Государственной программой обеспечения пожарной безопасности, утвержденной постановлением Кабинета Министров Украины от 3.04.95 № 238, предусмотрено проведение исследований в области разработки математических моделей и методов по определению и прогнозированию вероятности возникновения пожаров, эффективных способов их предупреждения и ликвидации последствий.

Действующие нормативные документы, в частности ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность», ПУЭ, ведомственные нормы и правила не всегда позволяют объективно оценить опасность возгорания в электрических сетях жилых и общественных зданий. Электротехнические изделия (кабели, шнуры, провода и др.) принадлежат к наиболее пожароопасным видам продукции, поскольку в их конструкции используются горючие электроизоляционные материалы. При повреждении таких изделий, находящихся под напряжением могут возникать источники инициирования пожаров (искры, электрические дуги, разбрызгивание расплавленных металлических частиц).

По данным УГПО УМВД Украины в Донецкой области за период с 1986 - 1995 гг. от тепловых проявлений электрического тока (короткие замыкания, ослабленные и опасно нагретые контактные соединения, перегрузки) произошло 12517 пожаров, из них от повреждения кабельных сетей и проводов - 6459. Только за 1999 - 2000 гг. в жилом секторе произошло 8413 пожаров, погибло в огне 584 человека, убытки составили 6418,3 тыс. грн.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что разработка новых, более точных по сравнению с существующими методов оценки и прогнозирования пожарной опасности систем электроснабжения 380/220 В является важной научной задачей и служит экономике Украины.

Следует отметить, что в работе не рассматриваются процессы горения и тушения при возгорании изоляции в электрических сетях 380/220 В, круг вопросов ограничивается оценкой и прогнозированием событий, которые могут привести к пожарам в помещениях. Главная же задача, решаемая в работе - не допустить случаи экзогенных возгораний электрической проводки и электрооборудования.

Прогнозирование опасности возгорания изоляции в сетях 380/220 В с глухозаземленной нейтралью.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования.

Провести анализ существующих методов оценки пожарной безопасности электрических проводок;

Провести анализ причин, по которым происходят пожары в сетях 380/220 В с глухозаземленной нейтралью;

Разработать математическую модель, объясняющую влияние устройства защитного отключения на пожарную безопасность сети;

Привести примеры расчетов пожарной безопасности сети 380/220 В и исследовать факторы, влияющие на вероятность возгорания в сетях квартир.

Результаты магистерской работы докладывались на научной конференции студентов Электротехнического факультета специальности "Электротехнические системы электропотребления" (День науки, 2005 г.), на Всеукраинской студенческой научно - технической конференции (Севастополь, 2005 г.). Также результаты будут докладываться на XII Международной научно - технической конференции "Машиностроение и техносфера XXI века" (Севастополь, 2005 г.).

Посвящен анализу существующих методов оценки пожарной безопасности электрических проводок. Использование логико-вероятностных методов для оценки пожарной безопасности систем электроснабжения квартир, предложенных в существующих методиках ВНИИПО МВД России, дает сугубо качественный анализ пожарной безопасности сети. Эти методы не позволяют учитывать влияние интервала времени между профилактическими осмотрами средств защиты на пожарную безопасность, а также не позволяют определять следующие характеристики безопасности сети: среднее время до первого пожара; дисперсию этого времени; вероятность нахождения системы в каждом из возможных состояний. Рассмотрена возможность использования метода ERIC, разработанного во Франции, который используется при оценке пожарной опасности судов и основан на экспертных оценках. Методы, основанные на индексации опасностей, позволяют рассчитывать условный уровень взрывопожаробезопасности ситуации и ими целесообразно пользоваться в случаях, когда требуется классификация объектов по степени опасности [1]. Исследованы все возможные случаи, при которых целесообразно использовать для оценки пожарной безопасности электрических проводок напряжением 380/220 В формулу дублирования с включением резервного элемента замещением при абсолютно надежном переключателе.

Показано, что разработка математических моделей с использованием цепей Маркова с конечным числом состояний и непрерывным временем позволяет точнее, чем существующие методы прогнозировать вероятность возникновения возгорания при эксплуатации электрических проводок.

Посвящен анализу причин, по которым происходят пожары в сетях 380/220 В с глухозаземленной нейтралью и произведена оценка статистического уровня пожарной безопасности электрических проводок. Анализ отечественных и зарубежных источников информации показал, что аварийные режимы в электроустановках и сетях, в частности, короткие замыкания, перегрузки, ослабленные искрящие или опасно нагретые контакты в силовой цепи нередко сопровождаются пожарами [2]. Ежегодный ущерб в США из-за аварий в электроустановках составляет 100 млн. долл., при этом гибнет более 1000 чел. По свидетельству французских специалистов во всех развитых странах, в том числе и во Франции, 20 - 25 % пожаров возникает из-за плохого качества и неквалифицированной эксплуатации электротехнических устройств [3]. При этом во многих случаях причиной пожаров в электропроводках являются короткие замыкания в проводах вследствие нарушения электрической прочности изоляции. В России ежегодно происходит около 330 тыс. пожаров, из них более 20% обусловлены повреждениями в электрических сетях и электрооборудовании. На Украине за период с 1997 г. по 2000 г. произошло 182153 пожара, из них 139612 в объектах жилого сектора. В жилом секторе в 2000 г. погибло 2247 чел.

