Подобрєєва Олена Олександрівна

         Основною причиною пожеж в електроустановках (до 70 % від загального числа електропожеж) є короткі замикання (к.з.) і струми витоку, що розвиваються, через ізоляцію електропроводок. При цьому найбільш пожжежонебезпечним виглядом електротехнічних виробів є електропроводки, на долю яких доводиться до 45 % пожеж.

         Низький рівень пожежобезпеці пояснюється рядом чинників: незадовільним технічним станом, електричних мереж низької напруги, що знаходяться в експлуатації, низькою якістю електроприладів і невідповідністю їх стандартам безпеки, відсутністю ефективних служб контролю безпечній експлуатації електроустановок, недотриманням правил пожежної безпеки при експлуатації побутової техніки і дуже низькою ефективністю електричного захисту від аварійних режимів.

         Як показує практика, у багатьох випадках електричні мережі, не дивлячись на формальну наявність захисту - автоматичних вимикачів і запобіжників, по суті, від пожежобезпечних режимів не захищені [4].

         Розглянемо основні причини цього явища.

         Відповідно до методик вибору захисту, що діють, від коротких замикань необхідна чутливість захисту забезпечується, якщо величина струму к.з. не менш ніж в 3 рази перевищує номінальний струм плавкої вставки запобіжника або теплового розчіплювача автоматичного вимикача. Таким чином, для запобіжників, наприклад, ПН-2 на 100 А (часто вживаних в розподільних електричних щитах) умова надійного спрацьовування при к.з. досягається при струмі в 300 А. Дійсно, при такому значенні струму запобіжник спрацює, але, лише, відповідно до його характеристики, через 10 с. Враховуючи можливий і допустимий для запобіжника розкид характеристик, цей час може бути збільшен у декілька разів. Аналогічно працюють і автоматичні вимикачі. Їх електромагнітні розчіплювачі "миттєвої" дії часто взагалі не реагують на струми к.з. малої величини, а теплові розчіплювачі можуть спрацювати лише через десятки секунд.

         Іншою причиною низької ефективності електричного захисту є той, що не враховується методиками, що діють, перепалюючий ефект електричної дуги, як правило, що виникає при коротких замиканнях. Температура в місці дії дуги досягає 5... 8 тис. градусів, що аналогічно дії електрозварювання. При цьому дроти можуть перепалюватися швидше, ніж спрацює захист, що еквівалентно її відсутності і неконтрольованому протіканню пожар безпечних процесів, пов'язаних з розвитком електричної дуги, іскрообразуванням, займанням ізоляції і інших горючих матеріалів і т.п.

         Крім того, займання ізоляції електропроводки може статися під час дії струмів витоку, викликаних старінням ізоляційних матеріалів, їх механічними пошкодженнями або руйнуванням під дією температури і агресивного середовища. Під час дії виниклого струму витоку температура ізоляції підвищується, причому із-за негативного температурного коефіцієнта твердих діелектриків цей процес супроводжується зменшенням опору ізоляції, що приводить до подальшого зростання струму витоку. Нагрів ізоляції приводить до її розкладання з виділенням легко запалюючих продуктів і займання досягши температури 220 З - для гумової ізоляції і 560 З - для полівінілхлоридної. При цьому займання ізоляції може статися при дуже малих значеннях струмів витоку. В процесі досліджень запалюючої дії струмів витоку, проведених за участю автора у випробувальній пожежній лабораторії управління пожежної охорони УВС Херсонскої області, мінімальний запалюючий струм витоку склав:

- для дроту АППВС - 54 мА (11,8 Вт) при часі дії 39,3 с;

- для дроту АПВ - 114 мА (25 Вт) при часі дії від 14,7 с до 48,5 с;

- для дроту АПР - 68 мА (15 Вт) при часі дії від 101,3 с до 161,1 с.

         Необхідно відзначити, що статистика пожеж не виділяє струми витоку як самостійну причину пожеж, що обумовлене, по-перше, проблемою контролю струмів витоку в мережах, а також складністю визначення першопричини пожежі при експертизі, оскільки пожежа може бути викликана безпосередньо струмом витоку і привести до к.з., а також розвиток струму витоку може привести до короткого замикання і подальшої пожежі [7].

         Запобіжники і автоматичні вимикачі на струми витоку через ізоляцію не реагують, що також є одній з причин пожеж.

         Крім того, враховуючи, що при експлуатації електроустановок часто допускається довільна заміна захисної апаратури, може бути зроблений загальний вивід про дуже низьку протипожежну ефективність запобіжників і автоматичних вимикачів і необхідності нового підходу до проектування захисту.

