Автор: Dr. V. Babrauskas

Перевод: И.В. Луговская

Источник:  http://www.interfire.org/features/electric_wiring_faults.asp

 

Как неисправности электрической проводки могут стать причиной возгорания здания ?

 

 

Общее понятие

 

Значительная часть возгораний зданий связана с неисправностями электропроводок или проводящих устройств. Удивительно, но режимы, в которых электрические неисправности могут стать причинами  возгораний, не были изучены. Этот документ рассматривает известную, ранее опубликованную информацию по этой  теме, а также указывает на основные моменты дальнейших исследований. Основной упор делается исключительно на однофазные, 120/240 В системы распределения. Необходимо также отметить, что систематические исследования этой темы чрезмерно недостаточны,  а большая часть существующих исследований, доступна только на японском языке.

 

Предпосылки

 

Последние статистические данные Национальной ассоциации противопожарной защиты [[1]], за 1993 – 1997 гг., гласят, что 41200 бытовых пожаров в зданиях за год, относятся к так называемым «электрически распространяемым». Эти электрические возгорания насчитывают 336 смертей, 1446 травм гражданских лиц, и $ 643 900 000 прямого ущерба имуществу в год. 41200 пожаров зданий составляют 9,7% от общего числа бытовых пожаров, электрические возгорания занимают 5е место среди 12 основных причин пожаров. $ 643 900 000 прямого ущерба имуществу составляет 14,4% от общего числа повреждений вследствии пожаров, разместив электрические возгорание на второе место по причинению ущерба от пожаров (после поджога или  подозрительных причин).

Опубликованные ранее FEMA [[2]] статистические данные за 1985 – 1994 гг. были очень похожи: электрические возгорания занимали пятое место среди причин пожаров, четвертое место, среди причин пожаров со смертельным исходом, и второе место среди причин пожара по ущербу имуществу. Причины электрические возгораний [1], перечисленны в таблице 1.

 

Таблица 1. Причины пожаров жилых помещений в США из-за электрических возгораний

 

Причины пожара	Процентное соотношение (%)
Стационарна проводка	34.7
Шнуры и вилки	17.2
Осветительные приспособления	12.4
Выключатели и розетки	11.4
Лампы и лампы накаливания	8.3
Предохранители, выключатели	5.6
Измерительные приборы	2.2
Трансформаторы	1.0
Неклассифицированное или неизвестное электрораспределительное оборудование	7.3

 

 

Большие потери, нанесенные возгоранием электрических приборов не означают, что электрические системы являются ненадежными. В США около 270 миллионов человек занимают около 100 млн. единиц жилья, в среднем 5.4 комнат на дом [ [3] ]. Это означает, что в США проживает 2,7 человека в одной единице жилья, или же имеется  2 комнаты на одного человека. Если есть по 4 розетки в комнате, то количество розеток составляет 4'2'270'106 = 2,16 миллиарда. Следует вычесть определенный процент неиспользуемых розеток. Можно предположить, что половина розеток имеют подключенные устройства. Из оставшейся половины розеток, будем считать, что половина из них имеет последовательное соединение к другой розетке, а другой выход используется. Таким образом, реальное количество розеток, с протекающим в них током, оценивается как ¾ 2,16 млрд., или 1620000000. Статистические данные NFPA показывают, что 4700 пожаров приходится  на "выключатели и розетки", но CPSC [[4]] далее опровергает статистику для выключателей, указывая, что они составляют 30% на рисунке выше. Не принимая во внимание пожары, произошедшие из-за неисправностей переключателей, 3290 пожаров за год  обусловлены неисправностями розеток. Частота повреждений оценивается как 3290 / 1,62 '109, или 2'10-6 / в год. Очень низкий процент повреждений показывает, что электрический розетки обладают высокой надежностью. Проблема заключается не в высокой вероятности повреждений, кол-ва устройств, за год.

Вместо этого, вопрос состоит в том, что электрическая сеть включает в себя необычайно большое количество устройств, которые распределены повсеместно. Каждое устройство является источником энергии, и каждый из них потенциально может дать сбой и привести к пожару.

