Повышение эффективности защиты электроустановок АПК на основе количественной оценки пожарной опасности коротких замыканий

В настоящее время по-прежнему актуальной остается проблема обеспечения электрической и пожарной безопасности электроустановок напряжением до 1000 В, как в городах, так и в агропромышленном комплексе (АПК). Весомую долю пожаров (более 20%) составляют пожары от электротехнических причин (электропожары) [1].

В 2010 году ежедневно в Российской Федерации происходило более 490 пожаров, при которых погибали 36 человек и 36 человек получали травмы. Огнем уничтожалось 163 строения, 24 единицы автотракторной техники. Ежедневный материальный ущерб составил 38,6 млн руб. [2].

На сельскую местность пришлось 38,8% от общего количества пожаров, 47,8% числа погибших и 31,6% травмированных при пожарах людей, 51,6% материального ущерба. [2].

Больше всего пожаров в 2010 году зарегистрировано в жилом секторе. Их доля от общего числа пожаров по России составила 71,4%, доля погибших — 92,4%, а доля травмированных — 72%.

Второе место после основной причины пожаров: неосторожное обращение с огнем (37,8%) занимают электропожары (23,4%) [2].

До 70% электропожаров вызываются короткими замыканиями (КЗ). При этом наиболее пожароопасным видом электротехнических изделий являются электропроводки [3].

Для автоматического отключения питания при неисправности электроустановки широко используются предохранители и автоматические выключатели, в функции которых входит не только защита от аварийных режимов, но и предупреждение электропоражений людей и животных. Однако многолетний опыт эксплуатации электроустановок в сельском хозяйстве показал низкую эффективность такой защиты, как в части предупреждения электропожаров, так и обеспечения электробезопасности [4].

Одной из причин этого является сложность реализации чувствительной электрической защиты при низких значениях токов короткого замыкания.

КЗ), характерных для сельских низковольтных сетей. Особенностью таких сетей является значительная протяженность воздушных линий, имеющих существенно большее сопротивление по сравнению с кабельными, а также относительно небольшая мощность силовых трансформаторов питающих подстанций. Токи КЗ имеют весьма малую кратность по отношению к параметрам срабатывания электрической защиты — предохранителей и автоматических выключателей, что приводит к увеличению времени существования в сети опасных аварийных режимов и повышает вероятность пожаров даже при условии соответствия системы защиты нормируемым требованиям [4].

Во внутренних электропроводках высокую пожарную опасность представляют дуговые КЗ. При КЗ электрическая дуга, температура которой достигает нескольких тысяч градусов, может воспламенить изоляцию или другие горючие материалы, что вместе с действием искр и расплавленных частиц металла может привести к развитию пожара. Кроме того, действуя, как электросварка, дуга КЗ может пережечь электропроводку быстрее, чем сработает защита, что эквивалентно ее отсутствию и неконтролируемому протеканию пожароопасных процессов [5].

Современные методики выбора электрической защиты [6 — 13] не учитывают воздействие электрической дуги КЗ на электропроводки. Тем самым допускается возможность электропожара еще на этапе проектирования защиты [4].

В целом можно выделить следующие основные причины неудовлетворительного состояния безопасности электроустановок в сельском хозяйстве:

— обусловленная особенностями сельских электрических сетей низкая кратность токов короткого замыкания, создающая возможность длительного существования аварийных режимов;

— неудовлетворительное техническое состояние внутренних электропроводок из-за их существенного износа и низкого уровня эксплуатации;

— неэффективная работа электрической защиты на основе предохранителей и автоматических выключателей, обусловленная особенностями аварийных режимов сельских электроустановок и несовершенством методик выбора параметров защиты;

— ограниченное финансирование на обеспечение безопасности электроустановок.

Для обеспечения пожарной безопасности электроустановок необходимы оценка функционирования и обоснование мероприятий по повышению эффективности электрической защиты, как меры предупреждения пожаров от КЗ. С этой целью могут использоваться вероятностные методы оценки пожарной опасности КЗ.

С использованием этих методов в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова (АлтГТУ) создана технология повышения безопасности электроустановок, основанная на автоматизированных методах выявления пожароопасных участков системы электроснабжения и выбора экономически целесообразных сочетаний параметров защиты от КЗ и электропроводок по условию наименьшей вероятности пожара.