         В даний час дуже надійним засобом електричного захисту, що отримав міжнародне визнання, є пристрій захисного відключення (УЗО). Лише на початок 70-х років в Європі і США було встановлено більше 30 млн. УЗО і щорік встановлюється більше 10 млн. апаратів різного типа. Відмітною особливістю УЗО є дуже малий (не більше 0,1 с.) час спрацьовування, що, з одного боку, забезпечує збереження життя людей, що попали під напругу, а, з іншого боку, різко знижує вірогідність пожеж при коротких замиканнях і струмах витоку через ізоляцію.

         Проте Правилами пристрою електроустановок УЗО, що до останнього часу діють, розглядаються лише як засіб захисту людей від електропоразок. Очевидно, що необхідне розширення концепції функціонального призначення УЗО, що передбачає не лише забезпечення електробезпеки людей, але і виключення електро- і пожежобезпечного стану електроустановок.

         Для вирішення цієї проблеми потрібен перехід до нової системи проектування електричного захисту систем електропостачання від аварійних режимів, а також проведення масової ревізії і реконструкція існуючого захисту від коротких замикань електричних мереж напругою 380/220 В.

         З цією метою в Київському Державному Технічному Університеті розроблені нові принципи оцінки ефективності електричного захисту, що враховують час її спрацьовування і пожежобезпечні наслідки к.з., що супроводжуються електричною дугою. У основу їх використання покладено математичне моделювання процесу функціонування системи електричного захисту з врахуванням її часу дії і перепалюючого ефекту електричної дуги при коротких замиканнях, і вживання аналітичних виразів, що забезпечують можливість комп'ютерного прогнозування пожежної небезпеки коротких замикань. Запропонована методика дозволяє виявити потенційно пожежобезпечні ділянки мережі, як на етапі її проектування, так і в процесі експлуатації. Для цих ділянок мають бути змінені параметри або тип захисту від к.з., або тип або перетин електропроводки, а також використані пристрої захисного відключення [2].

         Для практичної реалізації результатів математичного моделювання процесу функціонування електричного захисту і підбору пожежобезпечного поєднання параметрів захисту і електропроводок, з врахуванням діапазону розкиду захисних характеристик і характеристик перепалу, розроблен програмний комплекс автоматизованого розрахунку і дослідження параметрів і наслідків аварійних режимів і вибору ефективного електричного захисту в системах електропостачання 0,38 кВ "АРІАС".

         За допомогою комплексу "АРІАС" за результатами зіставлення характеристик пристроїв захисту і характеристик перепалу дротів на всіх ділянках електричної мережі виробляється розрахунок наступних показників:

- вірогідності загорання ізоляції кабельних виробів при кожному з видів к.з. на кожній ділянці мережі;

- вірогідності спрацьовування захисту до перепалювання дротів дуговим розрядом при кожному з видів к.з. на кожній ділянці мережі, як для надійного, так і для ненадійного захисту;

- вірогідності пожеж на об'єкті електропостачання при кожному з видів к.з.;

- вірогідності пожеж при всіх видах к.з.;

- вірогідність пожеж при всіх видах к.з. без врахування к.з. на корпус.

         1. Запропонована методика дозволяє кількісно оцінити протипожежну ефективність різних електрозахисних пристроїв і використовувати показники функціонування систем захисту для вибору переважного варіанту. Зокрема, можливо, отримати кількісну оцінку протипожежної ефективності УЗО, розраховану з умови запобігання ними пожеж, що викликаються короткими замиканнями на корпус.

         2. Значення показників функціонування захисту, і, в першу чергу - вірогідності пожеж унаслідок дугових к.з., залежать від величини струмів к.з., а, отже, від потужності силового трансформатора, що живить електричну мережу і його віддаленості від об'єкту електропостачання. Виконання захисту відповідно до правил, що діють, не виключає перепалювання дротів, загорань і пожеж в результаті дугових к.з. Найбільші значення вірогідності пожеж відповідають потужностям живлячих трансформаторів (діапазонам струмів к.з.), при яких вірогідність перепалювання дротів до спрацьовування захисту на більшості ділянок мережі найбільш висока.

         3. Система захисту електричної мережі, найбільш ефективна при певній потужності трансформатора і матеріалі жил дротів внутрішніх електропроводок може виявитися менш переважною в інших випадках. Таким чином, кожному варіанту виконання електропостачання відповідає свій варіант ефективної системи електричного захисту.