 

Виды возгораний

 

Учитывая то, что такие причины пожаров, как электрические возгорания занимают   второе место по количеству нанесенного ущерба (в долларах США) среди остальных причин пожаров, можно сделать вывод, что был выполнен большой объем исследований, по изучению неправильной работы механизмов, приводящих к возникновению воспломенений. Это доказывает по сути, что, в лучшем случае, исследования были фрагментарными. К рассмотрению повреждений можно подойти по-разному:

 

  (а) определение срабатывания или бездействия, которые привели к повреждению

 

  (б) классификации повреждений неисправного устройства или его части

 

  (в) изучение основ физики повреждений.

 

Такие методы, как (а) и (б) играют важную роль в реконструкции несчастных случаев, но основное внимание в этой статье будет уделено пункту (с). Это особенно важно, поскольку некоторые авторы [[5]] [[6]] уже сообщали о своих исследованиях относительно пунктов (а) или (б).

Изучение неисправностей механизмов показывает, что существует всего несколько основных способов, при которых электрическая изоляция или горючие вещества, расположенные близко к электрическим компонентам проводки, могут воспламениться, хотя существуют различные аспекты для каждого из них:

 

  (1) дуга

 

  (2) чрезмерный омический нагрев, без искрения

 

  (3) внешний нагрева.

 

Некоторые типы возгораний включают сочетание механизмов, поэтому они не должны рассматриваться как взаимоисключающие причины пожара.

 

Образование дуги

 

Топологически изображено, как  дуга может возникнуть или последовательно (рис. 1), или же параллельно (рис. 2)

Рисунок 1. Последовательная дуга

Рисунок 2. Параллельная дуга

 

Некоторые авторы считают короткозамкнутую дугу – третьей формой дуги, её появление возможно, когда схема содержит короткозамкнутую нейтраль. Топологический механизм такой дуги идентичен параллельной, так как нагрузка не последовательна дуге. Различие между двумя основными формами дуг имеет важное значение. В случае последовательной дуги – при возникновение дуги, уменьшается ток в цепи. Таким образом, устройства защиты перегрузки по току не сработает.

 

Причин возникновения дуги может быть много, но основными из них являются:

 

  (1) обугливание изоляции (дуга тонарма)

 

  (2) внешняя ионизация воздуха

 

  (3) короткое замыкание.

 

Обуглевание изоляции

 

В цепи переменного тока, напряжением 120 В легко образуется устойчивое горение дуги, если в цепь будут находиться обугленные токопроводящие элементы. Это явление иногда называют ещё ‘arcing-across-char’. Этот механизм известен в области электротехники уже в течение очень долгого времени [[7]]. То, как обугленные токопроводящие элементы появляются в изоляционном материале, не является тривиальным вопросом. Существуют не мало способов получения таких элементов . Самый простой способ, используемый в некоторых стандартных методиках испытаний [[8]], заключается в создании дуги непосредственно на поверхности изоляции, например, путем размещения двух электродов на изоляционном материале и применения высокого напряжения между ними. Другой механизм предполагает комбинированное воздействие влаги и загрязняющих веществ на поверхность. Этот процесс иногда называют «мокрый трекинг» (wet tracking)  и  он являлся особой проблемой для воздушной проводки с ароматической полиимидной изоляцией [[9]]. Совокупное воздействие влаги и загрязняющих веществ вызывают на поверхности изолятора токи утечки, которые со временем могут привести к образованию обугленных треков [[10]].

Изоляционные материалы различаются по своей восприимчивости к дуге трекинга. Большая часть проводки напряжения 120/240 В изолированы поливинилхлоридом (ПВХ), но, к сожалению, ПВХ является одной из менее удовлетворительных полимеров по отношению к дуге трекинга [10]. Ното и Кавамура [[11]] сообщили об обширных мокрых  трекинг-экспериментов с ПВХ-изоляцией. Использование стандарта Международной электротехнической комиссии (IEC) 60112 [[12]], они зафиксировали ряд типовых образцов, которые привели к воспламенения кабеля.

