В Украине в 2002 году было зафиксировано 59 686 пожаров, в результате чего было травмировано 5 388 человек из них 3 616 погибло. Число погибших на 1 млн. человек в Украине составило величину 74,56, а число пожаров на тысячу человек составило 1,231.

          Относительное число пожаров в Украине в 10 раз меньше, чем в США, но в 2 раза больше, чем в Японии и в 34 раза больше, чем в Китае. Относительное число погибших при пожарах в Украине в 2,2 раза превышает число погибших в США, в 3 раза превышает число погибших в Японии и в 28 раз превышает число погибших в Китае.

          Среднегодовое число погибших при пожарах в Украине в 2000 – 2002 гг. возросло в 1,5 раза по сравнению с периодом 1995 – 1999 гг.

          Известно, что каждый пожар, в основном, связан с применением электрической энергии. Пожар в электроустановках происходит при появлении коротких замыканий, отказе в срабатывании средств защиты либо при ненормальных режимах работы электрооборудования. Поэтому прогнозирование возможных пожаров при эксплуатации электроборудования и разработка организационных и технических мероприятий является актуальной проблемой.

          Анализ пожаров, произошедших от повреждения электрооборудования и отказа в срабатывании соответствующих средств защиты, показал: на тепловых электростанциях произошло 52 %; на подстанциях – 43 %; на гидроэлектростанциях – 5 % от общего числа пожаров, произошедших по другим причинам, не связанным с электрическим током. Число пожаров, произошедших по вине электрических машин, составило 16 % [2].

          Рисунок 1 - Динамика пожаров по месяцам в Донецкой области за 2004 год.

          По статистическим данным о выходе из строя асинхронных электродвигателей (АД) напряжением до 1000В, собранных за период 2000 – 2004 гг. на некоторых промышленных предприятиях города Донецка и Донецкой области, примерно 62 - 71 % повреждений АД вызван работой их на двух фазах.

          Приведенные статистические данные позволяют сделать вывод об актуальности выбранной темы магистерской работы.

Цель работы

          Разработать методику выбора сроков профилактики наличия горючего материала (пыли) на корпусах асинхронных электродвигателей, эксплуатируемых на технологическом объекте, а также определить интервал времени между диагностикой системы отключения защитного коммутационного аппарата при случайных обрывах одного из фазных провалов, при которых обеспечивается нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень пожарной безопасности, т.е. Q₀(8760) = 1*10^-6.

Научная новизна

          Научная новизна магистерской работы состоит в получении аналитической зависимости вероятности возникновения пожаров при эксплуатации асинхронных электродвигателей от частоты появления обрывов фазных проводников, длительности существования такого режима, частоты появления горючего материала на корпусах электродвигателей и сроков его осмотров, а также от надежности системы отключения защитного коммутационного аппарата и сроков его диагностики.

Планируемый практический результат

          Полученные данные в результате исследования позволят выбрать интервал времени между проверками отключения защитного коммутационного аппарата и срока проверки наличия горючего материала (пыли) на корпусах асинхронных электродвигателей, при котором вероятность пожаров при эксплуатации на промышленных предприятиях АД будет отвечать норме ГОСТ 12.1.004-91. Это позволит почти полностью исключить случаи появления пожаров при эксплуатации электродвигателей.

Содержание работы

          Использование вероятностных методов для анализа состояния пожаробезопасности электрооборудования является одним из наиболее распространенных направлений исследований. Но применение вероятностных методов для оценки безопасности технологических объектов ограниченно, так как статистическая информация о некоторых объектах весьма противоречива.

          Рассмотрим один из вероятностных методов для оценки пожарной безопасности АД, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях.

          Вначале введем основные понятия и определения, которые используются в моей работе.

          Под безопасностью будем понимать свойства объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

          Риск – это мера опасности, которая измеряется числом аварий в единицу времени (интенсивностью появления).

          Авария на промышленном объекте – это техногенное происшествие, сопровождающееся взрывом, пожаром либо выбросом в атмосферу опасных для человека и окружающей среды веществ.

