Автор: Евгений Иванов,
сопредседатель проблемного комитета «Электробезопасность»
Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, д. т.
н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности СПГЭТУ «ЛЭТИ»
Источник: «Новости электротехники» № 6 (12), 2001
Электрооборудование как источник
пожара
В одном из своих аналитических обзоров государственный инспектор по пожарному надзору А. Шелудько отмечал: «Наша страна занимает первое место в мире по количеству пожаров и числу погибших в них. По тяжести пожаров — число погибших на 100 тысяч жителей и число погибших на 1000 пожаров — мы превосходим ФРГ в 22 раза, США — в 33 раза, Англию — в 38 раз». Профессор из ВНИИ противопожарной обороны полковник Г. Смелков уточняет: «Каждый четвертый пожар возникает из-за неисправности в электроустановке». Поэтому следует подробнее остановиться на процессах горения электротехнических изделий.
Принципы горения вещества
Процессы горения обычно формируются под действием химических реакций окисления, то есть соединения вещества с кислородом воздуха. Горение - это быстрое окисление, при котором выделяется энергия в виде тепла и света.
Таким образом, для формирования классического процесса самостоятельного горения при снятом рабочем напряжении необходимы два условия: наличие горючего вещества и наличие окислителя (например, кислорода воздуха).
Но этого недостаточно. Необходимо наличие так называемого треугольника горения, две стороны которого образованы указанными двумя условиями, а третья сторона (третье условие формирования процесса горения) - нагрев вещества до температуры самовоспламенения (рис. 1).
Рис. 1. Треугольник самостоятельного горения
Дело в том, что любое вещество может гореть только в газообразном состоянии, когда его молекулы окружены молекулами кислорода воздуха. В твердых веществах только отдельные молекулы свободны (за счет испарения), основная часть молекул связана. Поэтому до того, как твердое вещество начнет гореть, оно должно перейти в газообразное состояние. Этот процесс называется пиролизом и представляет собой химическое разложение вещества под воздействием тепла. Процесс самостоятельного горения формируется только в том случае, когда пары вещества смешиваются с воздухом в достаточном количестве и при этом подогреваются до температуры самовоспламенения (таблица 1).
Теплота, необходимая для нагрева до температуры самовоспламенения, сообщается веществу от источника зажигания (пламя от постороннего источника, электрический разряд, тепло от нагретых токоведущих частей, искры удара или трения, тепло механической работы или химической реакции и пр.).
Дуговые замыкания, происходящие в электрооборудовании под рабочим напряжением, не требуют присутствия окислителя.
Tаблица 1
Температура самовоспламенения электротехнических
материалов
Материал Температура самовоспламенения, 0С
Полиэтилен 390 - 422
Полистирол 371 - 496
Поливинилхлорид 454 - 495
Фторопласт 600
Бумага 230
Гетинакс 480
Текстолит 500
Каучук натуральный 375
Резина 350
Трансформаторное
масло 270
Электрооборудование — пожароопасный фактор
Электрооборудование как инициатор воспламенения должно рассматриваться с двух точек зрения. Во-первых, горение может происходить внутри электротехнических изделий, замыкаться в них, не распространяясь в окружающее пространство. Во-вторых, горение может распространяться на окружающие предметы, оборудование и конструктивные элементы объекта. В первом случае материальный ущерб ограничивается стоимостью ремонта или замены вышедшего из строя изделия либо его вообще может не быть (например, в случае выгорания угольной пыли, скопившейся в корпусе электрической машины). Во втором случае электрооборудование играет роль источника воспламенения. Здесь материальный ущерб может быть большим, вплоть до гибели людей и разрушения объекта.
К основным факторам, приводящим к возгоранию электротехнических изделий (или окружающего оборудования) при отсутствии взрывоопасной среды, относятся появление открытого огня, то есть неуправляемой электрической дуги (обозначим этот фактор индексом А), или чрезмерный нагрев электрическим током отдельных деталей (обозначим его индексом Б). Дуга чаще всего является следствием различного рода замыканий вследствие повреждения электрической изоляции, а перегрев током возникает при механических повреждениях или при неудовлетворительном состоянии контактов. Дуга воспламеняет горючие изоляционные материалы; она может разрушить металлический корпус электротехнического изделия, и после этого создается возможность распространения огня на окружающие предметы. Перегрев током нагрузки обычно приводит к тепловому пробою электрической изоляции и последующему формированию электрической дуги с соответствующими последствиями. Поскольку электрооборудование проходит комплекс испытаний на заводах-поставщиках, то есть оно в нормальных условиях эксплуатации гарантированно не может быть источником воспламенения, возможность возникновения указанных выше возбудителей пожара следует связывать с конкретными неисправностями, которые могут возникнуть в процессе монтажа и эксплуатации.
Основные виды неисправностей, вызывающих перегрев токоведущих частей или приводящих к дуговому замыканию:
1. Ухудшение качественного состояния электрической изоляции (способствует появлению фактора А) из-за поверхностного увлажнения, поверхностного загрязнения или объемного увлажнения.
2. Механическое ослабление контактных соединений (способствует появлению фактора Б) из-за дефектов монтажа, вибрации, коррозии, различной температурной деформации деталей соединения. Причиной ослабления контактных связей также могут быть динамические усилия, возникающие в соединении при коротких замыканиях, циклическое изменение размеров деталей вследствие периодического их нагрева и охлаждения при включении и отключении нагрузки, изменение (уменьшение) толщины изоляционной панели в процессе теплового старения и т.д.
3. Механические повреждения в электроприводе и аппаратуре защиты (способствуют появлению фактора Б): выход из строя подшипников, неисправности и перегрузки приводного механизма, работа асинхронных двигателей на двух фазах и пр.
