходится более 20 % пожаров.

Существует ряд организационных, организационно-технических и технических систем и устройств, предназначенных для защиты жизни и имущества человека от действия электрического тока.

Одним из наиболее эффективных технических средств, широко применяющимся в последние годы, является устройство защитного отключения (УЗО). Оснащение практически всех без исключения электроустановок УЗО в странах Европы, в США, Канаде и Австралии, а также и в нашей стране позволило на порядок снизить электротравматизм, значительно уменьшить количество пожаров.

УЗО реагируют на токи утечки на землю, превышающие определенный уровень. Возгорание чаще всего возникает при горении дуги, появляющейся вследствие протекания токов короткого замыкания (КЗ). Однако на практике КЗ, как правило, сопровождается и замыканием на землю или, по крайней мере, резким возрастанием тока утечки на землю. УЗО обладают высокой чувствительностью (от 5 мА),

поэтому они четко реагируют на токи утечки, вызванные нарушением изоляции и предшествующие возгоранию. По данным ФГУ ВНИИПО МЧС РФ, возгорание с высокой вероятностью возможно при выделении в месте повреждения изоляции мощности 20-60 Вт, что соответствует току утечки 90300 мА.

Причины повреждения изоляций кабелей и проводов

Локальные повреждения изоляций электрических кабелей и проводов — микротрещины, эрозия, разрывы — возникают вследствие следующих причин:

• механических — в результате удара, нажима, изгиба или сдавливания кабеля;

• термических — в результате теплового старения изоляции;

• электрических — перенапряжения, сверхтоки;

• влияния окружающей среды — перепад температур, воздействие влаги, ультрафиолетовое излучение, агрессивная среда и т.д.

Треугольник горения

Воспламенение токопроводящих кабелей происходит только при наличии трех основных составляющих горения, что графически отражено в так называемом "треугольнике горения" (рис. 1), который включает следующие составляющие:

• источник зажигания; в рассматриваемом случае источник воспламеняющей энергии — электрический ток;

Источник зажигания (электрический)

Кислород, воздух Горючее вещество (ПВХ)

Рис. 1. Треугольник горения

• горючее вещество; для изоляции кабелей применяют различные пластические материалы, в данном случае горючее вещество — поливинил-хлорид (ПВХ);

• окислитель, которым в процессе горения является кислород воздуха.

При отсутствии хотя бы одной из этих трех составляющих воспламенения не происходит.

Процесс воспламенения изоляций кабелей и проводов

Причинами воспламенения электропроводки наряду с другими являются повреждение изоляции и горение электрической дуги. Процесс воспламенения изоляции проводника при микроповреждениях до настоящего времени исследовался очень мало.

При воздействии источника зажигания (в данном случае — тока утечки) на электрическую изоляцию происходит пиролиз ее материала. Он разлагается с образованием горючих продуктов распада. Воспламенение изоляции возникает при нагреве ее поверхности до такой температуры, при которой скорость выделения с поверхности летучих веществ станет достаточной для возникновения в присутствии источника зажигания и окислителя в воздухе реакции горения в газовой фазе над поверхностью изоляции.

Процесс воспламенения происходит следующим образом. При микроповреждении изоляции, возникающем по указанным выше причинам, между находящимися под разными потенциалами (фаза - фаза, фаза - ноль, фаза - РЕ-проводник) проводниками протекает крайне малый точечный ток. По мере ухудшения состояния изоляции, начиная со значения тока примерно 1 мА (на примере однофазной электроустановки 220 В), наблюдается обугливание проводящего канала, возникает "угольный мостик" и в диапазоне значений от 5 до 50 мА ток непрерывно возрастает. При показаниях тока утечки примерно 150 мА (что означает, что в месте утечки выделяется мощность порядка 33 Вт) происходит воспламенение изоляции вследствие ее нагрева выделяемым в данной точке теплом. При этом ток утечки быстро возрастает, и при значениях 300-500 мА возникают тлеющий разряд, затем микро-

дуга, в конечном счете приводящие к загоранию электрической дуги.

При возгорании электрической изоляции часть ее под воздействием высокой температуры в результате пиролиза переходит в газообразное состояние. Самостоятельное горение наблюдается в том случае, если газообразные продукты термического разложения смешиваются с воздухом в соответствующей пропорции и объекту передается достаточная для достижения температуры воспламенения энергия.

Горение электрической дуги имеет другую природу и не требует наличия окислителя. Известно, что температура самовозгорания ПВХ составляет 390 °С.

Для воспламенения изоляции необходимо воздействие мощности от 40 до 60 Вт (по данным ФГУ ВНИИ противопожарной обороны МЧС РФ — от 20 Вт). Выделение такой мощности возможно при протекании токов утечки в месте повреждения изоляции или возникновении "горячей точки" в месте плохого контакта (незатянутые клеммы и т.п.).

Расчет мощности утечки,

выделяемой на сопротивлении утечки, на примере простой ТМ-О сети

На примере простой ТК-С сети (рис. 2) выполнен расчет мощности Рут, выделяемой на сопротивлении утечки Яут в месте дефекта изоляции при протекании тока утечки 1ут на землю:

(1)

P = 12 R .

