Вступ

           Пожежа - найрозповсюджена катастрофа на нашій планеті. Це неконтрольоване горіння, розвивається в часі і просторі. Пожежа характеризується: освітою відкритого вогню та іскор; підвищеною температурою повітря, предметів., токсичних продуктів горіння та диму; зниженою концентрацією кисню; пошкодженням будівель, споруд і установок; виникненням вибухів. Все це відноситься до небезпечних і шкідливих факторів, що впливають на людей.

           Статистика загибелі людей свідчить, що при пожежах гине 40 - 50 тис. чоловік. Кількість пожеж, а також кількість загиблих при пожежах в різних країнах відрізняється значною мірою. Наприклад, у США на кожну тисячу осіб припадає щорічно по 10 пожеж, у Японії - 0,5, у Китаї - 0,03, при цьому на кожні 1 млн. жителів в середньому в рік гине в США - 25 осіб, в Японії -- 19, а в Китаї - 2 [10].

            Напочатку поточного року в Донецькій області сталося 4075 пожеж, з яких 1991 сталися із-за необережного поводження з вогнем мешканців державного та приватного сектора. Крім того, із-за недотримання елементарних правил пожежної безпеки в побуті тільки за 8 місяців поточного року при пожежах загинуло 259 чоловік.

           Як повідомляє Центр пропаганди ГУ МНС України в Донецькій області, в порівнянні з минулим роком кількість пожеж зменшилася на тридцять дев'ять випадків. Збиток від пожеж склав понад 1,7 млн. гривень, врятовано матеріальних цінностей на суму понад 4 млн. 244 тис. гривень.

Рисунок 1 – Статистика пожеж з причин виходу з ладу АД (Анімація: обсяг - 42 кБ; розмір - 613 x 359 пікселів; кількість кадрів - 5; затримка між кадрами - 200 мс; кількість циклів повторень - 10 )

           Інтенсивне зростання споживання електроенергії у всіх галузях народного господарства вимагає постійної уваги до підвищення пожежобезпеки електроустановок.

           Аналіз протипожежного стану об'єктів різного призначення показує, що їх безпека багато в чому залежить від технічного стану електрообладнання та електроустановок в цілому. Недооцінка цього факту нерідко призводить до виникнення пожеж із значним матеріальним збитком.

           По статичним даними пожежі від електроустановок на промислових підприємствах в цілому по країні становлять приблизно 28% загальної кількості. В окремих випадках пожежі супроводжуються загибеллю або травматизмом людей [4].

           Якщо в технологічному процесі застосовують горючі речовини та існує можливість їх контакту з повітрям, то небезпека пожежі та вибуху може виникнути як всередині апаратури, так й поза нею, в приміщенні й на відкритих майданчиках. Так, велику небезпеку представляють апарати, ємності та резервуари з пальними рідинами, так як вони не бувають заповнені до межі, то в просторі над рівнем рідини утворюється вибухонебезпечна суміш. Небезпечні в пожежному відношенні малярські ділянки та цехи підприємств, де в якості розчинників використовують легкозаймисті рідини. Причиною вибуху або пожежі може послужити наявність в приміщенні пальної пилу та волокон.

           Відомо, що кожена пожежа, в основному, пов'язана із застосуванням електричної енергії. Пожежа в електроустановках відбувається при появі коротких замикань, відмові у спрацьовуванні засобів захисту або при ненормальних режимах роботи електроустановок. Тому прогнозування можливих пожеж при експлуатації електроборудованія та розробка організаційних та технічних заходів є актуальною проблемою.

           Аналіз пожеж, які сталися від пошкодження електрообладнання та відмови у спрацьовуванні відповідних засобів захисту, показав: на теплових електростанціях сталося 52%; на підстанціях - 43%; на гідроелектростанціях - 5% від загальної кількості пожеж, що відбулися з інших причин, не пов'язаних з електричним струмом . Кількість пожеж, що сталися по причині електричних машин, склало 16% [4].