В сетях жилых зданий напряжением 380/220 В за период 1999 - 2000 гг. в Донецкой области от коротких замыканий и ослабленных контактных соединений силовой цепи произошло 1500 пожаров[4].

Анимированная диаграмма (повтор 10 раз).

С 1986 года по 1995 год число пожаров от коротких замыканий в квартирах возросло с 520 до 803, то есть на 59,6%. Это позволяет предположить, что эти пожары вызваны отказами в результате износа кабельных сетей и проводов, а не внезапными случайными отказами в результате их механического повреждения.
Динамика пожаров по Донецкой области показана анимацией.

Анализ интервалов времени между пожарами от экзогенных источников по Донецкой области (10 лет наблюдения) показал, что эти интервалы времени не противоречат экспоненциальной функции распределения вероятностей по критерию согласия Бартлетта. Для определения зависимости числа пожаров от года наблюдения было получено уравнение регрессии[5]:

(1)

Коэффициент корреляции r = 95,52%, что соответствует уровню значимости 0,999. В формуле (1) при x = 1 значение y соответствует числу пожаров, произошедших в 1986 г.

Под пожароопасным узлом будем понимать систему электроснабжения помещения вместе с его потребителями, начиная со щита, где крепится защитный коммутационный аппарат и счетчик электроэнергии, т.е. рассматривается вся сеть, которая защищается от экзогенных источников первой ступенью защитного коммутационного аппарата (автоматический выключатель, предохранитель).

Интенсивность пожаров для пожароопасного узла не должна превышать величины Н = 1*10^-6 год^-1.

Статистическая оценка возникновения пожара в квартире от экзогенного источника (данные по Донецкой области за 1986 - 1995 гг.) приведена в таблице 1.

Таблица 1. Интенсивности пожаров от воздействия на элементы сети экзогенного источника и их доверительные интервалы.

Экзогенный источник, действующий на элемент сети	Число пожаров, ni	Интенсивность пожаров, Hi*10-6, 1/год	Доверительный интервал с доверительной вероятностью a = 0,95, Hi*10-6, 1/год
1	2	3	4
Кабельная сеть и проводка	6459	359	[136,4; 581,2]
Бытовой холодильник	172	9,6	[ 3,6; 15,5 ]
Щит со счетчиком	570	31,7	[ 12,0; 51,3 ]
Выключатели, вилки, розетки	232	12,9	[ 4,9; 20,9 ]
Магнитофоны и радиоприемники	209	11,6	[ 4,4; 18,8 ]
Телевизоры	2156	120	[ 45,5; 194,0]
Электросветильники	283	15,7	[ 6,0; 25,5]
Электроутюги	374	20,8	[ 7,9; 33,7]
Стиральные машины	36	2,0	[ 0,8; 3,2 ]
Электрические звонки	204	11,3	[ 4,3; 18,4 ]
Электрические плиты	720	40	[ 15,8; 64,8 ]
Итого	11415	634,6	[ 241; 1027 ]

Анализ данных таблицы показал, что уровень пожарной безопасности квартиры ниже нормируемого в 635 раз.

Разработана методика учета, оценки и обработки экспериментальных данных. Используя разработанную методику, были определены математические ожидания интервалов времени между пожарами, стандарт этого времени, функции распределения F(t) и параметры доверительных интервалов с доверительной вероятностью a = 0,95. Получены функции распределения вероятностей, которые в дальнейшем использовались для прогнозирования пожарной безопасности от различных причин: 01 - нарушение правил монтажа электроустановок и электросетей; 02 - нарушение правил технической эксплуатации электроустановок; 03 - нарушение правил техники безопасности при эксплуатации электробытовых приборов; 04 - недостаток конструкции и изготовления электроустановок отдельно за 1999 и 2000 гг.

Показано, что число экзогенных пожаров в жилом секторе Донецкой области возросло в 2000 г. на 73,8% по сравнению с 1999 г.

Посвящен разработке математической модели, которая позволяет выяснить влияние устройства защитного отключения (УЗО) на пожарную безопасность сети электроснабжения зданий [6]. Согласно этой модели вероятность нахождения системы в каждом из возможных состояний в течение времени t определяется из следующей системы уравнений[7]:

(2)

где , ;

, ;

, ;

, - средний интервал времени между появлениями КЗ в рассматриваемой сети и длительность существования КЗ (время срабатывания защиты) соответственно;

, - средний интервал времени между отказами защитного коммутационного аппарата и средняя длительность нахождения его в необнаруженном отказавшем состоянии соответственно;

, - средний интервал времени между отказами УЗО и длительность нахождения его в необнаруженном отказавшем состоянии.

Система уравнений (2) должна быть решена при начальных условиях: , , которые вытекают из сделанных предположений о том, что в начальный момент времени средства защиты (максимальная токовая защита и УЗО) находятся в исправном состоянии, в сети, питающей потребителей квартиры, короткого замыкания не наблюдается.

