Факультет:   электротехнический

  Специальность:  электротехнические системы электропотребления

  Тема магистерской работы:   «Оценка пожаробезопасности жилых помещений»

Актуальность работы

В 2008 году в Донецкой области возникло 5572 пожаров (2007г. - 5866, -5,0%), с прямым убытком 50 млн. 652 тыс. грн (2007г. - 39 млн.068 тыс. грн., +29,7%), побочные убытки составили 104 млн.810 тыс. грн. (2007г. - 106 млн. 298 тыс. грн., -1,4 %), в огне погибло 573 человека (2007 г. - 572-0,2%), в т.ч. 5 детей (2007г. - 29, -82,8%). На пожарах в прошлом году было травмировано 185 людей (2007г. - 219, -15,5%), в т.ч. 13 детей (2007 г. - 23, - 43,5%). Более 20% пожаров в Донецкой области происходит по вине электрических источников.

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,что приводит к разбрызгиванию расплавленных металлических частиц).

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 технической задачей и служит экономике Украины.

Работа посвящена вопросу предотвращения возгорания в электрических сетях, а также оценке и прогнозированию событий, которые могут привести к пожарам в помещениях.

Цель и задачи работы

Обоснование способов и средств обеспечения пожарной безопасности жилых помещений.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Выявить причины, по которым происходят пожары в сетях 380/220 В.

2. Провести обзор существующих методов оценки пожарной безопасности электрических проводок.

3. Разработать математическую модель, объясняющую процесс возникновения пожаров в жилых помещениях.

4. Привести примеры расчетов пожарной безопасности сети 380/220 В и исследовать основные факторы, которые влияют на вероятность возгорания в сетях квартир в течении года.

Апробация работы

Результаты магистерской работы докладывались на научной конференции студентов Электротехнического факультета специальности «Электротехнические системы электропотребления» (День науки, 2009 г.).

Первый раздел

Посвящен анализу причин, по которым происходят пожары в сетях 380/220 В 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 [1]. При этом во многих случаях причиной пожаров в электропроводках являются короткие замыкания в проводах вследствие нарушения электрической прочности изоляции, а также плохого качества и неквалифицированной эксплуатации электротехнических устройств [2].

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 [3].

За последние 10 лет в Донецкой области произошло 50 226 пожаров, из них в 41 330 - в жилом секторе. Пожарами нанесен прямой убыток на сумму 153,472 млн. грн. На пожарах погибло 4 926 людей, в т.ч. 151 ребенок, на предприятиях и в организациях - 128 людей.

Анализом причин пожаров за период 2004 - 2008 гг. установлено, что позитивная тенденция наметилась относительно нарушения правил устройства и эксплуатации электроустановок (-2,5%) . Значительный рост пожаров из-за нарушения правил устройства и эксплуатации электроустановок произошел в городах: Артемовске (+32,1%) , Дружковке (+26,7%), Харцызске (+31,8%), Шахтерске (+32,4%) и Амвросиевском (+45,5%), Марьинском (+12,5%) районах.

Рисунок 1 - Динамика пожаров от электрооборудования по Донецкой области

Из 1 461 пожаров, которые возникли из-за нарушения правил устройства и эксплуатации электроустановок, 808 произошло в частных жилых домах, что на 514 случаев больше, чем в государственном и ведомственном (294). Показатель от общего количества пожаров составил 18,8%.

Рисунок 2 - Динамика пожаров от электрооборудования по Донецкой области
(анимация: объем - 31,4 КБ; размер - 620х340; задержка между кадрами - 100 мс; задержка между первым и
последним кадрами - 200 мс; количество циклов повторений - 7)

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 [4]:

(1)

Коэффициент корреляции r = 95,52%, что соответствует уровню значимости 0,999. В формуле (1) при x = 1 значение y=510 соответствует числу пожаров, произошедших в 1986г. В 2008г. при x = 23 число пожаров y=1 527, а в 2009г. предполагается 1 605 пожаров.

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 [5].

Второй раздел

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 [6]. 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.

Третий раздел

Посвящен разработке математической модели, которая позволяет выяснить влияние устройства защитного отключения (УЗО) на пожарную безопасность сети электроснабжения зданий [7]. Согласно этой модели вероятность нахождения системы в каждом из возможных состояний в течение времени t определяется из следующей системы уравнений [8]:

	(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 .

Четвертый раздел

Приведен пример 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.

Заключение

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 2008 год показал, что число пожаров составляет 1 527, а в 2009 году будет составлять 1 605.

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.

Литература

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

2. Котов А. Оцінка рівня вибухопожежної небезпеки технологічних установок і об'єктів різного призначення з використанням розрахунку ризику. Пожежна безпека - №12 - 1998. - С. 39 - 40.

3. Иванов Е. Электрооборудование как источник пожара. Новости электротехники - №6 - 2001./ - Режим доступа к статье: http://www.news.elteh.ru/arh/2001/12/18.php

4. Волошаненко О. Електротехнічні вироби - причина пожежі. Пожежна безпека / О. Волошаненко, Р. Кравченко - №1 - 1999. - С. 26-27.

5. Васин А.А. О прогнозировании экзогенных пожаров по Донецкой области. Сборник научных трудов ДонГТУ / Васин А.А., Ковалев А.П., Шевченко О.А., Чурсинова А.А., Нагорный М.А. Серия: «электротехника и энергетика» - № 4: Донецк: ДонГТУ, 1999. - С. 214-216. Режим доступа к статье: http://masters.donntu.ru/2005/eltf/timofeev/library/library/article1.htm

6. ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность»./ - Режим доступа к статье: http://www.gostbaza.ru/Index/3/3254.htm

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

8. Шевченко О.А. О влиянии устройства защитного отключения на пожарную безопасность сети 380 - 220 В в жилых квартирах. - Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия: «электротехника и энергетика», выпуск 50. - Донецк: ДонНТУ, 2002. - С. 141-143./ - Режим доступа к статье: http://masters.donntu.ru/2005/eltf/timofeev/library/library/article4.htm

9. Ковалев А.П. Оценка экономической эффективности работы средств защиты, обеспечивающих пожарную безопасность электрических проводок./ А.П. Ковалев, О.А. Шевченко - Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия: «электротехника и энергетика», выпуск 50. - Донецк: ДонНТУ, 2002. - С. 144-146./ - Режим доступа к статье: ../library/article1.htm

10. Кашолкин Б.И. Тушение пожаров в электроустановках./ Б.И.Кашолкин, Е.А. Мешалкин - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с.

Примечание: На момент написания данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или руководителя работы после указанной даты.

В начало