          Безопасность промышленного объекта – это способность средств защиты и обслуживающего их персонала не допускать ситуаций, приводящих к авариям.

          Взрывопожароопасная ситуация – это совмещение в пространстве и времени ряда независимых случайных событий, каждое из которых участвует в формировании взрыва (пожара) [7].

          Существуют нормативные документы, регламентирующие вероятность пожара на технологических объектах. Вероятность возникновения пожаров в электротехническом и другом единичном изделии не должна превышать величины 1*10^-6 в течение года [11].

          Специалисты различных стран принимают интенсивность появления аварий (катастроф) Н = 1*10^-6 1/год как тот уровень риска, к которому следует стремиться на промышленных предприятиях. Объясняется это тем, что частота аварий (катастроф) на конкретном промышленном объекте равная 1*10^-6 настолько мала, что ради выгоды, получаемой от эксплуатации объекта, общество (люди) готовы пойти на такой риск. Физический смысл этой величины можно объяснить следующим образом. Если под наблюдением в течение времени Т = 1 год будет находиться N = 1000000 однотипных технологических объектов, то статистически допускается одна авария (катастрофа) n = 1 в течение года на одном из этих объектов, т.е.

.

          Вероятность появления аварий (катастроф) в течение времени t может быть определена следующим образом:

.

          В том случае, если H*t < 0,1, то , при t = 1 год, .

          Статистический анализ данных об авариях, произошедших за последние 5 лет в различных отраслях промышленности Украины и России, показал, что степень риска появления аварий (катастроф) равна 1/год, т.е. на 3 порядка больше нормируемой величины.

          Опишем физические причины ненормальных режимов работы асинхронных двигателей, которые обычно приводят к возникновению пожаров.

          В результате перегрузки электрических машин, из-за засорения вентиляционных каналов системы охлаждения, а также при покрытии теплоизолирующим слоем волокон, пуха и пыли внутренней полости машин возникает их перегрев. В этих случаях машина перегревается равномерно. Известны случаи, когда в электродвигателях перегреваются только обмотки статора или ротора.

          Равномерный перегрев всей обмотки статора происходит, если электродвигатель перегружен или нарушен режим его охлаждения, обмотка статора соединена «треугольником», напряжение на зажимах двигателя ниже нормального, вследствие чего в двигателе при нормальной мощности возникают токи перегрузки.

          Перегрев обмотки ротора (якоря) возникает при перегрузке двигателя и нарушении режима его охлаждения, в результате плохого контакта в пайках любых частей обмотки, при слабом контакте или искрении в щеточном аппарате.

          Перегрев электрических машин может быть вызван их работой на двух фазах, что является наиболее частой причиной выхода из строя трехфазных асинхронных двигателей. Потеря одной фазы возможна из-за обрыва проводников, нарушения плотности контактов, повреждения аппаратов (поломки, нарушения регулировки, подгорания контактов в магнитном пускателе), но чаще вследствие перегорания одной из плавких вставок в предохранителях.

          Распространенной причиной возникновения пожаров является пробой изоляции обмоток на корпус электрических машин. В процессе эксплуатации электрических машин производственная пыль, попадая на обмотку, может образовывать проводящие мостики, которые вызывают перекрытие или пробой изоляции на корпус. Длительный перегрев электрических машин или работа в условиях повышения температур окружающей среды делает изоляцию обмоток хрупкой и гигроскопичной, что также может привести к короткому замыканию (КЗ) и пробою на корпус машины.

          Большие переходные сопротивления у электрических машин наиболее часто возникают в распределительных коробках и местах соединения подводящих проводов с выводными концами статорной обмотки (у асинхронных двигателей). Многие асинхронные электродвигатели не имеют зажимов на корпусе для подключения проводов. Поэтому провода соединяются с концами статорной обмотки скруткой, опрессованием или с помощью болтов.

          При эксплуатации электрических машин под действием вибрации, резких колебаний и толчков плотность контактов нарушается. В местах соединения проводов образуются большие переходные сопротивления, вызывающие местные нагревы, которые могут привести к воспламенению изоляции и пожарам.