Решение системы линейных дифференциальных уравнений находится численными методами.

Пожар в системе происходит в момент попадания ее в поглощающее состояние.

(3)

Вероятность находится из системы (2).

Для сети, снабженной УЗО, получены системы линейных алгебраических уравнений, из которых определяется среднее время до первого пожара и дисперсия этого времени. Для случая, когда , , ,
( - интервал времени между проверками УЗО) среднее время до первого пожара определяется по формуле:

(4)

В том случае, когда , вероятность пожаров находится по формуле:

(5)

Среднее значение показателя экономической эффективности системы в единицу времени для установившегося режима определяется следующим образом[8]:

(6)

где Р_i – вероятность нахождения системы в каждом из возможных состояний при , находится из системы уравнений (2), учитывая, что .

Посвящен примерам расчетов пожарной безопасности сети 380/220 В и исследованию факторов, влияющих на вероятность возгорания в сетях квартир.

В разделе показано, что если в сети электроснабжения квартиры напряжением 220 В интенсивность появления токов короткого замыкания будет ч^-1, среднее время срабатывания защитного коммутационного аппарата ч, интенсивность отказов защитного коммутационного аппарата ч^-1, то в случае, когда система отключения защитного коммутационного аппарата не контролируется в процессе эксплуатации (), вероятность возгорания в электрической сети будет равна .

В том случае, если система отключения защитного коммутационного аппарата проверяется один раз в год ч, то вероятность возгорания в сети в течение года снизится в 14 раз.

Если система помимо необслуживаемого защитного коммутационного аппарата ( ) снабжена и УЗО, интенсивность отказов которого ч^-1; в процессе эксплуатации работоспособность УЗО не контролируется ( ), то вероятность возгорания в сети в течение года уменьшится в 31 раз. Если система защитного коммутационного аппарата проверяется один раз в год ч, а УЗО в процессе эксплуатации не oбслуживается, то вероятность возгорания в сети в течение года снизится в 89 раз.

Для случая, когда система электроснабжения квартиры оборудована двумя защитными устройствами: защитным коммутационным аппаратом и УЗО, сроки профилактики этих устройств ч, то вероятность возгорания в сети в течение года снизится по сравнению с базовым вариантом в 297 раз.

1. Анализ экзогенных пожаров за период 1986 – 1995 гг. от токов короткого замыкания позволил определить вид зависимости числа экзогенных пожаров от года наблюдения, определены коэффициенты уравнения регрессии а = 485,5, b = 0,0498. При этом коэффициент корреляции r = 95,52%, что соответствует уровню значимости 0,999. Прогноз числа пожаров от токов короткого замыкания по Донецкой области на 2005 г. показал, что число пожаров будет составлять 1315, что в 2,53 раза больше, чем в 1986 г.

2. Используя статистические данные о пожарах от различного вида электроустановок квартир по Донецкой области за 2000 г., был определен статистический уровень их пожарной безопасности Н = 6,35*10^-4 1/год и получен доверительный интервал j_0,95 = [2,41*10^-4; 10,27*10^-4].

3. Установлено, что если в системе электроснабжения квартиры для повышения пожарной безопасности сети использовать защитное отключение, то интенсивность возгораний в сети уменьшится в 297 раз.

4. Установлена степень влияния профилактических осмотров системы отключения защитного коммутационного аппарата (автоматический выключатель) и УЗО на пожарную безопасность сети.

1. Котов А. Оцінка рівня вибухопожежної небезпеки технологічних установок і об’єктів різного призначення з використанням розрахунку ризику. Пожежна безпека, №12, 1998. – с. 39-40.

2. Иванов Е. Электрооборудование как источник пожара. Новости электротехники, №6, 2001.

3. Волошаненко О., Кравченко Р. Електротехнічні вироби – причина пожежі. Пожежна безпека, №1, 1999. – с. 26-27.

4. Васин А.А., Ковалев А.П., Шевченко О.А., Чурсинова А.А., Нагорный М.А. О прогнозировании экзогенных пожаров по Донецкой области. Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: "электротехника и энергетика", выпуск 4: Донецк: ДонГТУ, 1999. - с. 214-216.

5. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализы и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. – 288 с.

6. Патент № 2172050 Россия. Устройство для защитного отключения электрических сетей / Васин А.А., Нагорный М.А., Белоусенко И.В., Ершов М.С., Дубровский Д.И., Кавицкий С.И., Ковалев А.П., Муха В.П., Шевченко О.А. Приоритет от 21.01.2000 г. Опубл. 10.08.2001, Бюл. № 22. – 8 с.

7. Шевченко О.А. О влиянии устройства защитного отключения на пожарную безопасность сети 380 - 220 В в жилых квартирах. Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія: "електротехніка і енергетика", выпуск 50.- Донецк: ДонНТУ, 2002. - с. 141-143.

8. Ковалев А.П., Шевченко О.А. Оценка экономической эффективности работы средств защиты, обеспечивающих пожарную безопасность электрических проводок. Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія: "електротехніка і енергетика", выпуск 50.- Донецк: ДонНТУ, 2002. - с. 144-146.