Комплексные исследования пожароопасных режимов в сетях электрооборудования автотранспортных средств

Актуальность темы

исследования. Экономическое состояние любого государства во многом зависит от функционирования транспортной системы. При этом огромную роль в единой транспортной системе государства играет автомобильный транспорт.

С каждым годом в Российской Федерации растет потребность в автомобильных грузовых и пассажирских перевозках как внутри страны, так и в рамках различного рода связей с государствами ближнего и дальнего зарубежья. Поэтому происходит постоянное увеличение общего автомобильного парка, при этом прослеживается тенденция к его старению, физическому износу.

Наряду с задачей удовлетворения потребностей в автотранспортном средстве (АТС) решаются вопросы совершенствования конструкций современных АТС, повышения их безопасности и комфортабельности.

Современное автотранспортное средство (АТС) — это сложное сочетание технических устройств, являющихся последними достижениями науки, инженерной мысли и производства. В АТС конструктивно объединяются элементы и системы, в которых неисправности или экстремальные режимы эксплуатации могут быть опасны с точки зрения возникновения пожаров.

Пожары на АТС могут возникать от внешних и внутренних источников воспламенения. Причинами пожаров и взрывов на АТС является нарушение правил эксплуатации, правил обеспечения пожаробезопасное&tradeи взрывобезо-пасности, конструктивные недостатки АТС, эксплуатационные повреждения и повреждения при дорожно-транспортных происшествиях (ДТП), а также поджоги, в том числе и с сокрытием под техническую причину.

Согласно Федеральному закону «О пожарной безопасности» (от 21.12.1994 г. № 69-ФЗ), «пожар — неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства» .

Указанные в законе последствия характерны и для пожаров на АТС.

Число пожаров АТС достаточно велико. Например, статистические данные о пожарах в России свидетельствуют о значительной доле числа пожаров автотранспортных средств (АТС): в 2000 г. произошло 14 200 пожаров на автомобильном транспорте, что составляет 5,8% от общего числа пожаров в стране, а в 2001 г. этот показатель достиг 6,1% (14 995 пожаров).

Пожары на АТС относятся, как правило, к особо тяжелым авариям и часто приводят к травматизму и человеческим жертвам. Поэтому установление истинных причин пожаров в каждом таком случае необходимо, поскольку это позволяет выявить и подтвердить наличие или отсутствие состава преступления, помогает разработке и осуществлению конкретных мероприятий по предупреждению пожаров.

Одной из наиболее распространенных причин пожаров на АТС, согласно статистическим данным, являются пожароопасные проявления дефектов или нарушения правил эксплуатации электрооборудования. Электрооборудование современных АТС представляет источники и потребители электроэнергии соединенные по определенным, достаточно сложным схемам.

На электрооборудование в среднем приходится (20−30)% всех неисправностей АТС [62], что свидетельствует о его значительном влиянии на надежность и эффективность эксплуатации транспортных средств. Поэтому для увеличения надежности АТС в целом, и электрооборудования, в частности, а также для уменьшения пожарной опасности необходимо исследовать электрическое оборудование и аварийные режимы, происходящие в нем.

Поскольку электрооборудование АТС различно по своему назначению, но все же составляет единый многофункциональный комплекс, каждый элемент бортового электрооборудования АТС после происшедшего пожара должен исследоваться для того, чтобы попытаться обнаружить на нем признаки, свидетельствующие о наличии в нем аварийного явления, и объяснить связь этого явления с пожаром.

Изучение литературных источников [1−3,5,67,68,86] показало, что данной проблеме посвящены только отдельные фрагментарные исследования. Несмотря на ряд попыток исследовать пожарную опасность электрооборудования АТС, существенные какие-либо методические разработки на данный момент не были получены. При этом основное внимание исследователи уделяли электропроводке АТС как наиболее протяженному элементу электрооборудования и поэтому, естественно, наиболее подверженному повреждению по той или иной причине.