ут ут ут

При расчете суммы сопротивлений локального повреждения изоляции Яут, переходного сопротивления на землю в месте повреждения изоляции Яп и

-+U,

Рис. 2. Расчетная схема простой TN-C сети: Uc — напряжение сети (220 В); L1 — фаза; PEN — совмещенные нулевой защитный и нулевой рабочий проводники; Rут — сопротивление утечки; Rn — переходное сопротивление на землю в месте повреждения изоляции; RH — сопротивление на нагрузке; R3 — сопротивление заземлителя; Rm — сопротивление локального заземлителя; 1ут — ток утечки

Рут. Вт

1000

Рис. 3. Зависимость мощности возгорания Рут (-) и тока

утечки 1ут (---) от суммарного сопротивления заземле-

ния R,,

1 — 5 Ом; • — 100м; ▲ — 15 0м;Т — 200м

сопротивления локального заземлителя Ялз последовательно были заданы значения 5,10,15 и 20 Ом, исходя из условия, что сопротивление заземлителя R3 не должно превышать 4 Ом:

1уш R

U„

R + R„

R

(2)

где Пс — напряжение сети.

Результаты расчета представлены на рис. 3. Из графика следует, что при снижении сопротивления в месте дефекта изоляции до уровня 720-780 Ом возможно выделение мощности, достаточной для воспламенения.

Экспериментальное исследование процесса возгорания изоляции кабеля

Для определения указанных характеристик на кафедре "Инженерной экологии техносферы" Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) был разработан и изготовлен стенд для экспериментального исследования процесса возгорания изоляции кабеля. Стенд состоял из экспериментального стола, на который с помощью жгутов был закреплен кабель, устройства создания тока утечки, термопары, нагрузки и осциллографа. Методика эксперимента позволяла находить минимальное значение зажигающего тока утечки с учетом времени действия для определенного типа кабеля.

Напряжение, подаваемое к испытываемому образцу, равнялось 220 В. Создавалась точечная утечка тока через изоляцию кабелей разных марок, в частности марки КУМ с полихлорвиниловой изоляцией. При протекании тока утечки возникал "угольный мостик", происходил его разогрев до критиче-

Рис. 4. Осциллограммы тока (а) и напряжений на входе цепи (б) и на нагрузке (в)

Рис. 5. Эксперимент по исследованию процесса возгорания изоляции кабеля (момент выброса факела): 1 —электрический кабель; 2 — жгут; 3 — место выброса и воспламенения продуктов разложения; 4 — экспериментальный стол; 5 - устройство создания тока утечки

ской температуры, загоралась дуга. В ходе эксперимента с помощью осциллографа фиксировались напряжения на входе цепи и на нагрузке, а также температура изоляции в месте утечки. На рис. 4 представлены осциллограммы тока и напряжений на входе цепи и на нагрузке. Отчетливо виден момент пробоя изоляции.

В результате эксперимента установлено, что возгорание кабеля происходит после локального разогрева изоляции в точке утечки тока, последующего обугливания токового канала, электрического пробоя изоляции и загорания электрической дуги. Под воздействием высокой температуры электрической дуги под оболочкой кабеля происходит процесс пиролиза материала изоляции с выделением горючих веществ, их скоплением и последующим взрывным выбросом. Установлено, что в момент возгорания изоляции происходит выброс факела пламени до 10 см.

На рис. 5 представлен фрагмент экспериментального исследования процесса возгорания изоляции кабеля. Указанное явление частично объясняет

высокую вероятность возникновения пожаров при локальных пробоях изоляции.

Выводы

На практике, по причине малых значений токов утечки при микроповреждениях изоляции, штатные плавкие предохранители и автоматические выключатели не реагируют своевременно на эти токи и не отключают аварийную цепь, что и является одной из причин возгораний и пожаров.

В настоящее время наиболее эффективным средством предотвращения возгораний в ситуациях, аналогичных смоделированной в эксперименте, является устройство защитного отключения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смелков, Г. И. Пожарная опасность токов утечки в электросетях с изолированной нейтралью / Г. И. Смелков, И. Ф. Поединцев, В. В. Смирнов [и др.] // Обзорная информация. Вып. 6. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. — 31 с.

2. Поединцев, И. Ф. Исследование влияния параметров токов утечки на процесс зажигания конструкционных материалов электрических кабелей / И. Ф. Поединцев, В. В. Смирнов, Н. Г. Дударев [и др.]//Матер. науч.-практ. конф. — М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. — С. 64-65.

3. Монаков, В. К. УЗО. Теория и практика/В. К. Монаков. — М.: ЗАО "Энергосервис", 2007. — 368 с.

4. Гарманов, А. Принципы обеспечения электросовместимости измерительных приборов /

A. Гарманов // Современные технологии автоматизации. — 2003. — № 4. — С. 64-72 ; 2004.

— № 1. — С. 62-68.

5. Жданкин, В. К. Некоторые вопросы обеспечения взрывобезопасности оборудования /

B. К. Жданкин // Современные технологии автоматизации. — 1998. — №2.— С. 98-106.

6. Сапонеро, Э. Возгораемость кабеля / Э. Сапонеро //Журнал сетевых решений/LAN. — 2002.

— № 4.

7. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. /А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. —Ч. 1. — 713 с.

Материал поступил в редакцию 12.03.09. © Монаков В. К., Бушманов С. А., 2009 г. (e-mail: bushmanov-rabota@rambler. ru).