Коротке замикання в електропроводці Можливі причини пожежі

Володимир Фішман, головний спеціаліст, група компаній «ЕлектрощітТМСамара», філія «ЕнергосетьпроектННСЕЩ», м. Нижній Новгород

Якщо раніше основною причиною пожеж у житлових будинках вважалося «необережне поводження з вогнем», то тепер все частіше їх причиною називають «коротке замикання в електропроводці». Бурхлива електрифікація житлового сектора змушує уважніше аналізувати домашню електроустановку (електропроводку, електроприлади, захисну і комутаційну апаратуру) з точки зору небезпеки виникнення пожежі.

Володимир Семенович Фішман вже розповідав про особливості розрахунку процесів КЗ в низьковольтних мережах («Новини Електротехніка» № 2 (32) 2005, № 3 (33) 2005). Сьогодні він розглядає умови, за яких коротке замикання дійсно може стати причиною пожежі.

Нормативні вимоги

Згідно ПУЕ, електричні мережі напругою до 1 кВ житлових і громадських будинків повинні захищатися від струмів короткого замикання і струмів перевантаження. Наведемо кілька витягів з ПУЕ [1]:

п. 3.1.10. «Мережі всередині приміщень, виконані відкрито прокладеними провідниками з горючою зовнішньою оболонкою або ізоляцією, повинні бути захищені від перевантаження.

Крім того, повинні бути захищені від перевантаження мережі всередині приміщень:

освітлювальні мережі в житлових і громадських будівлях, в торгових приміщеннях, служебнобитових приміщеннях промислових підприємств, включаючи мережі для побутових і переносних електроприймачів (прасок, чайників, плиток, кімнатних холодильників, пилососів, пральних і швейних машин і т. п.), а також у пожежонебезпечних зонах ».

п. 3.1.11. «У мережах, що захищаються від перевантажень (див. 3.1.10), провідники слід вибирати по розрахунковому току, при цьому має бути забезпечено умова, щоб по відношенню до тривало припустимим струмовим навантаженням, наведеним у таблицях гол. 1.3, апарати захисту мали кратність не більше:

80% для номінального струму плавкої вставки або струму уставки автоматичного вимикача, що має тільки максимальний миттєво діючий розчіплювач (відсічення), - для провідників з полівінілхлоридною, гумової і аналогічної по теплових характеристиках ізоляцією; для провідників, що прокладаються в невибухонебезпечних виробничих приміщеннях промислових підприємств, припускається 100 %;

100% для номінального струму розчеплювача автоматичного вимикача з нерегульованою назад залежить від струму характеристикою (незалежно від наявності або відсутності відсічення) - для провідників усіх марок ».

Схема електропостачання

Розглянемо характерну схему електропостачання житлового будинку (рис. 1). Джерело живлення - це, як правило, окремо стоїть ПС зі своїм розподільним щитом 10 (6) / 0,4 / 0,23 кВ. На вводі в будинок розташований вводнораспределітельное пристрій - ВРУ0, 4 / 0, 23 кВ. Наступний щабель - поверховий груповий розподільний щиток (ГРЩ), остання ступінь - квартирний розподільний щиток (КРЩ). Згадані распредустройства пов'язані між собою провідниками, мінімально допустимі перерізу яких вказані в ПУЕ. Номінальні струми апаратів, що захищають кабелі та проводи як від струмів КЗ, так і від перевантаження, вибираються відповідно c ПУЕ.

Умови загоряння електропроводки

Виникає питання, чи може при виконанні вищевказаних та інших вимог ПУЕ статися загоряння електропроводки при короткому замиканні (КЗ)? Вважається, що загоряння електропроводки відбувається при досягненні провідником певної температури, яка залежить від типу ізоляції кабелю [2]. Так, для кабелів з полівінілхлоридною ізоляцією, широко вживаних в даний час, ця температура дорівнює:  = 350 ОС.

Зміна температури провідника при протіканні струму КЗ описується формулами, наведеними в [2]. З урахуванням деяких особливостей, зокрема, короткочасності протікання струму КЗ (про що буде сказано далі), в розглянутих випадках для провідників з мідними жилами можна використовувати наступну формулу:

де  кін. і  поч. - Відповідно кінцева і початкова температури токоведущей жили провідника, ОС;

к - показник ступеня:

де t - час протікання струму КЗ, с;

S - переріз провідника, мм2;

- Інтеграл Джоуля або теплової імпульс, КА2 / с.

У загальному випадку струм КЗ містить періодичну і апериодических складові, тобто:

Однак, як показує аналіз, вплив апериодической складової в даному випадку невелика з огляду на її швидкого загасання (постійна часу загасання Т 0,003 с). У результаті інтегрування на інтервалі часу дії захисної апаратури (0 - 0,02 с) отримаємо:

де Iд - діюче значення періодичної складової струму КЗ.