Мета роботи

           Розробити методику вибору термінів профілактики наявності пального матеріалу (пилу) на корпусах асинхронних електродвигунів, що експлуатуються на технологічному об'єкті; визначити інтервал часу між діагностикою системи відключення захисного комутаційного апарата при випадкових обривах одного з фазні провалів, при яких забезпечується ГОСТ 12.1.004-91 рівень пожежної безпеки, тобто Q₀(8760) = 1*10-6.

Наукова новизна

           Наукова новизна магістерської роботи полягає в отриманні аналітичної залежності імовірності виникнення пожеж при експлуатації асинхроних електродвигунів від частоти появи обривів фазних провідників, тривалості існування такого режиму, частоти появи пального матеріалу на корпусах електродвигунів і термінів його оглядів, а також від надійності системи відключення захисного комутаційного апарату і термінів його діагностики.

Планований практичний результат

           Отримані дані в результаті дослідження дозволять вибрати інтервал часу між перевірками відключення захисного комутаційного апарата й терміну перевірки наявності пального матеріалу (пилу) на корпусах асинхронних електродвигунів, при якому імовірність пожеж при експлуатації на промислових підприємствах АД буде відповідати нормі ГОСТ 12.1.004-91. Це дозволить майже повністю виключити випадки виникнення пожеж при експлуатації електродвигунів.

Зміст роботи

           Використання імовірнісних методів для аналізу стану пожежобезпеки електроустановок є одним із найбільш поширених напрямків досліджень. Але застосування цих методів для оцінки безпеки технологічних об'єктів обмежено, тому що статистична інформація про деякі об'єкти дуже суперечлива.

           Розглянемо один із імовірнісних методів для оцінки пожежної безпеки АД, що експлуатуються на промислових підприємствах.

           Спочатку введемо основні поняття та визначення, що використовуються в моїй роботі.

           Під безпекою будемо розуміти властивості об'єкта не допускати ситуацій, небезпечних для людей й навколишнього середовища.

           Ризик - це міра небезпеки, яка вимірюється кількістю аварій в одиницю часу (інтенсивністю появи).

           Аварія на промисловому об'єкті - це техногенний подія, що супроводжується вибухом, пожежею або викидом в атмосферу небезпечних для людини та навколишнього середовища речовин.

           Безпека промислового об'єкта - це здатність засобів захисту й обслуговуючого їх персоналу не допускати ситуацій, що призводять до аварій.

           Вибухопожежонебезпечна ситуація - це поєднання в просторі та часі ряда незалежних випадкових подій, кожне з яких бере участь у формуванні вибуху (пожежі) [7].

           Існують нормативні документи, що регламентують імовірність пожежі на технологічних об'єктах. Імовірність виникнення пожеж в електротехнічному та іншому вироби не повинна перевищувати величини 1* 0-6 протягом року.

           Фахівці різних країн приймають інтенсивність появи аварій (катастроф) Н = 1 * 10-6 1/год як той рівень ризику, до якого слід прагнути на промислових підприємствах. Пояснюється це тим, що частота аварій (катастроф) на конкретному промисловому об'єкті рівна 1*10-6 настільки мала, що заради вигоди, що одержується від експлуатації об'єкта, суспільство (люди) здатно піти на такий ризик. Фізичний сенс цієї величини можна пояснити наступним чином. Якщо під наглядом протягом часу Т = 1 рік буде знаходитися N = 1000000 однотипних технологічних об'єктів, то статистично допускається одна аварія (катастрофа) n = 1 протягом року на одному з цих об'єктів, тобто

.

           Імовірність появи аварій (катастроф) протягом часу t може бути визначена наступним чином:

.

          У тому випадку, коли H*t < 0,1, то , при t = 1 год, .

          Статистичний аналіз даних про аварії, що відбулися за останні 5 років в різних галузях промисловості України та Росії, показав, що ступінь ризику виникнення аварій (катастроф) дорівнює 1/год, тобто на 3 порядка більше норміруємої величини.

          Опишемо фізичні причини ненормальних режимів роботи асинхронних двигунів, які зазвичай призводять до виникнення пожеж.

