В настоящее время принято считать, что пожарную опасность представляет любая электрическая цепь, в которой в течение определенного времени выделяется в виде теплоты мощность более 12-15 Вт.
Возгорание электропроводки может быть вызвано разными причинами, например:
разрушение проводника, изоляции проводника;
разрушение электропроводки грызунами;
ухудшение свойств изоляции за счет естественного старения;
непрофессиональный монтаж;
искрение в местах плохого контакта проводников;
горение электрической дуги вследствие короткого замыкания.
Существуют разные классификации электрических аварийных режимов, которые приводят к пожару и иногда путают причины и следствия.
Обычно при решении вопроса о технической причине пожара в судебной пожарно-технической экспертизе анализируется причастность следующих аварийных режимов:
короткое замыкание;
перегрузки;
большое переходное сопротивление.
Все вместе эти процессы еще с середины 50-х годов прошлого века в литературе по пожарной профилактике и пожарно-технической экспертизе принято называть «тепловым проявлением электрического тока». Этот термин не очень удачен с точки зрения норм русского языка, хотя, нужно признать, что во всех таких случаях загорание действительно происходит за счет тепловых процессов - нагрева горючих материалов (быстрого и интенсивного или более медленного) при прохождении тока или при электрическом разряде.
Например, простейшая электрическая схема, собранная из подручных материалов и имеющая источник переменного тока (220 В), одножильные проводники сечением 0,5 мм2, которые питают лампу накаливания, параллельно которой подсоединена электррозетка. Вместо стандартного плавкого предохранителя, выполнен так называемый «жучок». Формирование тепловыделения в пожароопасных размерах может происходить по нескольким вариантам:
Во - первых. Тепловыделение может возникнуть в «штатной» цепи. При включении лампочки мощностью 60 Вт по проводам будет протекать ток около 0,3 А, что вполне допустимо для проводов указанного сечения; при таком токе они практически не нагреваются. Однако, например, при включении в розетку оборудования мощностью 8 кВт, ток в цепи возрастет до 36 А, т.е. в 120 раз, а тепловыделение, которое согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату тока - в 14 тыс. раз. Таким образом, при допустимом длительном токе 11 А кратность перегрузки составит 36/11=3,3, что вполне может привести к загоранию провода.
Во - вторых. Еще сильнее и быстрее будут нагреваться локальные зоны, где электрическая цепь, имеет повышенное электросопротивление. К таким зонам относятся места частичного излома проводов (сечение провода здесь меньше, чем по остальной его длине), зоны, где имеются скрутки, плохо закрученные или припаянные контакты и др., т.е. в местах «больших переходных сопротивлений» (БПС). Впрочем, нагрев в зонах БПС, а так же сопутствующее «плохому контакту» искрение могут происходить и приводить к пожару без перегрузки.
В - третьих. Тепловыделение может возникнуть и во «внештатной цепи», которую могут образовать токи утечки. В случаях, когда изоляция у проводов старая, потрескавшаяся, а эксплуатируются они в условиях повышенной влажности и агрессивной среды, при наличии грязи, пыли на поверхности проводов, может возникнуть утечка тока с фазного на нулевой провод или на землю. Токи эти по началу незначительны, но тепловыделение, тем не менее, происходит, и процесс, в конечном счете, приобретает лавинообразный характер - по мере нагрева и карбонизации изоляции проводов или других органических изоляционных материалов, ток нарастает, возникает так называемое «неполное» (неметаллическое) короткое замыкание, которое может перейти и в короткое замыкание «полное». С точки зрения пожарной опасности неполное КЗ представляет большую опасность, по скольку на него хуже реагируют аппараты защиты.
В - четвертых. С меньшей вероятностью, чем указанные выше режимы, в рассматриваемой цепи может произойти и так называемое «полное» (металлическое) короткое замыкание. Оно может возникнуть при соприкосновении оголенных участков проводов, контактов (т.е. замыкании металла на металл) либо непосредственно, либо через другой металлический предмет (точнее, предмет с крайне малым электросопротивлением). Может полное короткое замыкание возникнуть и как конечное следствие перечисленных выше аварийных режимов
С физической точки зрения, источниками загорания, проявляющимися при описанных аварийных электрических режимах, являются:
а) сильное тепловыделение при прохождении тока. Это может происходить по причине несоответствия величины протекающего тока и сечения проводника - либо за счет того, что ток слишком велик для данного штатного проводника (перегрузка) или микроканала, по которому проходит ток утечки (нагрев при не полном коротком замыкании), либо за счет того, что электрическое сопротивление в локальной зоне слишком большое (БПС).
Если тепловыделение при прохождении электрического тока превышает теплоотвод в окружающую среду, провод или иной элемент электрической цепи нагревается, это ведет к термическому разложению изоляции или иных примыкающих к зоне нагрева органических материалов и, в конечном счете, может привести к их загоранию.
