МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ
ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ
И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА «ЗНАК ПОЧЕТА»
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ
ЭКСПЕРТНОЕИССЛЕДОВАНИЕПОСЛЕПОЖАРА
КОНТАКТНЫХУЗЛОВЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ВЦЕЛЯХВЫЯВЛЕНИЯПРИЗНАКОВБОЛЬШИХ
ПЕРЕХОДНЫХСОПРОТИВЛЕНИЙ
Методическиерекомендации
Москва 2008
Изложены основы процессов, протекающих при БПС. Даны методические рекомендации по исследованию электрических контактных соединений с целью выявления признаков БПС. Предложены инструментальные методы выявления и фиксации следов протекания БПС.
Рекомендации предназначены для практической работы при проведении экспертиз по делам о пожарах и электротехнических экспертиз, а также для обучения пожарно-технических экспертов МЧС и МВД России.
Разработаны Санкт-Петербургским филиалом ФГУ ВНИИПО МЧС России (канд. техн. наук К.Б. Лебедев; А.Ю. Мокряк; д-р техн. наук, проф. И.Д. Чешко).
Согласованы Департаментом надзорной деятельности МЧС России 9 июня 2008 г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. СЛЕДЫ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В «ПЛОХОМ КОНТАКТЕ», И МЕТОДЫ ИХ ВЫЯВЛЕНИЯ
1.1. Общие сведения о пожароопасном процессе. Большое переходное сопротивление (БПС)
1.2. Разновидности БПС.Микроскопические методы выявления следов протекания БПС
1.3. Рентгеноструктурный анализ
2. РАБОТА НА МЕСТЕ ПОЖАРА
3. НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ ЭКСПЕРТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. ВИЗУАЛЬНЫЙ ОСМОТР
4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Приборы и оборудование
4.2. Методика проведения исследования
4.2.1 Морфологический анализ методом оптической микроскопии с помощью компьютерного анализатора изображения
4.2.2. Морфологический анализ методом РЭМ
4.2.3. Исследование методом РСА
4.2.4. Этапы экспертного исследования
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В ЭКСПЕРТИЗЕ ПОЖАРОВ
6. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Безопасная эксплуатация промышленных предприятий, объектов сельского хозяйства, зданий общественного назначения, жилых домов во многом зависит от технического состояния электрооборудования, электроустановок и электроприборов. По данным ВНИИПО МЧС России [1], пожары от электрооборудования в целом по стране составляют 26 %, на предприятиях некоторых министерств и ведомств доля пожаров от электроустановок достигает 38 %, в жилых домах - 32 %, а в жилых домах индивидуального пользования до 70 % пожаров происходит от электроустановок.
В специальной литературе выделяют следующие основные пожароопасные аварийные режимы в электросетях и установках, которые могут привести к возникновению горения: полное (металлическое) короткое замыкание (КЗ), неполное КЗ, перегрузка, большое переходное сопротивление (БПС), вихревые токи, искрение [2, 3-7].
Наиболее изученным (как с пожарно-профилактической, так и экспертно-криминалистической точек зрения) пожароопасным режимом является КЗ. Во ВНИИПО, под руководством профессора Г.И. Смелкова, разработана инструментальная методика установления момента возникновения КЗ на медных и алюминиевых проводах, позволяющая дифференцировать дуговые оплавления, возникшие в результате так называемых «первичных» и «вторичных» КЗ [3, 6-8, 9]. Свое развитие методика получила в работах ЭКЦ МВД России [5, 10]. В статье [4] предложена методика установления причастности токовых перегрузок к возникновению пожара.
БПС, или, как его еще называют, «плохой контакт» - один из наиболее распространенных пожароопасных режимов в электросетях. Иногда следы локального нагрева, возникающего при БПС, видны невооруженным глазом, и зафиксировать их наличие несложно. Однако в большинстве случаев выявление и фиксация после пожара следов БПС представляет нелегкую задачу. Экспертам при поисках следов БПС (если такие поиски проводятся вообще) приходится действовать интуитивно, так как непонятно, что собственно необходимо искать, какими методами и техническими средствами. Непонятно, какие выявленные следы могут рассматриваться в качестве квалификационных признаков БПС, насколько они способны сохраняться и видоизменяться в ходе пожара. Это приводит к тому, что на практике следы данного пожароопасного режима, как правило, не выявляются, его причастность к возникновению пожара не доказывается. А ведь по мнению специалистов, БПС - одна из наиболее распространенных «электротехнических» причин пожаров, гораздо более частая, нежели другие.
В данных методических рекомендациях кратко изложен механизм возникновения и протекания БПС как пожароопасного аварийного режима, даны рекомендации по изъятию потенциальных вещественных доказательств с места пожара и их исследованию в лабораторных условиях. Приведены примеры практического применения методики.