          Переходные сопротивления у электродвигателей нередко вызывают сильные нагревы зажимов во вводной коробке. При длительных нагревах изоляционный материал около зажимов прогорает, вследствие чего при смещении зажимов происходят КЗ, которые также могут быть причиной пожаров и загораний.

          Особую пожарную опасность представляют искрение щеток и пригорание контактных колец у электрических машин, так как образующиеся искры могут вызвать загорание горючих материалов. Искрение щеток и пригорание контактных колец происходят по следующим причинам: поставлены щетки других марок по сравнению с указанными в паспорте; щетки плохо притерты или слабо прижаты к контактным кольцам; щетки не могут свободно двигаться в обойме щеткодержателя, что ухудшает контакт между контактными кольцами и щетками; контактные кольца имеют неровную поверхность и поэтому вибрируют; контактные кольца и щетки загрязнены или замаслены.

          В машинах постоянного тока при неправильном выборе и расположении щеток, при больших нагрузках происходит усиление искрения. Воздух в зоне коллектора ионизируется, что при определенных условиях ведет к появлению пламени круговой формы.

          Причиной пожара может быть также перегрев подшипников электрических машин из-за недостаточной их смазки, перекосов вала и т.д. Чаще всего это наблюдается при использовании в машинах подшипников скольжения. Перегрев подшипников может настолько увеличить силы трения, что ротор электрической машины остановится. При этом поступающая электрическая энергия в обмотках машин полностью превращается в тепловую энергию, которая может стать источником воспламенения изоляции и других горючих материалов [2].

          Перегрев обмоток электрических машин может вызвать воспламенение изоляции проводов, что нередко приводит к пожару в тех случаях, когда на корпусах этих машин имеются отложения пожароопасной пыли, а средства защиты при этом находятся в нерабочем состоянии, либо не реагируют на данный режим работы.

          Наиболее часто перегрев обмоток АД возникает при заторможенном роторе (заклинивании), обрыве фазы статора, отклонении напряжения сети от нормируемых значений, несимметрии питающего напряжения [3].

          Одним из распространенных режимов, вызывающим перегрузки АД, является несимметрия первичного напряжения. Значение коэффициента несимметрии при обрыве линейного провода на стороне питающего напряжения, как в месте обрыва – 28,7 %, так и в близлежащих узлах – 15 - 28,3 %, значительно превышают значения, установленные ГОСТ 13109-97 [4]. Несимметрия питающего напряжения приводит к появлению токов обратной последовательности, которые накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев ротора и статора, что приводит к быстрому старению изоляции [1].

          Токи в фазах первичной и вторичной обмоток при искажении симметрии питающего напряжения распределены неравномерно и, при глубокой несимметрии, могут вырасти в 2 и более раз. Рост токов приводит к перегреву обмоток АД. Наиболее нагретым узлом АД является лобовая часть обмотки статора, и ее температура увеличивается с ростом несимметрии [5]. В табл.1 приведено распределение температур лобовой части обмотки статора при различных значениях коэффициента несимметрии K_2U.

          Таблица 1 – Распределение превышения установившихся температур лобовой части обмотки статора при различных уровнях несимметрии питающего напряжения

K2U, %	4	10	15	20
, о.е.	1,12	1,71	2,76	4,61
, о.е.	1,12	1,69	2,73	4,60
, о.е.	0,98	1,00	1,48	2,80

          Рост температур обмоток существенно влияет на срок службы изоляционных материалов. При работе АД в номинальном режиме срок службы изоляционного материала составляет в среднем 10 лет. Используя данные табл.1, был произведен расчет сроков службы АД при различных значениях несимметрии питающего напряжения [6]. При уровне несимметрии K_2U = 4 % срок службы изоляционного материала снижается в 1,7 раза по сравнению с номинальным, а при K_2U = 10 % - более чем в 15 раз. При работе двигателя с K_2U = 20 % остаточный срок службы изоляции составил 3,2 часа.