На первом этапе разработки этой технологии в качестве показателя эффективности электрической защиты использовалась вероятность возникновения пожара на объекте из-за КЗ в сети [1,5, 14−28]. Затем были предложены новые критерии оценки противопожарной эффективности электрической защиты, определяющие условия пережога электропроводки током дугового КЗ до срабатывания электрической защиты [7 — 13, 29 — 34].

В процессе практического использовании технологии предупреждения пожаров от КЗ был выявлен ряд проблем.

В основу оценки пожарной опасности дуговых КЗ положено сопоставление характеристик срабатывания аппаратов защиты (предохранителей или автоматических выключателей) и характеристик пережога электропроводки электрической дугой, полученных экспериментально в АлтГТУ [25, 28].

Характеристики срабатывания аппаратов защиты задаются заводами-изготовителями с учетом разброса возможных значений. Реальное время срабатывания защиты за счет наличия зоны разброса может отличаться в несколько раз при одном и том же токе. Аналогичный разброс имеют и характеристики пережога электропроводок. В общем случае возможны как благоприятные, так и неблагоприятные сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки на различных участках электрической сети. В первом случае защита может иметь высокую эффективность. Во втором — крайне низкую.

Таким образом, при проведении расчетов показателей пожарной опасности КЗ возникает неопределенность, обусловленная зонами разброса характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки. Поэтому для повышения точности расчетов представляется целесообразным проведение анализа влияния выбора сочетания этих характеристик на результаты расчетов и разработка соответствующих рекомендаций для практического использования.

С вопросами выбора характеристик срабатывания защиты связаны также вопросы оценки эффективности ее резервирования, а также выбора типов защитных аппаратов. При этом можно рассматривать альтернативные варианты не только для автоматических выключателей или предохранителей с различными параметрами, но и учитывать возможности замены в определенных условиях автоматических выключателей быстродействующими предохранителями.

При расчетах показателей пожарной опасности КЗ существенное значение имеет точность определения токов КЗ, которые под влиянием нагрева проводников могут изменяться. Используемая технология предупреждения пожаров от КЗ не учитывала этот влияющий фактор. Поэтому в процессе ее совершенствования необходимо вводить соответствующие коррективы.

Одной из проблем, возникающей при оценке пожарной опасности объектов электроснабжения, является отсутствие возможности сравнения уровней пожарной опасности для различных объектов или их групп. Такое сравнение возможно при учете реального соотношения вероятностей КЗ на этих.

Целью работы является повышение эффективности электрической защиты с противопожарными функциями при коротких замыканиях в электроустановках объектов АПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— обоснование выбора характеристик срабатывания аппаратов защиты и характеристик пережога электропроводок для выполнения расчетов показателей пожарной опасности КЗ;

— оценка влияния теплового спада тока КЗ на значения показателей пожарной опасности и обоснование условий уточнения расчетных значений;

— разработка метода сравнения уровней пожарной опасности для различных объектов или их групп с учетом реального соотношения вероятностей КЗ на этих объектах;

— оценка возможности снижения пожарной опасности КЗ за счет использования быстродействующих предохранителей;

— разработка метода повышения эффективности электрической защиты по результатам количественной оценки пожарной опасности КЗ с учетом теплового спада тока и неблагоприятных сочетаний параметров защиты и электропроводки;

— развитие программного обеспечения для оценки пожарной опасности КЗ и выбора эффективной электрической защиты электроустановок объектов АПК.

Объект исследования. Процесс функционирования защиты от аварийных режимов в электроустановок до 1000 В при коротких замыканиях.

Предмет исследования. Обоснование мероприятий для повышения эффективности электрической защиты с целью снижения пожарной опасности коротких замыканий.

Методы исследования. Теория вероятностей, математическое моделирование, исследование операций, компьютерное моделирование.