1. СЛЕДЫ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В «ПЛОХОМ КОНТАКТЕ», И МЕТОДЫ ИХ ВЫЯВЛЕНИЯ
1.1. Общие сведения о пожароопасном процессе. Большое переходное сопротивление (БПС)
БПС, или «плохим контактом», называют аварийный пожароопасный режим, возникающий при переходе электрического тока с одного проводника на другой (отсюда термин - переходное) [2]. Выделение тепла в контактных переходах электрических цепей является одной из причин возникновения аварийных режимов в электрооборудовании и технологических установках. Излом провода при сохранении контакта жила-жила, дефекты токопроводящих шин, жил проводов и кабелей, старение электрических контактных соединений, некачественная сборка контактных узлов способствуют возникновению длительных устойчивых тепловых режимов, приводящих к разрушению изоляции и защитных оболочек, загораниям и другим отрицательным последствиям.
Пожарная опасность электрического соединения в режиме «плохого контакта» способна проявиться при номинальных значениях электрического тока или даже при значениях тока меньше номинального. В режиме «плохого контакта» переходное сопротивление и падение на нем напряжения в десятки и сотни раз превышают нормативные значения (падение напряжения составляет единицы вольт вместо долей милливольта, а рассеиваемая электрическая мощность - сотни ватт). Вероятными источниками зажигания при этом являются нагретые проводники, электрическая дуга, раскаленные или горящие частицы. В режиме БПС создаются поля повышенных температур и концентраций продуктов пиролиза полимерных материалов. Происходит оплавление деталей изоляции проводов и контакт-деталей [11].
В некоторых случаях вследствие БПС возможно возникновение так называемого неполного короткого замыкания. Этому способствует потерявшая свои диэлектрические свойства изоляция, которая карбонизируется в результате длительного локального нагрева в месте «плохого контакта». В противоположность прямому КЗ неполные замыкания, как правило, ведут к пожарам даже при правильно выбранной защите вследствие того, что сопротивление места повреждения, ограничивая ток, поддерживает его на уровне, недостаточном для срабатывания аппаратов защиты.
Как известно, БПС возникает, в частности, в случае недостаточной площади контакта между проводниками, в результате чего в месте соприкосновения происходит значительное выделение тепла (на единицу площади). Данное тепловыделение приводит к деформации контактировавших поверхностей и к еще большему уменьшению площади соприкосновения контактов. В результате проведенных исследований [12] было установлено, что в какой-то момент данный процесс может привести к возникновению микроскопических дуговых разрядов между контактировавшими поверхностями. Данные электрические разряды значительно повышают температуру контактного узла и, следовательно, его пожарную опасность.
1.2. Разновидности БПС.
Микроскопические методы выявления следов протекания БПС
БПС, с точки зрения пожарной опасности, может быть двух видов: искрение (искровой режим) и локальный нагрев (безыскровый режим). Эти виды БПС могут встречаться как раздельно, так и одновременно в одной точке цепи в зависимости от внешних условий (температуры, влажности, агрессивности среды), силы тока и других факторов (вибрации и т.д.).
Многочисленные микроразряды оставляют на контактных поверхностях следы электроэрозии в виде кратеров, микрооплавлений, хребтов (далее подобные следы называются дефектами, характерными для БПС). Данная структура, возникающая на контактах из различных материалов (алюминия, меди, стали, латуни и др.), хорошо наблюдается при исследовании поверхности с помощью растровой электронной микроскопии - РЭМ (рис. 1), а также методом оптической микроскопии при использовании компьютерного анализатора изображения (рис. 2-5).
Рис. 1. Поверхность алюминиевого проводника со следами БПС.
Хребты - светлые участки, впадины - темные участки (РЭМ, 280х)
Если искрения в месте контакта не происходит, но площадь контакта недостаточна для нормального прохождения тока, в месте соприкасания контактирующих проводников также происходит локальное повышение температуры, способное привести к проплавлению контактирующего участка. Следы, образующиеся при данном виде БПС, имеют следующий вид: участки проплавления расположены на большой площади, при их исследовании со значительными увеличениями (300х-1200х) можно различить округлую, без граней и острых кромок структуру. Внешне такая структура напоминает волны (рис. 2). Ярко выраженные кратеры, впадины и микрооплавления в ней отсутствуют. Поскольку проплавление имеет значительные геометрические размеры, то и впадины, характерные для режима искрения, на ней отсутствуют.