          Из вышеизложенного следует, что появление на выходе АД несимметрии питающего напряжения 20 % и отказе в срабатывании средств релейной защиты, примерно через 3,2 часа произойдет пробой изоляции обмоток. Такой режим будет существовать до тех пор, пока не обуглится обмотка статора и произойдет перегорание подшипников, при этом температура корпуса двигателя возрастет до температуры, при которой возможно воспламенение горючей пыли, случайно находящейся на корпусе, что приведет к возникновению пожаров в помещении [5].

          Следовательно, пожар при эксплуатации АД может произойти при совпадении в пространстве и времени следующих случайных событий: недопустимый перегрев корпуса двигателя (например, при обрыве одной из фаз, питающих АД); отказ в срабатывании соответствующих средств защиты; наличие горючего материала на корпусах рассматриваемых АД [1].

          Вероятность пожаров Q(t) от эксплуатации в цехе АД в течение времени t равна вероятности P₈(t) случайного нахождения всех независимых элементов системы «защита – АД – горючий материал» в опасном состоянии, т. е. в исследуемой системе наблюдается в момент времени t: обрыв одной из фаз АД; отказ в срабатывании соответствующих средств защиты; наличие горючего материала на корпусе двигателя. Вероятность P₈(t) можно найти, пользуясь системой линейных дифференциальных уравнений [7]

          Данная система уравнений решается при начальных условиях:

          Решение системы линейных дифференциальных уравнений будем искать в виде:

где Р(0) = (1,0,…,0) – вектор-строка, содержащий начальные условия;

.

,          ,

,          ,

,          ,

,

         Здесь      - средний интервал времени между появлениями обрыва фазы АД и средняя длительность существования данного режима работы;       - средний интервал времени между отказами средств защиты (релейная защита) и средняя длительность нахождения их в отказавшем состоянии;       - средний интервал времени между появлениями горючего материала на корпусах АД и средняя длительность нахождения горючего материала (пыли) на корпусах АД.

          Среднее время до первого пожара    находим из системы уравнений:

.

          В тех случаях, когда ,      тогда из приведенной выше системы находим    - среднее время до первого пожара, если в начальный момент времени все элементы системы находились в безопасном состоянии.

.

          В практических случаях почти всегда соблюдаются следующие соотношения: d₂ >> d₁ и d₃ >> d₁, тогда формулу для нахождения    можно представить в виде:

.

          Если заданы интервал времени    между проверками наличия горючей пыли на корпусах АД, эксплуатирующихся в цехе, и интервал времени    между проверками работоспособности системы отключения защитных коммутационных аппаратов, тогда    и    можно найти из следующей формулы:

.

         При выполнении условий  ,    из приведенной выше формулы находим:

,

.

         Подставляя формулы    и    в формулу находим:

,

          Дисперсия времени до первого пожара определяется из приведенной выше системы уравнений, записанных в матричном виде. В том случае, если , вероятность пожара в цехе от эксплуатации АД можно определить следующим образом:

.

          Пример 1. При наблюдении в течение Т = 8760 ч за электрооборудованием одного из пожароопасных цехов были получены следующие исходные данные:

           ч. – средний интервал времени между появлениями обрыва фазы в рассматриваемой сети, питающей АД;

         d₁ = 5,6*10^-5 ч. – среднее время срабатывания защиты при обрыве фазы АД;

         d₂ = 15400 ч. – средний интервал времени между отказами системы автоматического отключения защитного коммутационного аппарата;

          ч. – интервал времени между проверками системы отключения защитного коммутационного аппарата;

          ч. – средний интервал времени между появлениями горючей пожароопасной пыли на корпусах АД;

          ч. – интервал времени между проверками наличия горючего материала на корпусах АД.

          Определить вероятность пожаров в течение t = 8760 ч. при эксплуатации в цехе АД и сравнить полученный результат с нормируемой ГОСТ 12.1.004-91 величиной Q₀(8760)=1*10^-6.

          Решение. Используя исходные данные примера, находим   и  .

,      ,    

,

,

,

.