Выполненные ранее работы [1−3,9−10,16,66] не в полной мере отвечают вопросам, возникающим в практике исследования дефектов электрооборудования, приводящих к пожарам на АТС. Так, подавляющее большинство подобных исследований посвящено изучению механизма аварийных явлений в электроустановках переменного тока [1−3], главным образом при напряжении (220−380)В, в то время, как, на борту АТС электросеть снабжена источником постоянного тока (электрогенератора, аккумуляторной батареи) с напряжением, колеблю- ' щимся в пределах от 8 до 20 В. При столь низком напряжении условия для зажигания электрической дуги и ее поддержания существенно отличаются от тех, для которых разработаны существующие методики [1−3].

Наряду с этим, в элементах электропроводки АТС в штатном и аварийном режимах могут протекать токи большой велечины. Неоднозначно мнение специалистов и о том, можно ли при исследовании электропроводов бортовой электросети АТС воспользоваться методиками, разработанными для различных компонентов электросетей. Недостаточно выяснена роль аппаратов электрозащиты в обеспечении пожарной безопасности АТС в случае возникновения в бортовой электросети аварийных режимов.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена фактическим отсутствием методических разработок, позволяющих надежно диагностировать аварийные режимы, приводящие к пожарам в электрооборудовании АТС, и в то же время необходимостью проверки применимости существующих методических разработок к анализу аварийных режимов в бортовой электросети АТС.

Цель и задачи исследований. Цель настоящего диссертационного исследования состоит в совершенствовании методического обеспечения исследования причастности аварийных явлений в бортовом электрооборудовании АТС приводящих к возникновению пожаров.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Анализ пожарной нагрузки и компоновки основных элементов электрооборудования на АТС, а также их пожароопасности при штатных и аварийных режимах работы;

2) Анализ существующих методик исследования медных проводников со следами термического воздействия, изымаемых с мест пожаров;

3) Теоретический анализ состояния элементов электросети АТС при аварийных режимах работы с целью создания методики расчетного прогнозирования критических параметров;

4) Проведение экспериментальных исследований электропроводов, с целью установления аварийных пожарных режимов, установление визуальных диагностических признаков, характеризующих режим и условия термического разрушения;

5) Проведение экспериментальных исследований автомобильных плавких предохранителей электросетей АТС, с целью экспериментальных установлений критических параметров их срабатывания;

6) Подготовка методических рекомендаций по исследованию пожаров на.

АТС.

Объект и предмет исследования. Объектом данного исследования выступают пожароопасные аварийные процессы происходящие при аварийных режимах в сетях электрооборудования АТС.

Предметом исследования выступают закономерности формирования на предметах вещной обстановки при аварийных режимах в электрооборудовании.

АТС следов и признаков, позволяющих при проведении исследования диагностировать параметры и условия вызвавших их процессов.

Научная новизна диссертационного исследования. Данная работа представляет собой первое комплексное теоретическое и экспериментальное исследование пожароопасных аварийных режимов в электрических сетях АТС.

В результате экспериментальных исследований вскрыты особенности механизма следообразования на электропроводах при аварийных режимах, характерных для электросетей АТС:

— установлен характер закономерностей, регулирующих изменение морфологических и структурных характеристик электропроводников при термическом воздействии вследствие протекания тока, а также при термическом воздействии пожара;

— получены аналитические зависимости для расчета критических параметров электрических проводов и предохранителей электросетей АТС;

— предложен алгоритм выдвижения и проверки версий о причине пожара на АТС в зависимости от степени его термического повреждения, а также от состояния самого АТС и его основных систем;

— разработана структурная схема проведения исследований пожаров на.

АТС.

