14

Возможность посетить атомный авианосец и рассмотреть проблемы его пожарной безопасности изнутри удается очень немногим. Тем не менее, эта возможность виртуально будет предоставлена любому студенту, который приступит к выполнению лабораторной работы. Допустить пожар на таких ответственных объектах, как корабль не позволено никому. Только расчет, анализ результатов и определение места возникновения пожарной опасности в результате повреждения изоляции или снижения ее сопротивления до недопустимых значений могут вовремя предупредить чрезвычайную ситуацию. Аналогичные проблемы, связанные с пожарной опасностью, могут возникнуть на многих ответственных объектах. Знание причин, методы прогнозирования и оценка риска возникновения нужны любому электрику, тем более выпускнику электротехнического университета.

Лабораторная работа №2 (15). Дистанционное определение места повреждения изоляции в электроустановке с распределенной нагрузкой

Цель работы: изучить метод определения места повреждения изоляции в электрооустановке с помощью вычислений.

Общие сведения

Основные определения. Электроустановка – это совокупность машин, аппаратов, линий связи и вспомогательного оборудования, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии.

Каждый узел электрической схемы электроустановки имеет определенное значение сопротивления изоляции R_i относительно земли (корпуса автономного объекта). Состояние изоляции электроустановки в целом характеризуется значением эквивалентного сопротивления изоляции

R = ( 1/R_i )^-1 . (1)

В процессе эксплуатации электроустановки под влиянием внешних возмущающих факторов (увлажнение, загрязнение, механические воздействия и пр.) формируются повреждения электрической изоляции, способствующие возникновению пожара.

Принципы горения вещества. Процессы горения обычно формируются под действием химических реакций окисления, то есть соединения вещества с кислородом воздуха. Горение – это быстрое окисление, при котором выделяется энергия в виде тепла и света.

Таким образом, для формирования классического процесса самостоятельного горения при снятом рабочем напряжении необходимы два условия – наличие горючего вещества и наличие окислителя (например, кислорода воздуха).

Но этого недостаточно. Необходимо наличие так называемого треугольника горения, две стороны которого образованы указанными двумя условиями, а третья сторона (третье условие формирования процесса горения) - нагрев вещества до температуры самовоспламенения (рис. 1).

Дело в том, что любое вещество может гореть только в газообразном состоянии, когда его молекулы окружены молекулами кислорода воздуха. В твердых веществах молекулы связаны, только отдельные молекулы свободны (за счет испарения), основная часть молекул связана. Поэтому для того, чтобы твердое вещество начало гореть, оно должно перейти в газообразное состояние. Этот процесс называется пиролизом и представляет собой химическое разложение вещества под воздействием тепла. Процесс самостоятельного горения формируется только в том случае, когда пары вещества смешиваются с воздухом в достаточном количестве и при этом подогреваются до температуры самовоспламенения (табл. 1).

Рис. 1. Треугольник самостоятельного горения

Таблица 1

Температура самовоспламенения электротехнических материалов

Материал Температура самовоспламенения, С

Полиэтилены 390…422

Полистиролы 371…496

Поливинилхлорид 454…495

Фторопласт 600

Бумага 230

Гетинакс 480

Текстолит 500

Каучук натуральный 375

Резина 350

Трансформаторное масло 270

Теплота, необходимая для нагрева до температуры самовоспламенения, сообщается веществу от источника зажигания (пламя от постороннего источника, электрический разряд, тепло от нагретых токоведущих частей, искры удара или трения, тепло механической работы или химической реакции и пр.).

Дуговые замыкания, происходящие в электрооборудовании под рабочим напряжением, не требуют присутствия окислителя.

При снижении сопротивления изоляции в месте повреждения (загрязнение, увлажнение и т. п.) увеличивается ток, протекающий под действием рабочего напряжения сети; соответственно повышается температура нагрева этого места. Повышение температуры нагрева изоляционного материала, имеющего ионную проводимость, снижает его сопротивление, что приводит к соответствующему увеличению тока. Последнее вызывает новое повышение температуры и соответствующее дополнительное снижение сопротивления изоляции. Процесс нарастания электрического тока продолжается до тех пор, пока не установится равновесие между теполовыделением и теплоотводом (при какой-то установившейся температуре перегрева). В случае, когда условия охлаждения не соответствуют интенсивности тепловыделения в месте повреждения, наступает лавинообразное нарастание тока, приводящее к тепловому разрушению материала и дуговому замыканию. Этот процесс иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 2.

На рис. 2 показаны зависимости тока утечки через изоляцию от сопротивления изоляции между контактами I_у(R_и) (кривая 1), сопротивление изоляции от температуры нагрева R_и(T) (кривая 2) и температуры нагрева от тока утечки через изоляцию T(I_у) (кривая 3).