          В результаті перевантаження електричних машин, із-за засмічення вентиляційних каналів системи охолодження, а також при покритті теплоізолюючих шаром волокон, пуху та пилу внутрішньої порожнини машин, виникає їх перегрів. У цих випадках машина перегрівається рівномірно. Відомі випадки, коли в електродвигуна перегріваються тільки обмотки статора або ротора.

          Рівномірний перегрів всієї обмотки статора відбувається, якщо електродвигун перевантажений або порушений режим його охолодження, обмотка статора сполучена «трикутником», напруга на затиску двигуна нижче нормального, внаслідок чого в двигуні при нормальній потужності виникають струми перевантаження.

          Перегрів обмотки ротора (якоря) виникає при перевантаженні двигуна та порушенні режиму його охолодження, в результаті поганого контакту в пайка будь-яких частин обмотки та при слабкому контакті.

          Перегрів електричних машин може бути викликан їх роботою на двох фазах, що є найбільш поширеною причиною виходу з ладу трифазних асинхронних двигунів. Втрата однієї фази можлива з-за обриву провідників, порушенні щільності контактів, пошкодженні апаратів (поломки, порушенні регулювання, подгорані контактів у магнітному пускатели), але найчастіше внаслідок перегорання однієї з плавких вставок у запобіжнику.

          Поширеною причиною виникнення пожеж є пробій ізоляції обмоток на корпусі електричних машин. У процесі експлуатації електричних машин виробничий пил, потрапляючи на обмотку, може утворювати проводячі містки, які викликають перекриття або пробій ізоляції на корпусі. Тривалий перегрів електричних машин або робота в умовах підвищення температури навколишнього середовища робить ізоляцію обмоток тендітною та гігроскопічною, що також може призвести до короткого замикання (КЗ) та пробію на корпусі машини.

          Великі перехідні опори у електричних машинах найбільш часто виникають у розподільних коробках та місцях з'єднання подводящіх проводів із вивідними кінцями статорной обмотки (у асинхронних двигунів). Багато асинхронних електродвигунів не мають затисків на корпусі для з'єднання проводів. Тому дроти з'єднуються з кінцями статорной обмотки скрутки, або за допомогою болтів.

          При експлуатації електричних машин під дією вібрації, різких коливань і поштовхів щільність контактів порушується. У місцях з'єднання проводів утворюються великі перехідні опори, які можуть призвести до займання ізоляції та пожежі.

          Перехідні опори електродвигунів нерідко викликають сильний нагрів затисків у вводній коробці. При тривалому нагріві ізоляційний матеріал перегорає, внаслідок чого при зміщенні затисків відбуваються КЗ, які також можуть бути причиною пожежі та спалаху.

          Особливу пожежну небезпеку представляють іскріння щіток та перегорання контактних кілець у електричних машинах, бо іскри можуть викликати спалах горючих матеріалів. Іскріння щіток та перегорання контактних кілець відбуваються по наступним причинам: встановленні щітки інших марок в порівнянні з зазначеними в паспорті; щітки погано притерті або слабо притиснуті до контактних кілець; щітки не можуть вільно рухатися в обоймі щеткодержателя, що погіршує контакт між контактними кільцями та щітками; контактні кільця мають нерівну поверхню, тому вібрують; контактні кільця та щітки забруднені або замаслени.

          У машинах постійного струму при неправильному виборі й розташуванні щіток, при великих навантаженнях відбувається посилення іскріння. Повітря в зоні колектора іонізуєтьсяї, що за певних умов веде до появи полум'я кругової форми.

          Причиною пожежі може бути також перегрів підшипників електричних машин із-за недостатньої їх змащенні, перекосів валу й т.п. Найчастіше це спостерігається при використанні в машинах підшипників ковзання. Перегрів підшипників може настільки збільшити сили тертя, що ротор електричної машини зупиниться. При цьому електрична енергія в обмотка машин повністю перетворюється в теплову енергію, яка може стати джерелом спалаху ізоляції та інших горючих матеріалів [2].

          Перегрів обмоток електричних машин може викликати спалах ізоляції проводів, що нерідко призводить до пожежі в тих випадках, коли на корпусах цих машин є відкладення пожежонебезпечного пилу, а засоби захисту при цьому знаходяться в неробочому стані, або не реагують на даний режим роботи.

