Способ оценки пожарной опасности частиц металлов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области экспериментального исследования пожарной безопасности электроустановок, в частности к оценке воспламеняющей способности частиц металлов, образующихся при коротких замыканиях (КЗ) жил электрических проводов и кабелей в аварийных режимах работы электросетей. Предложен способ оценки пожарной опасности частиц металлов, образующихся при коротком замыкании, и устройство для его осуществления (варианты), в которых воспламенение частиц производят в зоне дугового разряда короткого замыкания, с параметрами, эквивалентными исследуемому процессу, частицы сбрасывают на эталонный горючий материал и по частоте воспламенений определяют вероятность загорания материала. В устройстве в зоне образования короткого замыкания проводящая контактная поверхность выполнена в виде двух электродов из исследуемых проводников, которые закреплены в изолированные держатели таким образом, чтобы при соприкосновении они имели возможность пересекаться во взаимно-перпендикулярных плоскостях и при коротком замыкании образовывали пожароопасные частицы исследуемого металла. Устройство имеет камеру, на дне которой располагается набор ячеек с исследуемым горючим материалом. Технический результат – повышение достоверности и точности проводимых исследований. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области экспериментального исследования пожарной безопасности электроустановок, в частности к оценке воспламеняющей способности частиц металлов, образующихся при коротких замыканиях (КЗ) жил электрических проводов и кабелей в аварийных режимах работы электросетей.

Аварийные режимы работы электроустановок, а также их неправильная эксплуатация, ежегодно составляют более 25% от всех пожаров, регистрируемых в стране. Практически в каждом крупном пожаре одной из основных версий причины пожара выдвигается «короткое замыкание в электропроводке». Источниками зажигания горючих материалов при коротком замыкании является как сам дуговой разряд, так и разлетающиеся из зоны КЗ горящие частицы металла. Частицы металла, являясь носителями большой тепловой энергии, представляют собой потенциальные источники пожаров, особенно при попадании на горючие материалы (горючие пыли, ткани, пластики, дерево и т.п.).

Известен способ и устройство для исследования пережигающего действия электрической дуги при коротком замыкании в условиях пожароопасных сред (Г.И. Смелков. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах. - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр. 52-53), содержащее силовой трансформатор, проводник, один из концов которого подключен через блок измерения, и замыкатель к силовому трансформатору, проводящую контактную поверхность, связанную через ограничивающее сопротивление с силовым трансформатором, зону образования искусственного короткого замыкания, соприкасающуюся с проводником.

Проводящая контактная поверхность образована боковой поверхностью стальной трубы длиной 0,5 м. Проводник длиной 1 м размещен внутри трубы и имеет оголенный участок длиной 5-6 мм, соприкасающийся с зоной образования искусственного короткого замыкания, выполненной в виде участка внутренней поверхности стальной трубы. В качестве блока измерения использован шлейфовый осциллограф. Между проводником и стальной трубой прикладывается напряжение 220 В. В месте касания проводника и участка внутренней поверхности боковой стенки стальной трубы возникает либо искусственное короткое замыкание через электрическую дугу, либо искусственное не дуговое металлическое короткое замыкание.

В результате происходит пережигание проводника, или приваривание оголенного участка проводника к участку внутренней поверхности боковой стенки стальной трубы. Во время исследования шлейфовым осциллографом фиксируются мгновенные значения тока и напряжения, по которым судят о пережигающем действии электрической дуги при коротком замыкании и о времени пережигания. Предельное время пережигания проводника соответствует устойчивому горению электрической дуги.

Известно устройство для исследования пережигающего действия электрической дуги при коротком замыкании (Патент РФ №2249826, МПК G01R 31/2, опубл. 10.04.2005), которое содержит силовой трансформатор, проводник, подключенный через блок измерения и замыкатель к силовому трансформатору, проводящую контактную поверхность, связанную через ограничивающее сопротивление с силовым трансформатором, а также зону образования искусственного короткого замыкания, соприкасающуюся с проводником. В данном устройстве зона образования искусственного короткого замыкания выполнена в виде равномерного слоя порошкового графита, нанесенного на проводящую контактную поверхность.

Недостатками приведенного способа и устройства для исследования пережигающего действия электрической дуги является ограниченность их применения для ответа на вопрос о зажигательной способности частиц металлов, образующихся в зоне короткого замыкания.

Известен способ определения причастности частиц металлов при коротких замыканиях в электропроводках к возникновению пожаров (Г.И. Смелков и др. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электротехнических устройствах. М.: Стройиздат, 1980 г., 58 с.). С места пожара изымается образец твердого горючего материала и устанавливается группа его горючести, в зависимости от которой по табличным данным определяется вероятность зажигания материала. Однако точность полученных результатов весьма неудовлетворительна вследствие огромного количества горючих веществ, не имеющих необходимых табличных значений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения пожарной опасности частиц металла (Авторское свидетельство SU №834484, Бюл. №20, 1981), принятый за прототип заявляемого технического решения.