Когда ПВХ подвергается воздействию температуры 200 - 300 º С, образец является полупроводником. Не удивительно, что это может привести к утечке тока и искрению. Однако Нагата и Юкои [[13]] обнаружили, что, если абсолютно новый ПВХ нагревается до достаточно низкой температуры 160 º C, приложение напряжения 100 В через 1 мм толщины изолятора достаточно, чтобы вызвать воспламенение изоляции. Кроме того, если изоляция была ранее предварительно нагрета до 200 - 300 º C, тогда возгорание происходит при умеренных температурах. В течение исследования испытательного напряжения варьировалось –  от комнатной температуры до 40 º C – этого  было  достаточно для повления возгорания (рис. 3).

 

 

Рисунок 3. Влияние температуры предварительного нагрева и температуры испытания на воспламенение ПВХ изоляции проводов при воздействии переменного тока напряжением до 100 В через 1 мм толщины изоляции

 

Хагимото вместе с соавт. [[14]] провели лабораторные исследования параллельной дуги при неисправностях электрических шнуров. Они определили, что этот процесс обычно происходит в нерегулярно повторяющихся режимах работы. Исследователи выявили следующую последовательность шагов:

 

 начальный ток возникает из-за обугления слоя (повива кабеля)

 

 электрический ток увеличивается, что приводит к возникновению местной дуги

 

 искрение вызывает плавления металла ивысвобождению расплавленных частиц

 

 т.к. расплавленные частицы были высвобождены, ток начинает падать

 

 продолжительный ток через обугленные частицы материала, в конечном итоге, приводит опять к возникновению значительного электрического тока.

 

Этот процесс повторяется до бесконечности. Кроме того, авторы измерили ток в процессе, и обнаружили пики до 250 А, но такие пики были редки, а сигнал амперметра обычно показывал пики не более 50 А. Следовательно, длительное время может потребоваться для включения выключателя. (Обратите внимание, конечно, что фактические текущие значения будут зависеть от сопротивления конкретной схеме испытания).

 

Внешняя ионизация  воздуха

 

Внутренняя электрическая прочность воздуха высокая (около 3 МВ м-1, для всех, кроме очень маленьких зон), но пробой может произойти при гораздо более низких значениях, если воздушное пространство ионизацировать тем или иным способом. Если происходит серьезная неисправность с появлением  дуги в распределительном устройстве, выбрасывается большое количество ионизированных газов. Они могут перемещаться на определенном расстоянии, и если они соприкасаются с учасками новой цепи, они могут легко привести к поломке и образованию новых дуг в других местах [[15]]. Месина зарегистрировала в лабораторных условиях, что снижение пробивной силы воздуха происходит из-за наличия пламени [[16]]. Опыты показали, что электрическая прочность воздуха падает до приблизительно 0,11 МВ м-1 в огне. Однако, исследование Месины, охватывали условия только при напряжении 1600 В и выше.

Считается, что дугообразование, вызванное при появлением возгораний, является наиболее распространенной причиной  пожара, которые могут возникнуть в месте действия огне [[17]]. Оно может включать в себя либо обуглевание изоляции, либо внешнюю ионизацию воздуха, или оба условия сразу. Но в случае схем, напряжением 120 В, существуют лишь несколько ограниченных эмпирических исследований, по которым нет общих рекомендаций.

 

Короткое замыкание

 

Понятие короткого замыкания обычно применяется в ситуации, когда в цепи с низким сопротивлением появляется большой ток. В короткозамкнутых соединениях, нагревается не только локальное повреждение, нагрев распределеляется по всей длине цепи. Автоматический выключатель должен сработать раньше, прежде чем какой-либо воспламенится. [[18]] [[19]].

Дуга короткого замыкания – результате кратковременного контакта двух проводников. Это приводит к плавлению материала вокруг площади контактов. С помощью воздействия магнитных сил, проводники отводят друг от друга, и плазматичный мост (дуга) между ними,исчезает. При этом можно наблюдать искрение. После короткого замыкания, провода большого диаметра часто можно увидеть с насечкой на поверхности, а провода меньшего диаметра могут быть разорваны полностью, оба результаты на NFPA 921 [[20]].