         4. При виборі найкращого варіанту системи захисту найважливішим критерієм є вірогідність пожежі на даному об'єкті електропостачання в результаті дугових к.з. У загальному випадку повинна забезпечуватися нормована вірогідність пожежі.

         5. При рішенні задачі структурно-параметричної оптимізації системи електричного захисту з набору засобів захисту з різними параметрами вибираються такі поєднання, при яких забезпечується найменша вірогідність перепалювання дротів по ділянках мережі і досягається задана (нормована) вірогідність пожежі. При цьому слід брати до уваги, що відповідно до проведених розрахунків, пристрої захисного відключення лише за рахунок запобігання розвитку однофазних к.з. на корпус дозволяють понизити вірогідність пожеж від дугових к.з. у 4...7 разів.

         При рівноцінних варіантах поєднань засобів захисту переважний варіант вибирається з врахуванням додаткових критеріїв.

         6. Відповідність параметрів захисту параметрам електропроводок на кожній ділянці мережі повинна досягатися, перш за все, за рахунок підбору захисних засобів, оскільки направлена зміна параметрів електропроводок по своїх наслідках неоднозначно.

         7. Повне виключення перепалювання струмами к.з. електропроводок при захисті запобіжниками і автоматичними вимикачами у ряді випадків вимагає багатократного збільшення їх перетину, що не може бути забезпечене по економічних міркуваннях, тому такий захист повинен застосовуватися у поєднанні з УЗО .

         8. Використання УЗО для протипожежного захисту електроустановок дозволяє на 2...3 порядку зменшити час існування аварійного режиму, запобігти розвитку пожежонебезпечної електричної дуги, виключити займання горючих речовин від струмів витоку. Тим самим, може бути забезпечений необхідний рівень електро- і пожежонебезпечності електроустановок будівель [5].

         Захисне відключення – швидкодіючий захист, що забезпечує автоматичне відключення електроустановки при виникненні в ній небезпеки поразки людини струмом. Така небезпека може виникнути, зокрема, при замиканні фази на корпус, зниженні опору ізоляції мережі нижче певної межі і, нарешті, в разі дотику людини безпосередньо до токоведущої частини, що знаходиться під напругою.

         У всіх випадках небезпека поразки обумовлена напругою дотику або, інакше кажучи, струмом, що проходить через людину. Як відомо,

(1)

         де - опір тіла людини, Ом.

         Таким чином, якщо при дотику людини до корпусу устаткування або фази мережі напругу дотику (або струм через людину) перевищить тривале допустиме значення, то виникне реальна загроза поразки людини струмом і мірою захисту в цьому випадку може бути, зокрема, швидкий розрив ланцюга струму через людину, тобто відключення відповідної ділянки мережі. Для виконання цього завдання і призначено захисне відключення.

         Принцип дії – швидке відключення пошкодженого устаткування від мережі у випадку, якщо струм, який проходить через провідник, що заземляє корпус цього устаткування, перевищить деяку межу при якому напруга дотику має найбільше тривале допустиме значення

         Принципова схема приведена на малюнку. Датчиком служить струмове реле РТ, що володіє малим опором і включене безпосередньо в розтин заземляючого дроту.

         При замиканні фази на корпус струм, що стікає в землю, якщо він перевищує установку, викликає спрацьовування реле, тобто відключення установки від мережі.

         До схем даного типа відносяться такі схеми, які вживані в системі занулення, коли струмове реле включається в розтин зануляючих провідників і спрацьовує під дією струму однофазного короткого замикання. Такі пристрої відрізняються чіткістю спрацьовування [7].

         Сфера застосування даних УЗО обмежується установками, корпуси яких ізольовані від землі, а, отже, і один від одного, тобто установками, між якими немає електричних зв'язків окрім зв'язку через реле. В цьому випадку захист працює селективно. Такими установками є ручний електрофіцированний інструмент, пересувні установки і тому подібне Напруга живлячої мережі і режим її нейтралі можуть бути будь-якими.

         Вибір установки. Умова безпечного дотику до корпусу устаткування в період замикання на нього фази виражається наступною залежністю:

(2)

         де - опір заземлення корпусу, Ом; – комплексний опір обмоток реле, Ом.

         Уставкою є струм , що приходить через заземляючий провідник і що визначає приведені умови безпеки, т.е.:

(3)

         або

(4)

         За умовами, що отримаємо

(5)

         Струм спрацьовування реле має дорівнювати струму уставки або оскільки струм проходить лише через реле не залежно від того, сполучений корпус із землею лише через заземляючий провідник або він має і інше з'єднання (через опорну поверхню і тому подібне) [5].

         Таким чином

(6)