          Подставляя полученные данные в системы уравнений для нахождения среднего времени до первого пожара     и дисперсии времени до первого пожара , определим среднее время до первого пожара  и дисперсию времени  . Получили, что . Тогда вероятность пожара в цехе от эксплуатации АД определяем по приближенной формуле:

          Используя систему линейных дифференциальных уравнений, с помощью ЭВМ находим P₈(8760) = Q(8760) = 4,42*10^-4. Сравнение полученного результата с нормируемой величиной Q₀(8760)=1*10^-6 показало, что в данном случае пожарная цеха при эксплуатации не обеспечивается.

          Пример 2. Используя исходные данные примера 1, определить, через какое время    необходимо проверять наличие горючего материала (пыли) на корпусах АД, чтобы вероятность пожаров от их эксплуатации была на уровне ГОСТ 12.1.004-91, т.е. Q₀(8760)=1*10^-6.

          Используя систему линейных дифференциальных уравнений и формулу

          Следовательно, если проверять наличие горючего материала (пыли) на корпусах АД через каждые 7 часов, то нормируемый уровень пожаробезопасности при эксплуатации АД будет обеспечен [1].

Заключение

          В результате исследований в данной работе была разработана математическая модель и предложена методика, которые позволяют прогнозировать вероятность появления возможных пожаров от эксплуатации асинхронных электродвигателей, разрабатывать организационные и технические мероприятия, позволяющие обеспечивать нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень пожарной безопасности. Для этого была использована программа учета, анализа и обработки экспериментальных данных, разработанная на кафедре «Электроснабжение предприятий и городов».

Литература

1. Ковалев А.П., Шевченко О.А., Якимишина В.В., Пинчук О.Г. Оценка пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях Украины. – Вісник Кременчугського держ. політехн. університета, 2004, вип. 2/2004(25).

2. Кашолкин Б.И., Мешалкин Е.А. Тушение пожаров в электроустановках. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 112 с.

3. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. –248 с.

4. Кузнецов В.Г., Николаенко В.Г., Висящев А.А. Математические модели и анализ неполнофазных режимов ЛЭП. – Техническая электродинамика, 1985, №4. – с. 24 – 27.

5. Шевченко О.А., Якимишина В.В., Пинчук О.Г. О пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Електротехніка і енергетика», випуск 67. Донецк: ДонНТУ, 20003 – с. 65 – 68.

6. Федоров М.М., Денник В.Ф., Корощенко А.В. Исследование температур узлов асинхронного двигателя при несимметрии питающих напряжений. – Электротехника, // Сб. тр. ДонГТУ. Сер. Электротехника и энергетика. – Донецк – 1999. – Вып. 4. – с. 138 – 141.

7. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности электротехнических объектов. – Электричество. – 1991, № 8, с. 50 – 55.

8. Тихонов В.И., Миронов В.А. Марковские процессы. – М.: Советское радио, 1977. – 340 с.

9. Ковалев А.П. Оценка степени риска поражения человека электрическим током при эксплуатации оборудования в подземных выработках угольных шахт. – Промышленная энергетика.– 1992, №2, с.42-45.

10. Системный анализ и проблемы пожарной безопасности народного хозяйства / Н.Н. Брушинский, В.В. Кафидов, В.И. Казачков и др. Под ред. Н.Н. Брушинского. – М.: Стройиздат.1988. – 413 с.

11. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
      http://www.fireman.ru/bd/gost/12-1-004/12-1-004.html

12. Марковские процессы принятия решений.
      http://www.karelia.ru/psu/Faculties/Forest/courses/decision/chap8_a.htm

13. Учебник по теории вероятности.
      http://newasp.omskreg.ru/probability/

14. Нормативные документы по нормам пожарной безопасности.
      http://www.paral.ru/documents/pglist.php?razd=1

          ПРИМЕЧАНИЕ: в настоящее время, май, 2006 г. магистерская работа на тему: "Оценка пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях" находится в стадии разработки. Подробные материалы работы можно получить у автора.
          Мой Email: don2006sveta@rambler.ru