б) искры, возникающие при больших переходных сопротивлениях, а так же работе коммутационных устройств другого искрящего «электрооборудования»;
в) макродуги, возникающие при коротком замыкании;
г) раскаленные частицы и капли расплавленного металла, образующиеся при коротком замыкании.
При анализе версий обычно учитывают, что источники зажигания как правило проявляют себя не поодиночке, а в комплексе. И при коротком замыкании, и при перегрузке, и больших переходных сопротивлениях часто имеет место сочетания последовательно или параллельно протекающих физических процессов и в каждом из них в ходе развития может проявиться несколько указанных факторов:
при металлическом коротком замыкании - электрическая дуга с присущими «опасными факторами», но, плюс к этому, может проявиться и перегрузка за счет прохождения по электрической цепи тока короткого замыкания;
при неметаллическом коротком замыкании - утечка тока, нагрев изоляции, и ее карбонизация, разложение (если она представляет собой органический материал), но, в конечном счете, дело может закончиться пробоем и электрической дугой, опять же, с присущими ей «опасными факторами» и характерными следами (дуговыми оплавлениями);
при перегрузке - нагрев проводников на протяженном участке и более сильный - в локальных зонах БПС. Если последние присутствую в электрической цепи, то горение при перегрузке, скорее всего, возникнет в зоне их нахождения, если там имеются соответствующие горючие материалы. Если нет, то изоляция перегруженного провода может загореться в любом другом месте. Закончиться же все может, как и в предыдущих случаях, электрической дугой и дуговыми оплавлениями;
при БПС - возникает сочетание локального нагрева с микродуговыми процессами.
Короткие замыкания
Коротким замыканием принято называть замыкания электрических проводников, которые подключены к разным фазам, имеют разные потенциалы, полярность и нарушают нормальную работу. Первый случай (разные фазы) относится к многофазным переменным токам, второй - к замыканию на землю, третий - к электропитанию постоянным током.
В зависимости от значения переходного сопротивления в месте замыкания КЗ разделяют на металлические (глухие, полные) и неметаллические (неполные). При металлическом коротком замыкании сопротивление близко к нулю, мало на столько что им можно пренебречь. При неметаллическом коротком замыкании в зоне контакта имеется определенное сопротивление, обусловленное наличием окисной пленки, обугленной изоляции и др.
Неметаллические короткие замыкания происходят гораздо чаще, нежели металлические и могут приводить к пожарам даже в условиях правильно выбранной защиты, т.к. сопротивление в пятне контакта ограничивает рост тока. С точки зрения пожарной опасности, из всех параметров, характеризующих короткое замыкание, наиболее важны именно сопротивления в зоне замыкания, длительность короткого замыкания и кратность тока короткого замыкания. Параметры эти взаимосвязаны - величина сопротивления определяет значение тока КЗ и его длительность и в итоге, сам механизм зажигания изоляции проводников.
Металлические короткие замыкания могут возникать при различного рода авариях, происходящих с электрифицированным оборудованием. Например, при авариях автомобилей, поломках технологического оборудования, обрушения конструкций здания.
Иногда к возникновению металлического КЗ и последующего пожара приводит редкое стечение обстоятельств. Частой причиной возникновения КЗ является перенапряжение грозового характера, которое наводится на провода высоковольтных воздушных линий при грозе. Значение таких перенапряжений может достигать десятков - сотен киловольт, что создает достаточный потенциал для пробоя изоляции и КЗ. На внутренних проводах сетей 380/220В перенапряжение может достигать 2-3кВ.
Неметаллические КЗ чаще всего возникают из-за нарушения изоляции токоведущих проводников электроустановок, утраты изоляцией своих электроизолирующих свойств.
Замыкание на землю может происходить непосредственно на нее (например, при обрыве проводов) или через заземленные электропроводные предметы - систему отопления, металлоконструкции, водосточные трубы и т.д. Особую опасность такие замыкания представляют в случае, если образовавшийся контур заземления имеет большую протяженность и находится в зоне расположения легковоспламеняющихся материалов (склады, сельхозпомещения, нефтехранилища и т.д.). Как и при неметаллическом коротком замыкании, ток в такой цепи обычно ограничен и не происходит срабатывание электрозащиты.
Режим короткого замыкания, характеризуется многофакторной пожарной опасностью. При нем может иметь место возникновение источников зажигания сразу нескольких типов:
электрической дуги и электрических искр;
брызг (частиц) расплавленного дугой короткого замыкания металла;
разогретых в результате прохождения токов короткого замыкания токопроводящих жил и других элементов электросети.