Кроме того, редко воспламеняются дуги короткого замыкания в цепях, защищеных 20 А или менее выключателями или предохранителями. Например, Беланд [17], бронированные кабели и трубопроводы оставлял до выключателя открытыми. Они  производят минимальные механические искры, но это никогда не могло зажечь дерево, хотя в некоторых случаях изоляция должна была загореться. С другой стороны, Киносита и соавт. [[21]] успешно воспломеняли хлопковые марли при создании короткого замыкания проводов с диаметром 1,6 мм, а также с использованием многожильный проводников 1,25 мм2 многожильный проводников. В своих экспериментах они соблюдали для этого тепловой режим. При использовании 20 А выключателей или предохранителей, воспломенение не наблюдалось.

Некоторые экспериментальные работы показывают, что существуют режимы возникновения параллельной дуги, вызванные коротким замыканием, которые имеют высокую вероятность возгорания. Франклин [[22]] описывает, что огонь быстро перекидывался на одеяла и бумагу, когда шнуры питания были диагонально обрезаны. Пожары возникают из-за выброшеных расплавленных капель меди. Он смог создать до тридцати таких коротких замыканий шнуров питания, прежде чем автоматически сработал 20 А предохранитель. Нишида [[23]] обнаружил, что хлопок и бумагу (но не ПВХ) можно воспламенить, когда одна 0,18 мм жила соприкасается с жилой другой фазы  во многожильном кабеле. Но он пришел к выводу, что возгорание происходило из-за высокой температуры, а не из-за энергии дуги.

Разрезание электрической пилой  под напряжением электрического шнура может привести к воспламенению находящихся материалов, обладающих низкой тепловой инерцией. У UL есть тест "гильотина", который имитирует аварии распиловки [[24]]. При этом, марлевая ткань находится неподалеку, как средство воспломенения.

 

Чрезмерный омический нагрев

 

Можно выделить следующие причины чрезмерного омического нагрева:

 

(1) большая перегрузка

 

(2) чрезмерная теплоизоляции

 

(3) токи утечки и замыкания на землю

 

(4) перенапряжение

 

(5) слабая связь

 

Большая перегрузка

 

Легковоспламеняемой изоляция становиться при появлении больших перегрузок электрических кабелей. Тип самого малого шнура питания  в США 18 AWG, и он рассчитан на ток 10 А. Экспериментальные исследования появления возгораний при больших перегрузках показывают, что для воспломенения необходим ток в 3 - 7 раз больше номинального  [[25]] [[26]] [[27]]. Параллельные цепи, как правило, защищены 15 А или 20 А предохранителями, поэтому большая перегрузка должна быть рассмотрена, как редкая причина пожаров при замыкании электропроводки.

 

 

Чрезмерная теплоизоляция

 

Существуют более простые способы появления воспломенения при неповрежденном шнуре, который не был подвержен воздействию повышенных токов для проверки целостности изоляции. Лабораторными работамими было подтверждено, что возгорание происходит легко [[28]], а в некоторых случаях, хватает просто тройной обмотки кабеля тканью [[29]]. Особая форма электропроводки с использованием роликов и трубок, которая была распространена в США до Второй мировой войны, была наиболее подвержена опасности воспломенения. Этот тип проводки имеет два отдельных проводника, которые не объединены в один кабель, а отдельно нанизанны на широко расставленных форфоровые головки. Максимальный ток зависит от наличия беспрепятственного воздушного охлаждения провода, а возгорания возникали, в том случае, когда провода были скрыты в теплоизоляции [6].

 

Токи утечки и замыкания на землю

 

Токи утечки возникают, когда токи начинаю протекать через пути не предназначеные для прохождения токов. Замыкания на землю являются хорошо известными явлением [[30]] [[31]]. Они могут возникать при повреждении проводника, при искрение металлических контактов сайдинг  и т.д. Киношита вместе с соавт. [[32]] доказали, что достаточно иметь 5 А для  воспламенения 3-жильного кабеля с ПВХ изоляцией при контакте с оцинкованной железной крышей. Необычен способ возгорания от замыкания на землю, когда ток протекает через газопровод. Ток приводит к перегреву металла и в конечном итоге происходит пробой [[33]]. Не редкими являются случаи для местностей с холодным климатом, когда для того, чтобы растопить замороженный водопровод к нему присоединяют сварочный трансформатор и пропускании ток через него. Пожары в таких случаях являются следствием протекания очень больших токов [[34]]. Сандерсон [[35]] описал случай, когда в следствии таяния, возгорание происходило не в доме, в котором находился водопровод, а возгорание наблюдалось в соседних шести домах, которые были подключены к энергосистеме общего пользования.