В каком-то установившемся режиме сопротивление изоляции имело значение R₁. Пусть произошло локальное повреждение изоляции, при котором ее сопротивление уменьшилось до значения R₂. Тогда сила тока утечки возрастает и становится равной I_у2; соответственно повышается темпера­тура нагрева изоляции до T₂, а значение сопротивления изоля­ции от нагрева уменьшается на R и становится равным R₃ < R₂. Далее следует возрастание силы тока до I_у3, повышение температуры до T₃, соответствующее снижение значения сопро­тивления изоляции до R₄ и вновь дальнейшее увеличение силы тока, приводящее к росту температуры нагрева изоляции (про­цесс изменения параметров на рис. 2 указан стрелками).

Следует учесть, что в отличие от приведенного на рис. 2, реальные процессы имеют более сложную зависимость, в част­ности, здесь не учтены условия теплоотдачи, начальное увлажне­ние изоляции, вид дефекта и другие факторы.

Рис. 2. Графики, отражающие возникновение теплового пробоя изоляционной конструкции

Таким образом, снижение сопротивления изоляции изде­лия может привести к различным пожароопасным ситуациям (возгоранию изделия с возможностью последующего воспла­менения окружающего оборудования) и к выходу изделия из строя. Поэтому существуют нормы значений R отдельных изделий, и в случае их снижения необходимо принимать меры к устранению неисправности. Например, в соответствии с Пра­вилами Регистра электрические машины и трансформа­торы должны иметь в нагретом состоянии сопротивление изоля­ции не ниже 1 МОм, пускорегулирующая аппаратура – 5 МОм, распределительные щиты – 1 МОм, фидер силовой сети и сети освещения – 1 МОм и т. д.

Следует иметь в виду, что нормы сопротивления изоляции устанавливаются на основе имеюще­гося опыта изготовления, испытаний и эксплуатации изделий. Норма – значение, ниже которого сопротивление изоляции обычно не уменьшалось при воздействии нормальных эксплуа­тационных факторов. Экспериментами установлено, что возго­рание изоляционных конструкций возможно в тех случаях, когда в месте повреждения выделяется мощность более 17 Вт, что эквивалентно начальному снижению значения сопротивления изоляции до 0.2…0.6 кОм в трехфазной сети напряжением 380 В. Поэтому при снижении сопротивления изоляции необходимо принимать меры к устранению неисправности.

Изоляция токоведущих жил и наружная шланговая оболочка кабелей обычно изготавливаются из горючих материалов; поэтому пучки кабелей, проложенные на объектах, по существу являются своеобразными складами горючего материала, причем складами неохраняемыми и обычно не оборудованными средствами пожарной сигнализации и пожаротушения. Пожары в кабельных хозяйствах приводят к повреждению не только самих кабельных линий, но и подключенного к ним электрооборудования, прилегающего оборудования и строительных конструкций; они могут послужить причиной выхода из строя всего объекта. Так, по данным Главного управления пожарной охраны число пожаров, происходящих в кабельных сооружениях электростанций, составляет меньшую часть от общего количества пожаров в электроустановках, однако убытки от них превышают половину общей суммы убытков.

Наиболее важной теплотехнической характеристикой горючих веществ является теплота сгорания (теплотворная способность, то есть количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы (кг) или единицы объема (м³) вещества) (табл. 2).

Применительно к пожарам в кабельных сооружениях этот параметр, в частности, определяет суммарное количество выделяющегося тепла и температуру горения (пожара). Из приведенных данных видно, что в пожарном отношении наиболее опасны пластмассы; так, при сгорании 1 кг резиновой изоляции выделяется тепла в 1.6 раза больше, чем при сгорании дубовых дров (2500 ккал/кг), а для полиэтиленовой изоляции этот показатель равен 4.6. Заметим, что полиэтиленовая изоляция в 1.6 раза эффективнее такого горючего материала, как антрацит (7500 ккал/кг), принимаемый в качестве условного топлива.

Поэтому для обеспечения условий безопасности обслуживающий персонал, получив информацию о снижении значения эквивалентного сопротивления изоляции электроустановки, должен найти место повреждения (номер узла схемы) и оперативно устранить неисправность.

Таблица 2

Теплотворная способность электротехнических материалов

Материал	Теплотворная способность, ккал/кг
Наиритовая резина ШН-40	4573
Изоляционная резина	4027
Полиэтилен изоляционный	11491
Поливинилхлорид изоляционный	5949
Поливинилхлорид шланговый	6158
Прорезиненный миткаль	3004
Кабельная бумага	3799
Стеклопряжа	2165
Алюминий	7860

Методы поиска мест повреждений изоляции. Обычно операция поиска места повреждения изоляции выполняется с применением переносного мегомметра, когда с электроустановки снимается рабочее напряжение и она разбивается на отдельные участки, Этот процесс достаточно трудоемок и требует снятия рабочего напряжения с электроприемников (нарушения производственного процесса). Поэтому зачастую не представляется возможным оперативно выполнить поиск места повреждения, и в результате электроустановка эксплуатируется в пожароопасном режиме.