          Найбільш часто перегрів обмоток АД виникає при загальмованом роторі, обриві фази статора, відхиленні напруги мережі від норміруємих значень, несімметрії напруги [6].

          Одним із поширених режимів, що викликає перевантаження АД, є несімметрія первинної напруги. Значення коефіцієнта несімметріі при обриві лінійного проводу на стороні постачальної напруги, як в місці обриву - 28,7%, так і в довколишніх вузлах - 15 - 28,3%, значно перевищують значення, встановлені ГОСТ 13109-97 [4]. Несімметрія живильної напруги призводить до появи струмів зворотній послідовності, які накладаються на струми прямої послідовності і викликають додатковий підігрів ротора й статора, що призводить до швидкого старіння ізоляції [1].

          Струми в фазах первинної та вторинної обмоток при відхиленні симетрії постачальної напруги розподілені нерівномірно і, при глибокій несімметріі, можуть зрости в 2 і більше разів. Зростання струмів призводить до перегріву обмоток АД. Найбільш нагрітим вузлом АД є лобова частина обмотки статора, й її температура збільшується з ростом несімметріі [2]. У табл.1 наведено розподіл температур лобової частини обмотки статора при різних значеннях коефіцієнта несімметріі K_2U.

          ТТаблиця 1 - Розподіл перевищення температур лобової частини обмотки статора при різних рівнях несімметріі постачальної напруги

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

          Зростання температур обмоток істотно впливає на термін служби ізоляційних матеріалів. При роботі АД в номінальному режимі термін служби ізоляційного матеріалу складає в середньому 10 років. Використовуючи дані табл.1, був зроблений розрахунок термінів служби АД при різних значеннях несімметріі постачальної напруги [3]. При рівні несімметріі K_2U = 4% термін служби ізоляційного матеріалу знижується в 1,7 рази в порівнянні з номінальним, а при K_2U = 10% - більш ніж у 15 разів. При роботі двигуна з K_2U = 20% залишковий термін служби ізоляції склав 3,2 години.

         З вищевикладеного випливає, що поява на виході АД несімметріі напруги 20% та відмова в спрацьовуванні засобів релейного захисту, приблизно через 3,2 години призведе до пробію ізоляції обмоток. Такий режим буде існувати до того часу, поки не обуглітся обмотка статора й станеться перегорання підшипників, при цьому температура корпусу двигуна зросте до температури, при якій можливий спалах пального пилу, що призведе до виникнення пожежі в приміщенні [2].

          Отже, пожежа при експлуатації АД може статися при збігу в просторі й часі наступних випадкових подій: неприпустимому перегріві корпуса двигуна (наприклад, при обриві однієї з фаз АД); відмові у спрацьовуванні відповідних засобів захисту; наявністі пального матеріалу на корпусах розглянутих АД [ 1].

Матеріали та результати дослідження

          Імовірність пожеж Q(t) від експлуатації в цеху АД протягом часу t дорівнює імовірності P₈(t) випадкового знаходження всіх незалежних елементів системи «захист - АД - горючий матеріал» в небезпечному стані, тобто в досліджуваній системі спостерігається в момент часу t: обрив однієї з фаз АД; відмові в спрацьовуванні відповідних засобів захисту; наявністі пального матеріалу на корпусі двигуна. Імовірність P₈(t) можна знайти, користуючись системою лінійних диференційних рівнянь [7].

          Дана система рівнянь вирішується при початкових умовах:

          Рішення системи лінійних диференційних рівнянь будемо шукати у вигляді:

где Р(0) = (1,0,…,0) – ввектор, що містить початкові умови;

.

,          ,

,          ,

,          ,

,

         Де      - середній інтервал часу між появами обриву фази АД та середня тривалість існування даного режиму роботи;   

   - середній інтервал часу між відмовами засобів захисту (релейний захист) і середня тривалість перебування їх у відмовившому стані;

   - середній інтервал часу між появами пального матеріалу на корпусах АД і середня тривалість перебування пального матеріалу (пилу) на корпусах АД.

          Середній час до першої пожежі    знаходимо з системи рівнянь:

.