Тоді формула (1а) прийме вигляд:

Аналізуючи формули (1) і (2), можна помітити, що температура провідника залежить в першу чергу від величини струму в провіднику при КЗ і в дещо меншій мірі від часу його протікання. Вирішуючи ці формули щодо струму, отримаємо вирази для граничних значень струмів КЗ Iпред, при яких загоряння провідника ще не відбудеться:

З наведених формул видно, що граничні значення струмів КЗ, при яких загоряння провідника не відбудеться, залежать від його перетину і часу відключення КЗ.

ГРАНИЧНІ ЗНАЧЕННЯ СТРУМІВ КЗ

Мінімально допустимі значення струмів КЗ

Аналізуючи захисні времятоковие характеристики автоматичних вимикачів (рис. 2), ми бачимо дві області: область роботи відсічення, призначеної для відключення струмів КЗ, і область роботи теплових расцепителей, призначених для захисту від перевантаження.

Час дії відсічення вимірюється сотими і тисячними частками секунди, а час дії захисту від перевантаження - від кількох секунд до кількох хвилин. Очевидно, що КЗ повинні відключатися якомога швидше, тобто відсіченням автоматичного вимикача. Якщо КЗ буде відключатися повільно діючої теплової захистом, то неминуче станеться пошкодження палаючої дугою сусідніх провідників, на яких внаслідок цього також відбудуться короткі замикання. При цьому пожежу неминучий.

Виходячи з вимог чутливості, можна визначити мінімальні значення струмів КЗ, при яких буде надійно спрацьовувати відсічення автоматичних вимикачів:

Iкзмін. = Iном · 2 · 5,

де Iном - номінальний струм автомата;

2 - коефіцієнт надійності;

5 - кратність струму спрацьовування відсічення.

Максимально допустимі значення струмів КЗ

Для визначення максимально допустимих значень струмів КЗ, при яких загоряння електропроводки ще не відбудеться, використовуємо формули (1) і (2).

Приймемо початкову температуру провідника  поч. = 30 ОС. Як кінцева слід прийняти таку, при якій ізоляція електропроводки ще не втрачає своїх властивостей і дозволяє здійснювати подальшу експлуатацію. Для кабелів та проводів з пластмасовою ізоляцією ця температура лежить у діапазоні 160 - 250 ОС [2]. Приймемо середнє значення  кін. = 200ОС:

Важливу роль відіграє час спрацьовування електромагнітних расцепителей автомата при КЗ. ГОСТ Р 5034599 [3], а також аналогічні закордонні документи, на жаль, містять лише вимога про те, що час дії автоматичних вимикачів в початковій зоні відсічення («час миттєвого розчеплення») повинно бути менше 0,1 с.

Однак з каталожних времятокових характеристик автоматів випливає, що насправді час спрацьовування вимикачів набагато менше. Так, для автоматів типу LSN і С 60а цей час не перевищує 20 мс, а при великій кратності струму КЗ ще менше (рис. 2а і 2б). При часу відключення 20 мс гранично допустиме значення струму КЗ для мідного провідника перерізом 1,5 мм 2 складе:

Переймаючись регламентованими ПУЕ мінімально допустимими значеннями перерізів мідних провідників на різних щаблях системи електропостачання (табл. 7.1.1), можна аналогічним чином визначити максимальні і мінімальні значення струму на інших щаблях системи електропостачання. Результати розрахунків наведено в табл. 1.

Слід ще раз підкреслити, що максимально допустимі значення струму КЗ в значній мірі залежать від швидкодії автоматичного вимикача при КЗ.

Якщо необхідно вирішити іншу задачу - визначення мінімально допустимого перетину кабелю або проводу при заданому струмі КЗ і часу його відключення, то можна використовувати формулу:

Для визначення максимально допустимого часу роботи захисту при заданих струмі КЗ і перерізі провідника використовуємо:

ВПЛИВ ПЕРЕВАНТАЖЕННЯ ПРОВІДНИКІВ

Перевантаження електричної мережі в побуті може настати, зокрема, при використанні додаткових обігрівальних електроприладів у холодну пору року, у випадку аварії в системі водяного опалення і т.п.

Незважаючи на те, що згідно з ПУЕ внутрішні електромережі житлових та адміністративних будинків повинні бути захищені від перевантаження, все ж захисні апарати допускають деяку перевантаження провідників. Це пов'язано з тим, що надійне спрацьовування запобіжників відбувається при струмах, що перевищують 1,6 Iном, а автоматів - 1,45 Iном.

Тому, якщо, наприклад, автомат обраний відповідно до вимог ПУЕ, тобто його номінальний струм дорівнює довго допустимому струму провідника, то останній може довго працювати з навантаженням 145% Iдоп. При цьому його температура може досягати:

 р =  про + ( д -  р) · (Iпред ​​/ Iр) 2 = 30 + (65 - 25) 1,452 = 147 ОС.