Около 70% пожароопасных ситуаций при повреждениях электрооборудования возникают в режимах однофазного замыкания на землю. Защита от пожароопасных ситуаций — контроль изоляции, грамотное техническое обслуживание электрооборудования и приводных механизмов.
Опасность пожаров в трассах кабелей
Изоляция токоведущих жил и наружная шланговая оболочка кабелей обычно изготавливаются из горючих материалов, поэтому пучки кабелей, проложенные на объектах, по существу являются своеобразными складами горючего материала, причем складами неохраняемыми и обычно не оборудованными средствами пожарной сигнализации и пожаротушения. Пожары в кабельных хозяйствах приводят к повреждению не только самих кабельных линий, но и подключенного к ним электрооборудования, прилегающего оборудования и строительных конструкций; они могут послужить причиной выхода из строя всего объекта. Так, по данным Главного управления пожарной охраны, число пожаров, происходящих в кабельных сооружениях электростанций, составляет меньшую часть от общего количества пожаров в электроустановках, однако убытки от них превышают половину общей суммы убытков.
Наиболее важной теплотехнической характеристикой горючих веществ является теплота сгорания (теплотворная способность, то есть количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы (кг) или единицы объема (м3) вещества (таблица 2). Применительно к пожарам в кабельных сооружениях этот параметр, в частности, определяет суммарное количество выделяющегося тепла и температуру горения (пожара).
Из приведенных в таблице данных видно, что в пожарном отношении наиболее опасны пластмассы; так, при сгорании 1 кг резиновой изоляции выделяется тепла в 1,6 раза больше, чем при сгорании дубовых дров (2500 ккал/кг), а для полиэтиленовой изоляции этот показатель равен 4,6. Заметим, что полиэтиленовая изоляция в 1,6 раза эффективнее такого горючего материала, как антрацит (7500 ккал/кг).
Другими нормированными характеристиками горючести кабелей являются: нераспространение самостоятельного горения, огнестойкость, коррозионная активность продуктов газовыделения, а также оптическая плотность дымообразования при горении и токсичность продуктов газовыделения (публикация 754-1 МЭК).
Таблица 2
Теплотворная способность электротехнических
материалов
Материал Теплотворная способность, ккал/кг
Наиритовая резина ШН- 40 4573
Изоляционная резина 4027
Полиэтилен изоляционный 11491
Поливинилхлорид изоляционный 5949
Поливинилхлорид шланговый 6158
Прорезиненный миткаль 3004
Кабельная бумага 3799
Стеклопряжа 2165
Алюминий 7860
Нераспространение самостоятельного горения
пучков кабелей
На этой характеристике следует остановиться подробнее, так как на практике зачастую путают два различных понятия - негорючесть кабеля и нераспространение самостоятельного горения. Негорючи кабели только отдельных марок — с магнезиальной изоляцией, для атомных электростанций (обозначены индексом «нг») и др. Изоляция большинства марок кабелей изготовлена из горючих материалов (см. табл. 2). Под действием внешнего источника зажигания эти материалы могут воспламениться. Однако после удаления источника горение кабеля должно прекратиться из-за неподготовленности прилегающих изоляционных покровов к самостоятельному горению температура их нагрева не превышает значения температуры самовоспламенения из-за охлаждения окружающим воздухом. Это свойство нераспространения самостоятельного горения обеспечивается конструкцией кабеля при ее разработке.
При испытании кабеля на определение этого свойства (ГОСТ 12176-76) берут отрезок кабеля длиной 600 мм и на середину его под углом 450 направляют пламя газовой горелки (длина факела пламени 125 мм).
Длительность воздействия пламени Т = 60 + 0,04m сек, где m — масса испытываемого образца в граммах. После удаления горелки самостоятельное горение изоляции может распространяться по кабелю на расстояние не более 100 мм от места поджога.
На объектах одиночные кабели встречаются обычно только в местах ввода их в аппаратуру. Как правило, при монтаже применяют групповую прокладку кабелей (пучками или потоками) на панелях, на стеллажах, на скоб-мостах или в кабельных подвесках. В таких условиях существенно изменяются температурные режимы нагрева изоляции и охлаждения ее окружающим воздухом, то есть при определенной конструкции пучка кабелей становится возможным распространение самостоятельного горения по всей длине трассы. Так, в предпусковой период на Запорожской АЭС выгорела трасса с суммарной длиной кабелей 800 км. Нормы и методы испытаний на нераспространение горения кабелей при групповой прокладке определены указанными выше рекомендациями МЭК.
В качестве примера можно привести пожар на английском эсминце «Шеффилд» после попадания в него аргентинской ракеты («изоляция кабелей горела как порох; огонь по кабелям распространился во все помещения корабля»).
Защита трасс кабелей от пожаров
Обычно трассы кабелей располагают в недоступных местах или защищают кожухами и стальными трубами от возможных механических повреждений. Поэтому теоретически оболочки кабелей не должны подвергаться каким-либо вредным внешним воздействиям. Тем не менее при регулярном техническом обслуживании необходимо проверять исправность наружных оболочек кабелей, защитных ограждений и кожухов, отсутствие посторонних предметов и следов агрессивной жидкости, вытекающей из расположенной над трассой кабелей арматуры трубопроводов.
Действенным средством обеспечения пожаробезопасности пучков кабелей являются огнезащитное покрытие типа ОПК, наносимое на наружные поверхности пучка, и огнестойкие кабельные проходы, препятствующие распространению огня в смежные помещения. Эти средства разработаны и поставляются ВНИИ противопожарной обороны МВД РФ, г. Балашиха-6 Московской области.