При возникновении короткого замыкания, пока не сработала защита по всему проводу (кабелю) идет ток КЗ, многократно превышающий номинальный это может привести к загоранию изоляции проводов и других горячих материалов, находящихся в контакте с раскалѐнным проводником тока. Следует отметить, что зажигание изоляции вполне может произойти и вне непосредственной зоны короткого замыкания. Наиболее сильный нагрев при прохождении сверх тока КЗ происходит в «слабых» местах электрической цепи, где имеется излом или истончение жилы, плохой контакт и т.д. И именно там и может возникнуть горение, появиться вторичный очаг (очаги).
Может обуглиться и загореться изоляция проводника и на участках, лишенных дефектов. В первую очередь, в зонах ухудшенного теплоотвода с поверхности провода.
Стекание и расплавление изоляции, зажигание материалов, склонных к самоподдерживающемуся тлению. Данное явление проявляется как самостоятельный фактор, обуславливающий возникновение горения, достаточно редко. Но оно может дополнять пожароопасное действие других, перечисленных выше факторов.
Стекающая горящая изоляция может создавать дополнительные очаги горения. Расплавленные полимеры обладают, как известно, высокой теплоемкостью и адгезией, что облегчает им прогрев материалов, на которые они попадают, и инициирование загорания таких материалов (легкогорючих, склонных к тлению). В меньшей степени это относится к наиболее распространенной - поливинилхлоридной - изоляции, в большей степени - к изоляции проводов и отдельным деталям из полиэтилена, капрона, полиэтилентерефталата, полиметилметакрилата и др.
Неметаллические короткие замыкания обычно возникают в результате нарушения изоляции токоведущих частей электроустановок, утраты изоляцией своих электроизолирующих свойств. В первую очередь это касается изоляции проводов и кабелей. Следует отметить, что оболочки проводов и кабелей теряют свои электроизоляционные свойства в результате старения полимерного материала, его растрескивания. Интенсифицируют разрушительные процессы воздействия влаги и агрессивных сред.
Влага попадает в трещины, растворенные в ней соли образуют электролит, создаются токопроводящие мостики, приводящие к утечке тока. Если провод проложен снаружи помещения, то разрушительное действие влаги усиливается перепадом температур, когда вода в трещинках периодически замерзает и разрушает полимер.
Агрессивные среды, выводящие из строя изоляцию проводов и кабелей, других электротехнических изделий существует не только на химических производствах, но и, например, на сельскохозяйственных животноводческих фермах, где в воздухе присутствует высокое содержание органических кислот, сероводорода и аммиака.
Нагрев изоляции (как внешний, так и вследствие перегрузок) значительно ускоряет процессы ее разрушения. Существует даже понятие теплового старения изоляции. Изоляция провода который эксплуатировался в течение нескольких месяцев, а то и недель, при температуре, превышающей нормативную, может получить повреждения, эквивалентные разрушениям, получаемым при эксплуатации в нормальных условиях в течение многих лет. Так, например, в литературе отмечают, что срок службы изоляции в электродвигателях при нагреве до 100 0С составляет 10-15 лет, а при 150 0С он сокращается до 1,5-2 месяцев.
Перегрузки по току и напряжению приводят, в конечном счете, к разрушению изоляции и возникновению короткого замыкания. Перегрузка не всегда бывает столь велика, чтобы сразу вызвать загорание изоляции. Однако и незначительные по величине, но частые и продолжительные перегрузки также представляют опасность. Процесс разрушения изоляции при незначительных перегрузках протекает постепенно. Изоляция теряет эластичность, трескается.
Наличие грязи, пыли, влаги на поверхности изолятора может приводить к утечке тока по его поверхности. При этом неметаллическое короткое замыкание может возникнуть по механизму, рассмотренному ниже.
Механические повреждения изоляции также являются негативным фактором, способным ухудшить ее диэлектрические свойства. Повреждения возникают вследствие небрежного монтажа - избыточного растяжения проводов, перегибов, протаскивания через отверстия в перегородках. Когда, например, провода прокладывают в трубах и металлорукавах, их, с одной стороны, защищают от внешнего механического воздействия в дальнейшем, а, с другой - протаскивая провод через трубу, часто нещадно царапают, обдирают изоляцию, создавая «точки роста» будущих дефектов. Аналогичная ситуация бывает с прокладкой проводов при установке сигнализации на автомобилях.
Недаром они часто замыкают на корпусе автомобиля по месту прохождения через различные отверстия.
Дополнительный риск механических повреждений возникает при вибрации, когда провод не защищен от трения об острые углы металлоконструкций и изделий. Все перечисленные факторы приводят к возникновению токов утечки, нагреву полимерного материала в канале прохождения тока, его карбонизации. Уголь, как известно, имеет на порядки меньшее электросопротивление, чем исходный полимерный материал, причем его электросопротивление последовательно снижается с ростом температуры и длительности нагрева. Со снижением электросопротивления увеличивается ток утечки, процесс разрастается лавинообразно. По сути, это уже неметаллическое (через угольный слой) короткое замыкание. Загореться может сам разогревающийся полимерный материал, может, в конечном счете, возникнуть и электрическая дуга.