Практическая значимость исследования. Практическая значимость основных положений диссертационной работы заключается в создании научно обоснованных методических рекомендаций по исследованию пожаров на АТС с целью установления причин пожаров и проведении мероприятий для их предотвращения. Результаты исследования способствуют повышению уровня методического обеспечения исследования причастности аварийных явлений в бортовом электрооборудовании АТС при возникновении пожаров.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований использованы в учебном пособии «Исследование причин возгораний автотранспортных средств», (ГУ ЭКЦ МВД РФ, 2002) а также в учебном процессе по курсу «Расследование и экспертиза пожаров» в Академии ГПС МЧС России.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: 9-я конференция «Системы безопасности» (Академии ГПС МВД РФ, 2000) — «Криминалистика XXI век» (ГУ ЭКЦ МВД РФ, 2001) — 10-я конференция «Системы безопасности» (Академии ГПС МВД РФ, 2001).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в шести статьях и одном учебном пособии.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Комплексный подход при исследовании пожаров в электрооборудовании АТС, основывающийся на том, что электрооборудование АТС составляет единый многофункциональный комплекс, каждый элемент бортовой электроустановки АТС после происшедшего пожара должен исследоваться с целью обнаружения на нем признаков, свидетельствующих о наличии в нем аварийного явления, и объяснить связь этого явления с пожаром.

2. Уточнение условий и порядка применения существующих в настоящее время методик исследования медных проводников со следами аварийных режимов работы которые в исходном состояния неприменимы для диагностирования аварийных режимов в автомобильных электропроводках.

3. Система следов и признаков, полученная на основе результатов экспериментальных исследований автомобильных проводов.

4. Расчетный метод оценки критических параметров электроприборов при аварийных режимах в электрических сетях АТС.

5. Экспериментальная установка для моделирования аварийных режимов в элементах сети электрического оборудования автомобиля.

6. Результаты испытаний автомобильных плавких предохранителей.

7. Алгоритмы выдвижения версий причин пожаров на АТС.

8. Методические рекомендации по установлению причин пожаров на АТС.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность сотрудникам ГУ ЭКЦ МВД РФ за предоставление лабораторной базы при проведении и обработке экспериментов, руководству Академии ГПС МЧС России, всему профессорско-преподавательскому составу и лично: научному руководителю, профессору С. И. Зернову, доценту Н. П. Костареву, профессору М. Д. Безбородько, профессору Н. Г. Топольскому, доценту И. А. Лобаеву, доценту С. П. Воронову, ст. эксперту В. В. Пенькову, сотрудникам ФГУ ВНИИПО МЧС России за помощь и поддержку в проведении диссертационных исследований.

Выводы по главе IV.

1. При установлении причины пожара необходимо комплексно проводить исследование систем, узлов и агрегатов АТС которые могут иметь отношение к возникновению пожара, в сочетании с информацией об обстоятельствах происшествия, об исходном техническом состоянии АТС и результатам пожарно-технического исследования.

2. Разработана структурная схема проведения исследования причины возгорания АТС.

3. Исследование пожаров на АТС целесообразно проводить согласно разработанных алгоритмов выдвижения версий причин возникновения пожара в различных его состояниях и в зависимости от результатов проведенного осмотра.

4. Момент возникновения аварийного режима в виде КЗ, установленный с помощью инструментальных методов не должен однозначно ассоциироваться с наличием или отсутствием причинно-следственной связи КЗ с причиной пожара. Связь аварийного (аварийных) режимов с возникновением пожара на АТС можно установить лишь на основе комплексного исследования электрических и тепловых процессов, имеющих место на пожаре.

Заключение

.

По результатам диссертационных исследований получены наиболее важные следующие выводы:

Согласно статистическим данным, более 30% пожаров на АТС в РФ произошли по вине электрооборудования — в результате неисправности или нарушений правил эксплуатации. При этом электрическая проводка является самым уязвимым элементом электрооборудования АТС.

В результате анализа опубликованных работ установлено, что в настоящее время не имеется экспертных методик, предназначенных для исследования причастности аварийных режимов в электросети АТС к возникновению пожаров. Ныне существующие методики предназначены для установления причин разрушения электропроводов напряжением 220В-380 В, в то время как в АТС напряжение в электрооборудовании составляет преимущественно 12 В, при этом вышеупомянутые методики разработаны для однопроволочных проводов, в электросети же АТС используются только многопроволочные медные провода.