Рис. 2. Поверхность алюминиевого проводника со следами БПС
(оптический микроскоп совместно с анализатором изображения*, 50х)
х) Далее сокращенно ОМ
Рис. 3. Поверхность алюминиевого проводника со следами БПС (ОМ, 100х)
Как было отмечено выше, в ходе протекания БПС может возникнуть комбинация искрового и безыскрового режимов. На рис. 4 показан один из возможных результатов подобной электроэрозии. На поверхности алюминиевого проводника сочетаются волнообразные участки - следствие безыскрового воздействия и микрооплавления - результат интенсивного искрения.
Оптическая микроскопия совместно с компьютерным анализатором изображения позволяет зафиксировать перечисленные выше признаки БПС при относительно небольших увеличениях (50х-500х), несмотря на недостаточную глубину резкости микроскопа (разрешение этой проблемы подробно рассмотрено в главе 4).
Метод РЭМ эффективнее, нежели исследование с помощью оптической микроскопии, так как обеспечивает более высокое качество изображения при больших увеличения (до 5000х).
Рис. 4. Поверхность алюминиевого проводника со следами БПС (ОМ, 200х)
Рис. 5. Поверхность медного проводника, усеянная микрооплавлениями и микробрызгами (ОМ, 100х)
На алюминиевых проводах и деталях описанная выше картина обычно сохраняется после пожара практически вплоть до температуры плавления алюминия и может быть зафиксирована с помощью оптического микроскопа или РЭМ.
Сложнее обстоит дело с медными проводами и контакт-деталями. При нагреве выше 300°С на их поверхности образуется пленка оксида меди (II) СuО, которая легко отделяется при механическом воздействии. В результате структура поверхности металла может приобрести вид, схожий по ряду признаков со структурой поверхности, образующейся в результате воздействия процессов, характерных для БПС. В этом случае морфологические исследования не позволяют сделать однозначный вывод о наличии либо об отсутствии следов БПС [3].
Образование оксидной пленки и отделение ее с поверхности возможно и на контактах из других материалов - латуни, стали и т.д. Поэтому для установления природы наблюдаемых дефектов на контакте предлагается следующее.
При изготовлении любых деталей на их поверхности остаются технологические дефекты (далее «технологические следы») - полосы волочения на проводах, следы инструментов (резца, фрезы, штамповки) на других деталях. Указанные технологические следы имеют, как правило, характерный линейный рисунок, который значительно отличается как от вида дефектов при электроэрозии, так и от рисунка поверхности после схода оксидной пленки. Таким образом, наличие технологических следов на контактирующих элементах является своеобразным индикатором того, что поверхность не видоизменилась в результате отслоения окисла.
Исчезновение технологических следов свидетельствует об изменении поверхностного слоя исследуемого объекта и возможной утрате признаков БПС или, наоборот, о возможном появлении новых дефектов, вызванных неравномерным отслоением пленки оксида (рис. 6). В этом случае дополнительно к оптической микроскопии или РЭМ рекомендуется применять еще один метод - рентгеноструктурный анализ (РСА) подходящих к контактному узлу медных проводов.
Рис. 6. Поверхность медного проводника на нагретом участке при отсутствии режима БПС (РЭМ, 1900х)
1.3. Рентгеноструктурный анализ
Рентгеноструктурный анализ (РСА) медных проводников позволяет определять изменение содержания оксида меди (I) по длине медного проводника.
Известно, что в результате нагрева свыше 250°С, например, в зоне электрической дуги при КЗ на поверхности меди интенсивно образуется оксид меди (I) Cu2O. По мере удаления от места локального нагрева и, следовательно, понижения температуры содержание оксида меди (I) падает и на расстоянии 25-30 мм соответствует содержанию в исходном проводнике. Это обстоятельство используется для исследования дуговых оплавлений в целях установления первичности (вторичности) КЗ [5, 10].
Предлагаемая рентгенографическая методика также основана на определении наличия оксида меди (I) на поверхности медного проводника и установлении изменения ее содержания по отношению к чистой меди по мере удаления от места искрения. В случае длительного нагрева контакта в локальной зоне БПС проявляется устойчивая тенденция последовательного уменьшения количества Сu2O на поверхности медного проводника по мере удаления от места «плохого контакта».
2. РАБОТА НА МЕСТЕ ПОЖАРА
— Все документы — Нормативные документы по надзору в области строительства — Нормативные документы по противопожарной безопасности и по системам безопасности — МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ЭКСПЕРТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕ ПОЖАРА КОНТАКТНЫХ УЗЛОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКОВ БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ (2008)
Городом с самыми дешевыми квартирами в новостройках оказался Воронеж
Аналитик Гутман: период с мая по июль является лучшим периодом для продажи дачи
«МК»: в России не отменят льготную ипотеку
Аренда квартир в Москве подешевела на 10 %
Вице-премьер Хуснуллин: ставка по ипотеке должна быть пять процентов