Прочие ситуации возникновения неметаллического короткого замыкания. К ним могут быть отнесены ситуации, когда находящиеся под напряжением шинопроводы между шинами попадают грызуны, тараканы замыкают контакты в сложной бытовой технике и т.д. Замыкать собою электрооборудование могут улитки, слизняки, птицы. Специалисты, ремонтирующие стиральные машины, холодильники, телевизоры, электроплиты, микроволновые печи могут подтвердить, что выход из строя электронных блоков такой техники достаточно связан с проникновением туда тараканов и прочей подобной живности. Иногда возникшая аварийная ситуация развивается дальше вплоть до возникновения пожара - подобные случаи хорошо известны из экспертной практики. Мыши, крысы любят грызть провода, создавая условия для возникновения утечек тока, неметаллического (а иногда и металлического) короткого замыкания. В отдельных случаях тем же отличаются домашние животные (кошки, собаки).
Резкое уменьшение электрического сопротивления диэлектрика и увеличение силы тока, проходящего через него, когда напряженность электрического поля достигает критической величины, называемой электрической прочностью диэлектрика, принято называть электрическим пробоем. При пробое образуется токовый канал (так называемый «шнур»), в котором диэлектрическое сопротивление меньше, чем в окружающем веществе. И весь пробойный ток течет по этому шнуру или шнурам.
Пробой диэлектрика может случаться по двум механизмам - тепловому и электрическому. Пробой по тепловому механизму случается при нагреве диэлектрика, когда тепловыделение (теплоприход) выше теплоотвода и температура диэлектрика быстро возрастает, но еще быстрее повышается его удельная электропроводность. По такому механизму часто происходит пробой стекла лопатки лампы накаливания, если она, находясь во включенном состоянии, еще дополнительно нагревается внешним теплом пожара.
Пробой по электрическому механизму происходит под действием сильного электрического поля. Различают:
электрический пробой через изолятор (твердый диэлектрик);
пробой через воздушный промежуток;
пробой по поверхности изолятора (поверхностный пробой). Электрическому пробою часто подвержены высоковольтные блоки телевизоров и другой электронной техники. Пробои происходят в результате накопления пыли внутри аппарата, а также за счет изменения в процессе эксплуатации диэлектрических свойств изоляционных материалов.
Быстрее всего утрачивают изоляционные свойства поверхности диэлектриков. Они увлажняются, покрываются пылью и, в том числе, солевыми отложениями. Тонкая пленка влаги, представляющей собой за счет растворенных солей слабый электролит, обеспечивает возникновение утечек электричества, искрение, возникновение и разрастание углеродистых электропроводных мостиков и прочих пожароопасных явлений. Подобное явление можно наблюдать, включая весной перезимовавший на даче телевизор, не дав ему просохнуть. Зимой в городах часто случаются короткие замыкания в контактной сети троллейбусов, когда на провода попадает солевой состав, который посыпают на улицах для таяния снега.
Перегрузка по току
Перегрузка по току - аварийный режим, при котором в проводниках электросетей, машин и аппаратов возникают токи, длительно превышающие величины, допускаемые нормами. Различают перегрузки нормальные и аварийные. Первые имеют место при нормальных условиях эксплуатации, обычно кратковременны и потому, в общем-то, пожаробезопасны. Такие перегрузки возникают, в частности, при пуске электродвигателей. Аварийные перегрузки могут быть следствием:
неправильного расчета сечения проводников при проектировании;
подключения к сети дополнительных нагрузок.
В первом случае негативные следствия перегрузки проявятся достаточно быстро уже на начальном этапе эксплуатации электрической сети или отдельной установки. Во втором случае - когда угодно после подключения нагрузок, мощность которых такова, что обеспечивает прохождение по проводнику тока, на который он не рассчитан. Опасность перегрузки заключается в повышенном (по сравнению с нормой) нагреве проводников.
Увеличение тока в два раза приводит к увеличению тепловыделения в четыре раза, при трехкратном увеличении тока - в девять раз и т.д. разогрев изоляции выше нормы создает массу неприятностей, каждая из которых в той или иной степени повышает пожарную опасность электрической цепи.