Исследуемую частицу металла взвешивают в высокочастотном электромагнитном поле, воспламеняют, например, от дуги плазмотрона, обдувают воздушным потоком со скоростью, изменяющейся по закону падения частицы в воздушной среде, и определяют ее тепловую энергию, например, калориметрическим методом. По полученной тепловой энергии и площади поверхности частицы определяют ее плотность энергии. Сопоставляя полученное значение плотности энергии частицы с плотностью энергии воспламенения горючего материала, взятой из справочных данных, судят о пожарной опасности частицы определенного металла относительно данного горючего материала и для определенной высоты падения.

Недостатком описанного способа является низкая точность и достоверность результатов исследований из-за большого количества допущений в проводимых расчетах, а также высокой стоимости и сложности применяемого оборудования (высокочастотная установка большой мощности, плазмотрон, прецизионный микрокалориметр, аэродинамическая труба с регулируемым воздушным потоком и различные измерительные приборы и оборудование).

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности и точности проводимых исследований, а также расширение области применения полученных данных, например проведения экспертных оценок по делам о пожарах.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе оценки пожарной опасности частиц металлов частицы исследуемого материала жил проводников воспламеняют и для определения их пожарной опасности сбрасывают на горючий материал, причем воспламенение частиц производят в зоне дугового разряда короткого замыкания, с параметрами, эквивалентными исследуемому процессу, а частицы сбрасывают на эталонный горючий материал и по частоте воспламенений определяют вероятность загорания материала.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для оценки пожарной опасности частиц металлов, содержащем силовой трансформатор, проводники, подключенные через блок измерения и ограничивающее сопротивление к силовому трансформатору, зону образования искусственного короткого замыкания, при этом в зоне образования короткого замыкания, проводящая контактная поверхность выполнена в виде двух электродов из исследуемых проводников, которые закреплены в изолированные держатели таким образом, чтобы при соприкосновении они имели возможность пересекаться во взаимно-перпендикулярных плоскостях и при коротком замыкании образовывали пожароопасные частицы исследуемого металла, причем на дне камеры расположен набор ячеек с исследуемым горючим материалом.

Технический эффект, реализуемый заявляемым способом определения пожарной опасности частиц металлов, обуславливается следующим.

Воспламенение частиц производят непосредственно в зоне дугового разряда короткого замыкания с параметрами, эквивалентными исследуемому процессу, что обеспечивает высокую воспроизводимость физико-технических характеристик образующихся пожароопасных частиц металлов (их количество, размеры, теплоемкость, скорость вылета и др.). Это существенно повышает достоверность и точность проводимых исследований.

Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством, обуславливается следующим.

В зоне образования короткого замыкания проводящая контактная поверхность выполнена в виде двух электродов из исследуемых проводников, имеющих возможность дистанционного сближения, которые закреплены в изолированные держатели таким образом, чтобы при соприкосновении они пересекались во взаимно-перпендикулярных плоскостях и при коротком замыкании образовывали пожароопасные частицы исследуемого металла.

Такое решение, основанное на одинаковых параметрах скорости сближения электродов и усилии их взаимного нажатия при соприкосновении, обеспечивает однозначность и сопоставимость проводимых экспериментов, а также повышает безопасность исследований.

Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством (согласно варианту устройства по пункту 3 формулы изобретения), обуславливается следующим.

Устройство имеет камеру, на дне которой располагается секционированный набор ячеек с исследуемым горючим материалом. Воспламенение (или невоспламенение) материала происходит в ячейках при попадании горящих или расплавленных частиц.

Таким образом, по частоте воспламенений определяют вероятность загорания материала. Полученные результаты являются необходимыми исходными данными для расчета вероятности возникновения пожара на объекте.

Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом (вариантами) и устройством (вариантами).

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ, на фиг. 2 - электрическая схема устройства.

Устройство для оценки пожарной опасности частиц металлов, образующихся при коротком замыкании, включает камеру 1 объемом 0,36 м³, замыкатель 2 и поддон с ячейками для горючего материала 3.

Камера 1 представляет собой стальную конструкцию размером 600×600×1000 мм, которая устанавливается в испытательном помещении в вертикальном положении. С целью предотвращения разлета в стороны образующихся частиц с трех сторон камера имеет металлические стенки. В верхней части камеры устанавливается замыкатель 2, а в нижней - поддон 3 с ячейками 6, заполненными горючим материалом.