Научную новизну представляют:

— критерии количественной оценки пожарной опасности коротких замыканий при неопределенном сочетании характеристик срабатывания электрической защиты и пережога электропроводки;

— обобщенный показатель уровня изоляции электропроводки, в совокупности характеризующий качество изоляции и протяженность электрической сети;

— метод повышения эффективности электрической защиты по результатам количественной оценки пожарной опасности коротких замыканий с учетом теплового спада тока и неблагоприятных сочетаний параметров защиты и электропроводки.

Практическую ценность работы представляют:

— методика выбора электрической защиты от коротких замыканий в условиях неопределенности параметров срабатывания;

— программный комплекс «СКЭД-380 (версия 2)», позволяющий оценивать состояние пожарной безопасности на объектах АПК и определять мероприятия по предупреждению пожаров от коротких замыканий;

— расчетный метод определения условий использования быстродействующих предохранителей и оценки функционирования резервирующих аппаратов защиты;

— метод сравнительной оценки пожарной опасности различных объектов или их групп, выделяемых по функциональным или территориальным признакам, по приведенным интегральным показателям пожарной опасности коротких замыканий.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития электрификации сельского хозяйства России (МСХ РФ, Минэнерго РФ, РАСХН / М., 2002 г.) и аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 — 2011 годы).

Научные положения, выводы и рекомендации использованы при реализации Госконтракта ГК -118/2009 с Управлением гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и пожарной безопасности (УГО ЧС и ПБ) в Алтайском крае на выполнение работ по обеспечению электропожаробезопасности путем совершенствования систем электрической защиты с применением устройств защитного отключения на 28 объектах Алтайского края, в том числе 27 сельских образовательных учреждений в рамках краевой целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного в Алтайском крае на 2005;2010 гг.» (Приложение А).

Методические рекомендации по созданию комплексной системы обеспечения безопасности электроустановок сельских населенных пунктов принята к использованию Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края (Приложение Б).

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы представлялись и обсуждались на XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2011 г.) — Всероссийской студенческой конференции «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи» (Челябинск, 2011 г.) — Международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Барнаул, 2011 г.) — Международной научно-практической конференции «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши» (Харьков, 2011 г.) — XI Международной научно-практической конференции аспирантов и студентов «Автоматизащя технолопчних об’екив та процеав. Пошук молодих.» (Донецк, 2011 г.) — ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2009, 2010, 2011 гг.) — XVII международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2011 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Для повышения эффективности электрической защиты электроустановок объектов АПК необходимо учитывать возможность неблагоприятного сочетания параметров ее срабатывания и характеристик пережога электропроводки при коротких замыканиях.

2. Неопределенность результатов расчетов показателей пожарной опасности коротких замыканий может быть снижена за счет учета неблагоприятных сочетаний параметров защиты и электропроводки и увеличения сопротивления цепи короткого замыкания из-за теплового спада тока.

3. Пожарная безопасность электроустановок при неблагоприятных сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки должна обеспечиваться на основе оптимальных систем электрической защиты при проведении мероприятий по отбраковке автоматических выключателей с характеристиками срабатывания выше среднейиспользованию быстродействующих предохранителейчастичному изменению сечения алюминиевой электропроводки на пожароопасных участках электрической сети.

4. Сравнительная оценка пожарной опасности различных объектов или их групп, выделяемых по функциональным или территориальным признакам, может производиться по приведенным интегральным показателям, рассчитываемых с использованием обобщенного показателя уровня изоляции, в совокупности характеризующего качество изоляции и протяженность электропроводки.

ВЫВОДЫ.

1. При благоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки, худшим из которых является С-С, высокая эффективность электрической защиты достигается при использовании оптимальных ПА-и ПАУ-систем. Максимальную противопожарную эффективность обеспечивают ПАУ-системы защиты, позволяющие практически полностью исключить пережог электропроводки при однофазных КЗ на корпус.

2. При неблагоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки, худшими из которых являются В-Н и С-Н, должны применяться дополнительные мероприятия, в том числе: отбраковка автоматических выключателей с характеристиками срабатывания выше среднейиспользование быстродействующих предохранителей взамен автоматических выключателейповышение сечения алюминиевой электропроводки или использование медной электропроводки на пожароопасных участках электрической сети.