 

Перенапряжение

 

Это редкий вид воспламенения при замыкании электропроводки. Материалы, используемые для проводов и проводки способны выдерживать нормальные волны перенапряжений, которые являются обычным явлением в  электрических сетях. Для того, чтобы произошло возгорание, необходимо, чтобы произошло одно из трех событий, таких как:

 

(А) удар молнии

 

(Б) случайная подача высокого напряжения на проводку более низкого напряжения

 

(С) незаземлённая нейтраль

 

Разряды молнии могут привести к массовым возгорания не только электропроводки, но и всех видов горючих материалов. Эта проблема вообще не изучалась для систем напряжением 120/240 В. Отдельные упоминания о возгораниях  встречаются в сетях более высокого напряжения, а не сетях 120/240 В. Это достаточно редкие случаи, так что они  систематически не изучены. Перенапряжения при незаземлённой нейтрали встречаются более редко, но опять же, не существует систематических исследований и этих явлений. Основная проблема изображена на рисунке 4. Основную нагрузку, такую как Rx, можно увидеть на приложенном напряжении в  120 В. Но если произойдёт обрыв нейтрали, то нагрузка будет представлена напряжением, которое модно изменять от 0 до 240 В; точное значение определяется при  нагрузках системы, R1 и R2. Появление воспламенения не удивительно при таких обстоятельствах.

Рисунок 4. Незаземлённая нейтраль

Источники

[1] . Rohr, K. D., The U.S. Home Product Report (Appliances and Equipment Involved in Fires), Fire Analysis & Research Div., National Fire Protection Assn., Quincy MA (2000).

 [2] . Fire in the United States 1985-1994, 9th ed., US Fire Administration, Emmitsburg MD (1997).

 [3] . Statistical Abstract of the United States 1999, Tables 2, 1212, and 1213, Government Printing Office (1999).

 [4] . Ault, K., Singh, H., and Smith, L., 1996 Residential Fire Loss Estimates, Consumer Product Safety Commission, Washington.

 [5] . Hall, J. R., Jr., Bukowski, R. W., and Gomberg, A., Analysis of Electrical Fire Investigations in Ten Cities (NBSIR 83-2803), [U.S.] Natl. Bur. Stand., Gaithersburg MD (1983).

 [6] . Smith, L. E., and McCoskrie, D., What Causes Wiring Fires in Residences, Fire J. 84, 19-24, 69 (Jan/Feb 1990).

 [7] . Olyphant, M. jr., Arc Resistance. I. Tracking Processes in Thermosetting Insulating Materials, ASTM Bull. No. 181, 60-67.  II. Effect of Testing Conditions on Tracking Properties of Thermosetting Insulating Materials, No. 185, 41-38 (1952).

 [8] . Test Method for High-Voltage, Low-Current Dry Arc Resistance of Solid Electrical Insulation (ASTM D 495), American Society for Testing and Materials, West Conshohocken PA.

 [9] . Electrical Arcing of Aged Aircraft Wire (Report N191-RPT4AU99), Report to NTSB under Order No. NTSB18-99-SP0127, Lectromechanical Design Co., Sterling VA (1999).

 [10] . Billings, M. J., Smith, A., and Wilkins, R., Tracking in Polymeric Insulation, IEEE Trans. Elec. Insul. IE-2, 131-137 (Dec. 1967).

 [11] . Noto, F., and Kawamura, K., Tracking and Ignition Phenomena of Polyvinyl Chloride Resin Under Wet Polluted Conditions, IEEE Trans. Elec. Insul. EI-13, 418-425 (1978).

 [12] . Method for Determining the Comparative and the Proof Tracking Indices of Solid Insulating Materials under Moist Conditions (IEC 60112), International Electrotechnical Commission, Geneva (1979).