Замыкатель выполнен на базе управляемого асинхронного однофазного реверсивного двигателя 4, например РД-09 П2А, с частотой вращения - 30 об/мин.

Для преобразования вращательного движения в поступательное применен редуктор 5 с использованием червячной передачи. Крепление образцов жил осуществляется в изолированных держателях, один из которых является неподвижным, а движение другого управляется с выносного пульта, что обеспечивает подвод и отвод находящихся под напряжением проводников с линейной скоростью 140 мм/мин. Движение подвижного электрода 6 осуществляется дистанционно и в крайних точках механизма ограничивается концевыми выключателями.

Схема замыкателя 2 собрана на стеклотекстолитовой плате толщиной 10 мм, с размерами 800×600 мм. В центре платы вырезано прямоугольное отверстие 80×120 мм, через которое закрепляются электроды. Плата со смонтированным на ней замыкателем устанавливается в верхней части камеры.

Электроды выполняются из испытываемых образцов жил проводов. Длина каждого из электродов составляет 150 мм. Конец одного из электродов на длине 40 мм загибается под углом 90 градусов. Электроды вставляются в изолированные держатели таким образом, чтобы при соприкосновении они пересекались во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Поддон с ячейками для горючего материала представляет собой стальной противень 600×600 мм, в который вплотную устанавливается 16 ячеек 7 размером 150×150 мм с высотой бортика 60 мм, выполненных из негорючего материала. В ячейки равномерным тонким слоем укладывается хирургическая вата или другой исследуемый материал 8.

На фиг. 2 представлена схема внешних соединений, предназначенная для питания и защиты установки. В качестве источника электропитания может быть использован любой силовой трансформатор 9 мощностью не менее 320 кВА и вторичным напряжением 220/380 В (например, ТМ/6/0,4). Селективность защиты обеспечивается двумя автоматическими выключателями 10, например ВА88-33 160А и ВА49-29 63А. Соотношение аппаратов защиты подобрано таким образом, что при каждом коротком замыкании проводников срабатывает аппарат на 63А и остается во включенном положении аппарат ВА88-33 (на 160А).

Регулирование тока КЗ осуществляется с помощью добавочных сопротивлений 11, включенных последовательно в сеть с подвижным 13 и неподвижным 14 электродами, расположенными в зоне образования короткого замыкания, и контролируется измерительным блоком 12.

В качестве горючего материала может быть использован как эталонный легковоспламеняемый (например, вата медицинская по ГОСТ 5556-81), так и исследуемый при проведении криминалистических испытаний образец или его аналог.

Таким образом, при образовании раскаленных или горящих частиц вследствие короткого замыкания жил и попадания частиц в ячейки с горючим материалом происходит воспламенение (или не воспламенение) хирургической ваты в отдельных ячейках.

Частота воспламенения горючего материала Qв определяется по формуле умножения вероятностей двух зависимых событий:

Qв = Pn×Рв = m/n, где:

Pn = n₁/n - вероятность появления пожароопасных частиц металла в опытах по короткому замыканию при сопротивлении петли фаза-ноль;

Рв = m/n₁ - вероятность воспламенения горючего материала в опытах, в которых наблюдалось появление частиц;

n₁ - общее количество ячеек в поддонах в серии из n-опытов;

n - количество опытов;

m - общее количество загораний в ячейках поддона в серии из n-опытов.

На основании сравнения показателей по частотам воспламенения делается вывод о пожарной опасности частиц металлов, образующихся в результате короткого замыкания алюминиевых или медных жил проводов относительно исследуемого горючего материала.

1. Способ оценки пожарной опасности частиц металлов, заключающийся в том, что частицы исследуемого материала жил проводников воспламеняют и для определения их пожарной опасности сбрасывают на горючий материал, отличающийся тем, что воспламенение частиц производят в зоне дугового разряда короткого замыкания, с параметрами, эквивалентными исследуемому процессу, частицы сбрасывают на эталонный горючий материал и по частоте воспламенений определяют вероятность загорания материала.

2. Устройство для оценки пожарной опасности частиц металлов, содержащее силовой трансформатор, проводники, подключенные через блок измерения и ограничивающее сопротивление к силовому трансформатору, зону образования искусственного короткого замыкания, отличающееся тем, что в зоне образования короткого замыкания проводящая контактная поверхность выполнена в виде двух электродов из исследуемых проводников, которые закреплены в изолированные держатели таким образом, чтобы при соприкосновении они имели возможность пересекаться во взаимно-перпендикулярных плоскостях и при коротком замыкании образовывали пожароопасные частицы исследуемого металла.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что имеет камеру, на дне которой расположен набор ячеек с исследуемым горючим материалом.