Для решения поставленных в настоящей работе задач создана экспериментальная установка токового нагружения, позволяющая плавно регулировать постоянный электрический ток. Созданная экспериментальная установка может быть рекомендована для использования при оснащении лабораторий, в которых проводятся исследования аварийных режимов работы электрооборудования, в том числе при изучении их связи с возникновением пожаров.

Установлено, что локальное оплавление металла жилы провода в результате термических воздействий на провода, характерных для аварийных режимов при диффузионном горении пожарной нагрузки АТС, маловероятно, особенно, в условиях непродолжительного по времени пожара.

При возникновении аварийных режимов в виде КЗ разрушение материала жилы провода может происходить как в месте непосредственного контактирования жил (дуговое КЗ), так и в любом другом месте (возможно на значительном удалении) по механизму перегрузки (в месте контакта происходит «зали-пание» или металлическое КЗ).

При морфологическом исследовании проводов, разрушенных локальными термическими воздействиями и аварийным режимом в виде КЗ, формируются схожие визуальные признаки.

По выявленным признакам возможно отличать аварийные режимы в виде КЗ от аварийных режимов в виде перегрузок.

Рентгеноструктурное исследование разрушенных автомобильных проводов не позволяет однозначно ответить на вопросы о причине их разрушения, а также момента КЗ.

Иная конструкция применяемых проводов в АТС требует иной методики отбора и пробоподготовки исследуемых образцов, отличной от методики для обычных однопроволочных электропроводов;

При проведении исследований установлено, что при аварийных режамах в электропроводах АТС не образуются такие диагностические признаки, которые могли бы быть надежно выявлены согласно ныне существующих методик современными научно-техническими средствами при установлении времени (момента) возникновения аварийного режима в виде КЗ относительно начала пожара;

Отличить разрушение проводов внешним локальным термическим воздействием от других видов разрушений возможно лишь путем комплексного анализа морфологических признаков и результатов металлографического исследования;

В сравнительных экспериментах установлено, что вид тока (переменный, постоянный ток) при прочих равных условиях аварийного режима в электропроводе не оказывает какого-либо влияния на процесс разрушения медных проводов и образующиеся при этом признаки.

Полученные с использованием разработанного расчетного метода данные о нагревании электропроводов под токовой нагрузкой до критического порога сохранности изоляции в целом совпадают с экспериментальными данными, что позволяет прогнозировать нагрев провода в зависимости от токовой нагрузки и условий окружающей среды.

Параметры срабатывания аппаратов защиты в значительной степени предопределяют возможность возникновения опасных факторов аварийных режимов в электрооборудовании АТС.

Автомобильные плавкие предохранители, серийно выпускаемые и реализуемые через торговую сеть, не всегда соответствуют по своим характеристикам требованиям норм. Было зафиксировано опасное перегревание контактов-предохранителей, плавление и обугливание корпуса и даже их возгорание. В этой связи представляется необходимым более строго подходить к конструкции самих применяемых предохранителей, их крепежу, контролю их качества и порядку размещения аппаратов защиты на АТС в зависимости от назначения защищаемых электроцепей.

При установлении причины пожара необходимо в комплексе проводить исследование систем, узлов и агрегатов АТС которые могут иметь отношение к возникновению пожара, в сочетании с информацией об обстоятельствах происшествия, об исходном техническом состоянии АТС и результатам пожарно-технического исследования.

Проведение исследования причины возгорания АТС должно осуществляться системно, с использованием предложенной в настоящей работе структурно-логической схемы.

Проведение исследование пожаров на АТС целесообразно проводить согласно разработанных алгоритмов выдвижения версий причин возникновения пожара в различных его состояниях и в зависимости от результатов проведенного осмотра.

Момент возникновения аварийного режима (до или после пожара) в виде КЗ, установленный с помощью инструментальных методов, упомянутых выше, не должен однозначно ассоциироваться с наличием или отсутствием причинно-следственной связи КЗ с причиной пожара. Связь аварийного (аварийных) режимов с возникновением пожара на АТС можно установить лишь на основе комплексного исследования электрических и тепловых процессов, имеющих место на пожаре.