В данной лабораторной работе поиск узла с поврежденной изоляцией выполняется методом аналитического расчета под рабочим напряжением дистанционно от распределительного щита питания. В распоряжении оператора имеются прибор контроля эквивалентного сопротивления изоляции (щитовой мегомметр) и миллиамперметр (тестер).

Объект исследования. Электроустановка с распределенной нагрузкой состоит из источника электроэнергии с распределительным щитом, последовательно соединенных электроприемников и линий связи между ними. К ним относятся электроустановки цехов электролиза цветных металлов, обмотки размагничивания кораблей, аккумуляторные батареи, термогенераторы и пр.

В лабораторной работе приведена часть схемы обмотки размагничивания (рис. 3,а). Обозначения на схеме: r₁, r₂ ....., r_n – сопротивления витков обмотки, R₁, R₂, ......., R_n+1 – сопротивления изоляции витков, U – напряжение источника питания.

Метод расчета. В основу метода поиска места повреждения изоляции заложена оценка значений потенциалов узлов сети относительно корпуса объекта (земли) при замыкании одного полюса источника электроэнергии на землю через миллиамперметр. Диаграмма распределения потенциалов по виткам обмотки приведена на рис. 3,б где ₀ = 0 – потенциал полюса источника питания, к которому подключен миллиамперметр, _n = U – потенциал другого полюса источника питания. На графике рис. 3,б на оси абсцисс указаны номера узлов схемы, а по оси ординат отложены соответствующие им потенциалы.

Рис. 3

В каждом конкретном случае, зная значения сопротивлений r_i, можно рассчитать значения потенциалов _i по формуле

_i =  (2)

и построить диаграмму распределения потенциалов, аналогичную приведенной на рис. 3,б. Эта диаграмма стационарна относительно осей координат – положения ее точек не зависят от значения сопротивлений изоляции, так как внутреннее сопротивление миллиамперметра и значения сопротивлений R_i << r_i.

Методика расчета координат места повреждения сводится к следующему. Пусть R_н - начальное значение эквивалентного сопротивления изоляции сети, а I_н - соответствующее ему значение тока в цепи замыкания полюса источника питания на землю; R_k – эквивалентное значение сопротивления изоляции сети после повреждения изоляции одного из узлов, зафиксированное прибором контроля изоляции, а I_k – соответствующий этому значению ток в цепи замыкания полюса источника питания на землю.

Согласно формуле (1)

R_к = , (3)

где R – дополнительное сопротивление пути утечки в месте повреждения изоляции. Из (3) находим значение последнего:

R = . (4)

Приращение тока в цепи искусственного замыкания на землю через миллиамперметр после повреждения изоляции

I = I_к – I_í (5)

обусловлено наличием сопротивления R , то есть весь ток I протекает через сопротивление R. Поэтому напряжение

U_п = RI (6)

соответствует потенциалу узла с поврежденной изоляцией

U_п = _п. (7)

Определив на диаграмме распределения потенциалов точку, соответствующую напряжению U_п , на оси абсцисс находим N_п – номер узла с поврежденной изоляцией.

Работа выполняется на персональном компьютере в файле “simulator”. В верхней части экрана ПК (рис. 4) работают клавиши: “Captan” (преподаватель), “Студент”, “Калькулятор”, “Помощь”. На экране показаны авианосец “Адмирал Горшков” и его горизонтальная обмотка размагничивания, состоящая из 11 секций, каждая из которых может иметь различное количество витков (виток - это жила кабеля, проложенная по наружному или внутреннему периметру корабля).

Рис. 4. Общий вид входного окна лабораторной установки

После нажатия клавиши “Исходные данные” преподаватель выдает задание студенту на выполнение работы. Окно ввода параметров показано на рис. 5. Количество секций (витков) обмотки может изменяться в диапазоне 1…500; напряжение питания обмотки – в диапазоне 10…350 В; общее эквивалентное сопротивление изоляции обмотки до повреждения – в диапазоне 100 МОм и ниже; общее эквивалентное сопротивление изоляции обмотки после повреждения – на 10 % и более ниже начального значения; вводится также значение сопротивления каждого витка обмотки (доли омов) и в тайне от студента – номер узла обмотки с поврежденной изоляцией.

Как указывалось выше, для расчета необходимо знать значения токов при замыкании полюса обмотки на землю (корпус корабля) до повреждения изоляции и после повреждения изоляции.

Рис. 5. Вид окна ввода исходных данных для расчета

Р ис. 6. Вид окна результатов расчета

В натурных условиях для этого используют тестер. Так как в компъютер введена математическая модель обмотки, то расчет токов производится по специальной подпрограмме. Эти значения выводятся также на табло “Исходные данные” после введения преподавателем номера поврежденного узла. Студент рассчитывает диаграмму распределения потенциалов витков, и после нажатия клавишы “Расчет” вводит в таблицу полученные данные (рис. 6).Там же расположена сетка координат (N) распределения потенциалов по узлам схемы.