С физической точки зрения процесс возникновения короткого замыкания и проявления указанных опасных факторов может быть представлен следующим образом. За счет теплоты, выделяемой в месте контакта, происходит мгновенный разогрев некоторой локальной зоны проводников, непосредственно примыкающей к точке касания. Металл в этой точке плавится и испаряется. При определенной силе тока бурное вскипание металла приводит к образованию и разбрызгиванию раскаленных частиц. Алюминиевые частицы при этом загораются. В результате расплавления сечение проводников в зоне контакта уменьшается, что приводит к еще большему разогреву в зоне короткого замыкания. В конечном счете, оплавление проводников приводит к разрыву в цепи, при этом за счет энергии электромагнитного поля происходит повышение напряжения на концах оплавленных проводников, пробой газовой фазы и возникновение искрового разряда. Это способствует еще большему оплавлению металла проводников, вызывает пиролиз изоляции и, при определенной длительности существования тока короткого замыкания, ее зажигание. Отметим также возможность стекания расплавленной горящей изоляции на склонные к тлению материалы и инициирование процесса их тления с последующим переходом в пламенное горение.
При коротком замыкании в цепях, где возможно протекание достаточно больших токов (электросеть 220,380 и более вольт, бортовая сеть автомобиля с хорошо заряженным аккумулятором и т.д.) сам дуговой разряд и возникающая при этом электрическая дуга являются основным пожароопасным фактором (источником зажигания). Температура дуги, которая, по сути, являет собой плазму, может достигать порядка нескольких тысяч градусов, хотя более конкретные цифры указать трудно, разброс в различных источниках довольно велик. Обычно указывают диапазон от 1500-2000 до 4000 оС.
При описании явлений, происходящих при коротком замыкании, обычно упоминают не только о возникающей при этом электрической дуге, но и об электрических искрах. Определение «искра» допускает двойное толкование, потому что этот термин может относиться или к электрической дуге малой длительности, когда происходит электрический разряд через воздух или другой изолятор, или к крошечному фрагменту горящего или тлеющего твердого материала, двигающемуся в воздухе. При коротком замыкании под электрическими искрами следует понимать электрические разряды в газовой среде. По сути, электрическая искра ничем не отличается от электрической дуги, кроме времени существования. Дуга в качестве разряда существует какое-то время, тогда как электрическая «искра» практически мгновенна.
Рассматривая электрическую дугу и электрические искры как явление одной природы, следует, иметь в виду их различные физические параметры и, как следствие, различную зажигательную способность. Чем дольше длиться электрический разряд, тем больше времени для нагревания окружающей среды и для передачи тепла горючему веществу (материалу). Энергия дуги - искры колеблется в пределах от миллиджоулей до миллионов джоулей. Так как время существования дуги находится в пределах от микросекунд до сотен секунд, диапазон величины выделяемой мощности (количество тепла) может быть очень широк. Способность газовых электрических разрядов к зажиганию горючих веществ и материалов сильно зависит от продолжительности существования дуги, силы тока, а также физико-химических и пожароопасных свойств самого материала.
Возникающая при коротком замыкании электрическая дуга способна расплавить алюминиевые и медные провода, латунные контакты, оплавить стальные детали. При этом образуются разлетающиеся в разные стороны частицы (точнее - капли, брызги) расплавленного металла. Горящие алюминиевые частицы, образующиеся при коротком замыкании проводов, значительно опаснее медных частиц. Один грамм алюминия при сгорании выделяет 32,2 кДж теплоты, что в 11 раз больше, чем при сгорании одного грамма меди. Кроме того, медь в воздухе при атмосферном давлении не горит даже при высоких температурах.
Известно, что причиной образования и разброса частиц металлов при коротком замыкании является электрический взрыв жидкой перемычки проводниковых материалов (расплавленного металла), возникающей в зоне короткого замыкания. Взрывообразное разрушение перемычки приводит образованию ударной волны, разбрызгивающей жидкий металл, после чего возникающий дуговой разряд с температурой в зоне канала дуги около 30006000 К вызывает газодинамический удар, который и сообщает ускорение частицам металла.
Алюминиевые и медные частицы, образующиеся в зоне короткого замыкания, обладают значительной полидисперсностью (от нескольких мкм до 3 мм). Согласно экспериментальным данным, относительная масса частиц практически не зависит от сечения и материала проводников, напряжения (в пределах до 1000 В), рода и силы тока и составляет 81-86% от расплавленного при коротком замыкании металла. Пары и окислы составляют 14-19%. Отмечается, что примерно такое же соотношение наблюдается при сварочных процессах.
При коротком замыкании в электрической сети устанавливается определенный ток, величина которого зависит от следующих факторов:
мощности источника тока (чем больше мощность, тем больше ток короткого замыкания);
удаленности источника питания от места короткого замыкания, т.е. величины полного сопротивления элементов цепи, включенных между источником тока и точкой короткого замыкания;
видом короткого замыкания (при однофазном КЗ ток будет меньше, чем при трехфазном);
временем между возникновением короткого замыкания и отключением тока аппаратами защиты.