Даже небольшие, но длительные перегрузки по току, не приводящие к перегреву проводов до температур самовоспламенения изоляции, вредны для изоляции проводов. Чем выше нагрев, тем быстрее изоляция стареет, теряет эластичность, механическую прочность, трескается с образованием микротрещин, при этом возникают токи утечки и прочие опасные явления. Известно, так называемое «восьмиградусное правило», согласно которому длительное повышение температур проводника сверх допустимого на каждые восемь градусов приводит к ускорению износа его изоляции вдвое. Старение изоляции - следствие не только указанных выше физических процессов, но и химических превращений. Полимер, из которого сделана изоляция, может подвергаться термическому разложению с соответствующими последствиями (вплоть до возникновения короткого замыкания) при температурах значительно более низких, нежели температуры воспламенения и самовоспламенения. Так, например, поливинилхлорид - самый распространенный материал изоляции проводов - подвергается дегидрохлорированию (реакции термического разложения с выделением хлористого водорода) при температуре от 220 0С. Температура же воспламенения этого материала - 390 0С, самовоспламенения - 454-495 0С.
Нужно заметить, что процесс дегидрохлорирования с гораздо меньшей скоростью, но все же происходит и при обычных температурах. Признаком этого процесса является пожелтение поверхности данного полимерного материала. Образующиеся при этом сопряженные двойные связи обуславливают снижение сопротивления изоляции, появление токов утечки. Очевидно, что подобные процессы интенсифицируются с ростом температуры. В частности, при нагреве провода токами перегрузки. Учитывая эти обстоятельства, для проводов с различной изоляцией устанавливаются предельные рабочие температуры, нагрев выше которой считается опасным.
По достижении определенных температур нагрев изоляции приводит к ее обугливанию (карбонизации). Чем выше температура нагрева, тем ниже электросопротивление слоя угля. По угольному слою и через него возникают утечки тока, микродуги, возможно неметаллическое короткое замыкание и загорание угля. Особенно опасен процесс карбонизации изоляции в обмотках электродвигателей, трансформаторов, дросселей и других устройств, имеющих обмотки проводов. Изоляция проводов в таких обмотках обычно очень тонкая, из слоя специального лака, и ее нагрев очень быстро приводит к пробою. Необходимо иметь в виду, что тепловыделение при перегрузке происходит по всей длине провода, но оно может возрастать на локальных участках «плохого контакта» пропорционально величине электросопротивления данного участка. Именно на таких участках, прежде всего, происходит воспламенение изоляции.
Для всех проводников существует зависимость вероятности воспламенения от кратности аварийного тока (К). Вероятность воспламенения изоляции резко возрастает при К = 3-4, а при достаточном увеличении К она уменьшается до нуля. Характер изменения зависимости вполне объясним с точки зрения тепловой теории зажигания Я.Б. Зельдовича. Согласно основным положения этой теории, зажигание твердого вещества происходит при выполнении следующих условий:
вещество нагреется настолько, что температура его поверхности достигнет некоторого значения, при котором будет наблюдаться интенсивная «газификация», обеспечивающая достаточную скорость перевода вещества в газовую фазу (т.е. достаточно высокая скорость пиролиза с выделением горючих летучих);
в веществе образуется достаточно прогретый слой, глубина которого должна быть такой, чтобы градиент температуры не превышал критического значения, выше которого существование пламени у поверхности невозможно;
свойства газовой фазы таковы, что продукты «газификации» воспламеняются над поверхностью вещества, т. е. имеет место достаточная концентрация компонентов и высокая температура в газе (т. е. достигнут НКПР). В данном случае протекание по проводнику аварийного тока кратности К< 2 не приводит к выполнению первого и третьего условий. При достаточно же больших кратностях перегрузки (К=90-100) разогрев и плавление токопроводящей жилы происходит настолько быстро, что материал изоляции просто не успевает прогреться и подвергнуться термодеструкции, поэтому выполнение второго и третьего условий становится невозможным и вероятность загорания изоляции закономерно приближается к нулю.
Возможность возникновения горения, а также его распространения за пределы очаговой зоны, во многом зависят от типа провода, материала его изоляции, способа прокладки (горизонтально, вертикально, пучком или одинарным проводом, по поверхности конструкции или в трубе, латке, коробе).
Если провода проложены в пучке, в закрытом объеме (например, в трубе), при перегрузке их теплообмен с окружающей средой ухудшается, а вероятность загорания увеличивается. Поэтому неслучайно, что, например, допустимый длительный ток, который устанавливается ПУЭ для проводов и кабелей, различных марок, тем меньше, чем большее количество проводов уложено в одной трубе. Распространение возникшего горения по понятным причинам лучше происходит вверх, чем по горизонтали, а, тем более, вниз. А по пучку проводов - лучше, чем по одиночному проводу - горящие провода взаимно «подогревают» друг - друга, меньше теплопотери при горении.
В электротрансформаторах перегрузка возникает при работе с повышенным током потребления в цепи нагрузки или при КЗ во вторичной обмотке. При этом происходит разогрев обмоток, возможно термическое разложение или подплавление изоляции, ее пробой с образование межвитковых коротких замыканий. После каждого такого КЗ ток в обмотке возрастает еще больше, и аварийный режим развивается лавинообразно. Аналогичный процесс происходит и в случаи, например, обрыва одной из фаз в трехфазном трансформаторе.