 [13] . Nagata, M., and Yokoi, Y., Deterioration and Firing Properties of Polyvinyl Chloride Covering Cords at Elevated Temperatures, Bull. Japan Assn. of Fire Science and Engineering 33:2, 25-29 (1983).

 [14] . Hagimoto, Y., Watanabe, N., and Okamoto, Arcing Faults on PVC-covered Electrical Cords, pp. 221-224 in Proc. 1st Conf. of the Assn. of Korean-Japanese Safety Engineering Society, Kyongju, Korea (1999).

 [15] . Dunki-Jacobs, J. R., The Escalating Arcing Ground-Fault Phenomenon, IEEE Trans. Ind. Appl. IA-22, 1156-1161 (1986).

 [16] . Mesina, J. G., Determination of Electrical Clearances for Permissible Equipment Operating in Gassy Mines and Tunnels, IEEE Trans. Ind. Appl. IA-30, 1339-1350 (1994).

 [17] . Béland, B., Electrical Damages—Cause or Consequence? J. Forensic Sciences 29, 747-761 (1984).

 [18] . Zimmerer, C. W., and Neumer, F., Aluminum Building Wires and Connectors (Bull. of Research No. 48), Underwriters Laboratories Inc., Chicago (1954).

 [19] . Ettling, B. V., Ignitability of PVC Electrical Insulation by Arcing, IAAI-Oregon Chapter Newsletter, 6 (Mar. 1997).

 [20] . Guide for Fire and Explosion Investigations (NFPA 921), National Fire Protection Assn., Quincy, MA (2001).

 [21] . Kinoshita, K., Hagimoto, Y., and Watanabe, N., Investigation Reports and Igniting Experiments on the Electrical Causes of Many Fires Started after the Big Earthquake in Kobe Area in 1995, published in Urgent Study Reports on the Hanshin-Awaji Big Earthquake, Science and Technology Agency of Japan, Tokyo (1995).

 [22] . Franklin, F. F., Circuit Breakers: The Myth of Safety, Fire and Arson Investigator 41, 42-45 (June 1991).

 [23] . Nishida, Y., Ignition Hazard by Short Circuit between Element Wires of a Stranded Cord, Reports of the National Research Institute of Police Science 45:4, 57 (Nov. 1992).

 [24] . Wagner, R. V., Boden, P. J., Skuggevig, W., and Davidson, R. J., Technology for Detecting and Monitoring Conditions That Could Cause Electrical Wiring System Fires (UL Project NC233, 94ME78760), Underwriters Laboratories Inc., Northbrook IL (1995).

 [25] . Yamamoto, T., et al., A Test on Cables on Fire from Over Electric Current, Mitsubishi Cable Industries Review, No. 92, 41-47 (June 1997).

 [26] . Lawson, D. I., McGuire, J. H., Fires Due to Electric Cables (FR Note 55), Fire Research Station, Borehamwood, England (1953).

 [27] . Béland, B., Considerations on Arcing as a Fire Cause, Fire Technology 18, 188-202 (1982).

 [28] . Popular Extension Cord Reels Can Be Real Dangerous, Fire Findings 2:1, 13 (Winter 1994).

 [29] . Hagimoto, Y., Kinoshita, K., and Watanabe, N., Fire Hazard of a Coiled or Bundled Cord, Summary of 1994 Annual Meeting of JAFSE (1994).

 [30] . Béland, B., Fires of Electrical Origin, Fire and Arson Investigator 43, 35-41 (Dec. 1992).

 [31] . Béland, B., Ground Fault in Flexible Exhaust Duct, Fire and Arson Investigator 44, 44-45 (June 1994).

 [32] . Kinoshita, K., Hagiwara, T., and Kinbara, J., Ignitability of VVF Cable in Contact with Grounded Object, J. Japanese Assn. Fire Science & Engrg. 28, No. 3, 30-37 (1978).

 [33] . Goodson, M., Sneed, D., and Keller, M., Electrically Induced Fuel Gas Fires, Fire and Arson Investigator 49:4, 10-12 (1999).

 [34] . Béland, B., Some Fires of Electrical Origin, Fire and Arson Investigator 37:2, 37-38 (Dec. 1986).

 [35] . Sanderson, J. L., private communication (2000).