3. Выбор дополнительных мероприятий для повышения эффективности защиты может производиться по техническим показателям (расчетные показатели пожарной опасности КЗ, наличие или отсутствие ограничений по применению высокочувствительных выключателей с характеристиками типа.

В", а также быстродействующих предохранителей и т. п.) с учетом экономических ограничений.

4. Использование количественных показателей позволяет оценить функционирование резервной электрической защиты и обоснованно выбирать мероприятия по повышению пожарной безопасности электроустановок.

5. Условные удельные затраты на внедрение оптимальных ПАУ-систем электрической защиты в 5 раз меньше удельных затрат на монтаж пожарной сигнализации и систем пожаротушения. Замена автоматических выключателей с установкой УЗО в 3 — 6 раз дешевле полной замены электропроводки. При этом существенно снижается число несчастных случаев из-за пожаров и электропоражений.

6. Перспективные направления использования результатов проведенных исследований определяются в рамках реализации принципа оптимальной безопасности, основой которого является повышение уровня безопасности не за счет крупных капитальных вложений, а путем оптимизации системы обеспечения безопасности в условиях ограниченных финансовых средств и ресурсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом выполненных исследований явились следующие выводы и рекомендации.

1. Для повышения безопасности электроустановок объектов АПК должны использоваться системы электрической защиты, выбранные с учетом пережигающего и пожароопасного действия дуговых КЗ в электропроводках и обеспечивающие низкие значения интегральных показателей пожарной опасности КЗ.

2. При оценке эффективности электрической защиты необходимо учитывать возможность неблагоприятного сочетания параметров ее срабатывания и характеристик пережога электропроводки при КЗ.

3. Неопределенность результатов расчетов показателей пожарной опасности КЗ может быть снижена за счет учета неблагоприятных сочетаний параметров защиты и электропроводки и увеличения сопротивления цепи короткого замыкания из-за теплового спада тока.

4. При оценке пожарной опасности КЗ в электроустановках объектов АПК целесообразно выделять системы защиты для объектов с повышенными требованиями к обеспечению пожарной безопасности, в том числе из-за тяжелых последствий возможного пожара. Расчеты показателей пожарной опасности для таких объектов должны выполняться с учетом возможности неблагоприятного сочетания параметров ее срабатывания и характеристик пережога электропроводки.

5. Пожарная безопасность электроустановок при неблагоприятных сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки повышается за счет оптимизации систем электрической защиты при проведении мероприятий по отбраковке автоматических выключателей с характеристиками срабатывания выше среднейиспользованию быстродействующих предохранителейчастичному изменению сечения алюминиевой электропроводки на пожароопасных участках электрической сети. Алюминиевые провода сечением 2,5 мм² целесообразно исключить еще на этапе проектирования системы электроснабжения и повысить тем самым пожарную безопасность при КЗ.

6. Сравнительная оценка пожарной опасности различных объектов или их групп, выделяемых по функциональным или территориальным признакам, может производиться по приведенным интегральным показателям, рассчитываемых с использованием обобщенного показателя уровня изоляции, в совокупности характеризующего качество изоляции и протяженность электропроводки.

7. Полного исключения пережога электропроводки при КЗ до срабатывания защиты, особенно при неблагоприятном сочетании характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки обеспечить невозможно. Поэтому необходимо дополнительно проводить мероприятия по предотвращению воспламенения пожароопасных материалов и веществ под действие дуговых КЗ.

8. Выбор мероприятий по повышению противопожарной эффективности электрической защиты может производиться с помощью программного комплекса «СКЭД-380 (версия 2)».

9. Условные удельные затраты на внедрение оптимальных ПАУ-систем электрической защиты в 5 раз меньше чем на монтаж пожарной сигнализации и систем пожаротушения. Замена автоматических выключателей с установкой УЗО в 3 — 6 раз дешевле полной замены электропроводки. При этом существенно снижается число несчастных случаев из-за пожаров и электропоражений.

10. Перспективные направления использования результатов проведенных исследований определяются в рамках реализации принципа оптимальной безопасности, основой которого является повышение уровня безопасности не за счет крупных капитальных вложений, а путем оптимизации системы обеспечения безопасности в условиях ограниченных финансовых средств и ресурсов.