Ця величина більше тривало допустимої температури для кабелів з пластмасовою ізоляцією, зазначеної в ПУЕ і рівної 65 OС.

При виникненні КЗ в процесі тривалого перевантаження температура провідника перевищить гранично допустиме значення 350 ОС і складе для S = 1,5 мм2 при Iкз = 1550 А (1):

 кін. = 147 · єк + 228 (єк - 1) = 394 ОС, де до = 0,506.

На підставі вищевикладеного напрошується висновок про те, що для виключення можливого перевищення допустимих температур електропроводки при перевантаженнях і КЗ номінальні струми захисної апаратури слід вибирати трохи нижче, ніж вимагає ПУЕ, як, наприклад, для автоматичних вимикачів: Iном.авт. 80% Iдоп.

Звернемо увагу на те, що діючі ПУЕ не вимагають перевірки провідників до 1 кВ на термічну стійкість до струмів КЗ. Однак щодо житлових та адміністративних приміщень з цим важко погодитися з урахуванням можливих важких наслідків.

РЕАЛЬНІ ЗНАЧЕННЯ СТРУМІВ КЗ У СХЕМІ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ БУДИНКІВ

Струми КЗ в системі електропостачання напругою до 1 кВ розраховуються згідно з методикою, викладеної в ГОСТ 2824993 [4]. Розрахунок виявляється більш складним, ніж для мереж напругою 6-35 кВ, що пояснюється рядом обставин:

необхідністю врахування не лише реактивних, а й активних опорів елементів схеми;

необхідністю врахування опорів контактних з'єднань;

необхідністю врахування збільшення активних опорів провідника при зростанні температури;

необхідністю врахування опору дуги;

відсутністю точних даних по опорам нульової послідовності деяких елементів системи електропостачання (кабелі з непроводящая оболонкою, силові трансформатори зі схемою з'єднання обмоток Y / Yн, Y / Zн).

Однак це окрема тема для розмови.

Як показують розрахунки, при установці на підстанціях трансформаторів потужністю 630 кВ · А і більше, струми КЗ у споживача можуть перевищувати зазначені в табл. 1 максимально допустимі значення. З метою обмеження струмів КЗ в електромережі житлового приміщення можна застосовувати живлять трансформатори зі схемами з'єднання обмоток Y / Yн. Такі трансформатори володіють підвищеними опорами нульової послідовності, що знижують струми однофазного КЗ [5]. У ряді випадків слід йти на збільшення перерізу провідників внутрішньої електропроводки в порівнянні з необхідним за умовами допустимого навантаження і мінімально допустимими значеннями, зазначеними в ПУЕ.

З усього вищевикладеного випливає, що навіть при виконанні діючих нормативних вимог, в результаті КЗ на окремих ділянках електропроводки житлових будинків можуть создасться умови для займання. Однак у цьому випадку саме КЗ було б неправильно кваліфікувати як причину пожежі. Справжніми причинами пожежі є або неправильні технічні рішення, або недостатня надійність і швидкодію застосованої захисної апаратури, або перевищення нормативного терміну експлуатації електрообладнання тощо

Табл. 1. Граничні значення струму КЗ на різних щаблях системи електропостачання

Висновки

1. У результаті коротких замикань, при значних величинах струму КЗ і недостатньому швидкодії захисної апаратури, існує реальна небезпека займання або серйозного погіршення стану ізоляції внутрішньої електропроводки будинків.

2. Враховуючи особливу небезпеку загоряння, доцільно ввести нормативна вимога про виконання перевірки термічної стійкості електропроводки у житлових будинках.

3. Для виключення перевантажень внутрішньої електропроводки номінальні струми захисних апаратів необхідно вибирати нижче тривало допустимих струмів захищаються провідників.

4. При виборі захисних апаратів особливу увагу слід приділяти надійним автоматичних вимикачів з гарантованим швидкодією в зоні миттєвого розчеплення 0,02 с і менше.

Список літератури

1. Правила Пристрої Електроустановок, 6Е і 7е вид.

2. Технічний циркуляр № Ц0298 (е) Департаменту стратегії розвитку і науково-технічної політики РАТ «ЄЕС Росії».

3. ГОСТ Р 5034599. Автоматичні вимикачі для захисту від надструмів побутового та аналогічного призначення.

4. ГОСТ 2824993. Струми короткого замикання в електроустановках. Методи розрахунку в електроустановках змінного струму напругою до 1 кВ.

5. Федоровська А.І., Фішман В.С. Силові трансформатори 10 (6) / 0,4 кВ. Області застосування різних схем з'єднання обмоток / / Новини електротехніки. - 2006. - № 5.