          У тих випадках, коли ,      тоді з наведеної вище системи знаходимо    - середній час до першої пожежі, якщо в початковий момент часу всі елементи системи перебували в безпечному стані.

.

          У практичних випадках майже завжди дотримуються наступних співвідношеннь: d₂ >> d₁ и d₃ >> d₁, тоді формулу для знаходження    можна представити у вигляді:

.

          Якщо відомий інтервал часу    між перевірками наявності пального пилу на корпусах АД, що експлуатуються в цеху, й інтервал часу    мміж перевірками працездатності системи відключення захисних комутаційних апаратів, тоді    та    можна знайти з наступної формули:

.

         При виконанні умов  ,    з наведеної вище формули знаходимо:

,

.

         Підставляючи формули    и    в формулу знаходимо:

,

          Дісперсія часу до першої пожежі визначається з наведеної вище системи рівнянь, записаних у матричному вигляді. У тому випадку, якщо , імовірність пожежі в цеху від експлуатації АД можна визначити наступним чином:

.

          Приклад 1. При спостереженні протягом Т = 8760 год за електроустановою одного з пожежонебезпечних цехів були отримані наступні вихідні дані:

           ч. – середній інтервал часу між появами обриву фази в розглянутій мережі АД;

         d₁ = 5,6*10^-5 ч. – середній час спрацьовування захисту при обриві фази АД;

         d₂ = 15400 ч. – середній інтервал часу між відмовами системи автоматичного відключення захисного комутаційного апарату;

          ч. – інтервал часу між перевірками системи відключення захисного комутаційного апарату;

          ч. – середній інтервал часу між появами пожежонебезпечного пилу на корпусах АД;

          ч. – інтервал часу між перевірками наявності пального матеріалу на корпусах АД.

          Визначити імовірність пожеж протягом t=8760 ч. при експлуатації в цеху АД та порівняти отриманий результат із норміруємою ГОСТ 12.1.004-91 величиною Q₀(8760)=1*10^-6.

          Рішення. Використовуючи вихідні дані прикладу, знаходимо   та  .

,      ,    

,

,

,

.

          Підставляємо отримані дані до системи рівнянь для знаходження середнього часу до першого пожежі     та дисперсію часу д , визначимо середній час до першої пожежі  та дисперсію часу . Отримали, що . Тоді імовірність пожежі в цеху від експлуатації АД визначаємо за наближеною формулою:

          Використовуючи систему лінійних диференційних рівнянь, за допомогою ЕОМ знаходимо P₈(8760) = Q(8760) = 4,42*10^-4. Порівняння отриманого результату з норміруємою величиною Q₀(8760)=1*10^-6 показало, що в даному випадку пожежна цеху при експлуатації не забезпечується.

          Приклад 2. Використовуючи вихідні дані прикладу 1, визначити, через який час    необхідно перевіряти наявність пального матеріалу (пилу) на корпусах АД, щоб імовірність пожеж від їх експлуатації була на рівні ГОСТ 12.1.004-91, тобто Q₀(8760)=1*10^-6.

          Використовуючи систему лінійних диференційних рівнянь і формулу

          Отже, якщо перевіряти наявність пального матеріалу (пилу) на корпусах АД через кожні 7 годин, то норміруємий рівень пожежобезпеки при експлуатації АД буде забезпечений [1].

Висновок

          У результаті досліджень в даній роботі була розроблена математична модель та запропонована методика, що дозволяють прогнозувати імовірність появи можливих пожеж від експлуатації асинхронних електродвигунів, розробляти організаційні та технічні заходи, що дозволяють забезпечувати норміруємий ГОСТ 12.1.004-91 рівень пожежної безпеки. Для цього була використана програма обліку, аналізу та обробки експериментальних даних, розроблена на кафедрі "Електропостачання підприємств і міст".

          Примітка: на даний час магістерська робота на тему: "Оцінка пожежобезпеки асинхронних електродвигунів, що експлуатуються на промислових підприємствах" знаходиться в стадії розробки. Детальну інформацію можна отримати у автора.
          Email : julichka-87@mail.ru