Условные обозначения функций:

АТСавтомобильное транспортное средство;

АКБаккумуляторная батарей;

КЗкороткое замыкание;

ГЖгорючая жидкость;

ГГгорючий газ;

ДТПдорожно-транспортное происшествие, авария;

Q — количество теплоты, Дж;

I — сила тока Ат — время, секунд;

R — сила тока, Ом;

V — напряжение, В;

Р — мощность тока, Вт;

Ккз — коэффициент кратности сверхтока;

— ток КЗ, АIд — допустимый длительный ток, А- 1Р — рабочий ток, А;

1ном, — допустимый электрический ток, А;

1 доп. ~ допустимый электрический ток, А;

UKпадение напряжения на контактном соединении, В;

RKпереходное электрическое сопротивление, Ом;

ТУ среднеобъемная температура контакт-деталей, К;

Тисреднеобъемная температура электроизделия, К;

Sdсуммарную площадь поверхности контакт-деталей, м ;

Sплощадь поверхности изделия или защитной оболочки, м — пколичество максимально возможных последовательно включенных в электрическую цепь ядер плохого контакта на полюс изделияШт — падение напряжения на контактном соединении в режиме плохого контакта, Вi — порядковый номер «плохого» контакта;

AUiX п — падение напряжения при протекании электрического тока через переходное сопротивление г-го ядра «плохого» контакта при средне-объемных температурах контакт деталей Т и Тп, ВТтп — температура плавления материала /-го электроконтакта, КТкдосреднеобъемная температура контакт-деталей, КТп — нормальная среднеобъемная температура контакт-деталей — 290К;

AUT — значения падения напряжений на контактных парах деталей, ВТстемпературе окружающей среды, ККом ~ номинальный ток срабатывания предохранителя, Аts — время от начала включения тока 51шм в холодном состоянии до появления дуги, с.

1погр — пограничный ток срабатывания плавкого предохранителя, А;

Т — температура плавкого элементас1 -удельная теплоемкость плавкого элементащ — масса плавкого элемента, кг;

Rf) — электрическое сопротивление плавкого элемента при 273К;

Foxn — поверхность охлаждения- - температурный коэффициент сопротивленияакоэффициент теплоотдачи;

Т0 -температура окружающего пространства. к2 — нагрузочный параметр;

Тном — температура плавкого элемента в номинальном режиме, Ки.

Тт — температура плавления металла плавкого элемента, КЛ — коэффициент теплопроводности материала вставкиS — площадь поперечного сечения вставкиР — периметр поперечного сечения вставки.

1пф — фактический пограничный ток, А;

S0XJl — площадь поверхности предохранителя;

Тср — средняя температура поверхности предохранителя.

Я, — коэффициент теплопроводности материала шиныах — коэффициент теплоотдачи с поверхности шины;

Sm — площадь поперечного сечения шины;

Prop — периметр поперечного сечения шины. аюл — коэффициент теплоотдачи излученияs — степень черноты охлаждаемой поверхностиаккоэффициент конвективной теплоотдачиriрадиус токопроводящей жилы провода;

Г2 — радиус проводаtH — температура поверхности изоляцииtc — температура окружающей провод средыtM — температура поверхности жилы провода. Си — удельной теплоемкостью изоляции;

Ли — коэффициентом теплопроводности изоляцииСм — удельной теплоемкостью металла жилы проводаЛм коэффициентом теплопроводности металла жилы провода- /?- температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/мр — удельное электрическое сопротивление 1 м проводника, Ом/мRu — сопротивление тепловому потоку (тепловая энергия рассеиваемая в окружающую среду, предварительно пройденная через изоляцию);

Raдополнительное сопротивление тепловому потоку наружной поверхности изоляцииqe — тепловой поток;

К2- коэффициент обратный сопротивлению теплоотдачи от провода в окружающую средуТрпдрасчетные критические значения времени нагрева изоляциитэпдэкспериментальные значения времени нагрева изоляцииX — массовая доля кислорода в сплаве,.

Fзет*&trade-." площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эвтектикой.