Причины коротких замыканий
В момент короткого замыкания резко увеличивается сила тока, и, как следствие, растет количество тепловой энергии. Причем, количество выделяемого тепла равно квадрату силы тока. То есть, если при коротком замыкании, к примеру, сила тока увеличится в двадцать раз, то количество выделяемого тепла увеличится в четыреста раз. Данная пропорция применяется (в том числе) при проектировании пожароопасных помещений.
Если на изоляцию воздействует высокая температура, происходит резкое снижение диэлектрических свойств. К примеру, если выбрать электрокартон как изоляционный материал и принять за единицу его электропроводимость при 20 градусах по Цельсию, то при температуре 50 градусов электропроводимость выбранного материала увеличится в 37 раз. Нередко наблюдаются случаи перегрузки электропроводки токами, превышающими в течение длительного времени предельные значения для данного вида проводников. В таком случае происходит тепловое старение изоляции. К примеру, существует специальное правило для кабелей с бумажной изоляцией: увеличение температуры на каждые 8 градусов снижает расчетное время эксплуатации в два раза. Помимо картонной или бумажной изоляции, тепловому старению подвержены также и полимерные материалы, применяемые для изготовления изоляции кабелей. Проектирование проводки освещения и силовых сетей сопровождается расчетами нагрузок и определением количества тепловой энергии, в результате чего выбирается кабельно-проводниковая продукция той или иной марки.
Также причины коротких замыканий могут быть:
Воздействие влаги и других агрессивных сред
Вследствие воздействия на изоляцию проводов и кабелей каких-либо агрессивных сред или влаги происходит появление поверхностных токов утечки, и, как результат, состояние изоляции ухудшается. Так как возникают поверхностные токи утечки, то в месте их появления температура повышается, что заставляет воду испаряться, оставляя осадок из соли. После испарения воды токи исчезают. Если процесс повторяется в течение длительного времени, то постепенно соли скапливается все больше и больше, вследствие чего, проводимость увеличивается в разы. Это приводит, в конечном счете, к неугасающим токам утечки. Иногда даже наблюдается искрение. Постепенно, от негаснущих токов утечки, изоляция начинает обугливаться и со временем теряет прочность. Такая ситуация опасна возникновением дуговых разрядов, способных при определенных условиях воспламенить изоляцию.
Пожарная опасность коротких замыканий электропроводов
Следующие проявления электрического тока в целом характеризуют опасность коротких замыканий. Сюда можно отнести способность изоляции поддерживать процесс горения от внешних источников огня. Кроме того, при возгорании изоляции образуются мелкие частицы расплавленного металла, которые, в свою очередь, также способны воспламенить окружающие горючие вещества или материалы. Зачастую температура разлетающихся частичек металла достигает 2700 градусов по Цельсию, а скорость полета – до одиннадцати метров в секунду.
Перегрузка электропроводки
Превышение допустимых значений проходящего тока для данного типа электропроводки влечет аварийные ситуации. Подобные явления имеют место при неправильном использовании или повреждении потребителей тока. Как следствие, суммарный ток, проходящий по электроцепи, значительно превышает штатные значения. Другими словами, происходит превышение плотности тока, или попросту – перегрузка. К примеру, если для проведения тока в 40 ампер использовать различные провода с сечение в 10, 4 и 1 мм?, плотность тока будет соответственно равна 4, 10 и 40 ампер на мм?. Использование проводов с небольшим сечением, как в последнем варианте, приводит к высокой плотности проходящего тока и сильным потерям мощности. При перегрузке провод с наибольшим сечением лишь слегка нагреется, со средним сечением –нагреется до максимально допустимых значений, а в последнем случае попросту перегорит. Это учитывает специалист, выполняющий проектирование пожароопасных помещений.
В чем отличие тока перегрузки от тока короткого замыкания? Основное отличие токов перегрузки электропроводки от токов короткого замыкания состоит в том, что повреждение изоляции при перегрузке есть следствие аварии, а при коротком замыкании – причина. Если аварийная ситуация не исправляется в течение долгого времени, перегрузка становится более пожароопасным явлением, чем короткое замыкание. Материал, из которого состоит провод, оказывает огромное влияние на процесс аварии, и вообще на вероятность воспламенения проводов при возникающих перегрузках. Если исходить из проведенных испытаний, становится ясно: при перегрузках медные провода более пожароопасны, чем алюминиевые, так как быстрее воспламеняют изоляцию. При возникновении коротких замыканий просматривается абсолютно такая же тенденция. Дуговые разряды, появляющиеся на проводах с медными жилами, имеют большую прожигающую силу, чем на проводах с алюминиевой жилой. Например, если провести эксперимент и взять стальную трубу с толщиной стенки 2,8 мм и воздействовать на нее дуговым разрядом, то прожигание трубы будет возможно при сечении алюминиевого провода 16мм?. А если же провод будет медным, то будет достаточно провода с сечением жилы не более 6 мм?.
Есть такое понятие, как кратность тока, определяемое сравнением длительно допустимого тока с величинами при коротком замыкании или перегрузке.
Меры безопасности для предотвращения короткого замыкания
Наиболее пожароопасны провода, имеющие поверх сечения изоляцию из полиэтилена, или трубки из полиэтилена, в которых прокладываются кабеля при монтаже электропроводки. Винипластовые трубки более стойки к воздействию высоких температур, и поэтому предпочтительнее полиэтиленовых трубок, именно поэтому последние могут применяться далеко не всегда. Наиболее опасные места при возникновении перегрузок – это частные жилые дома, где проектирование электросетей не выполнялось вообще или выполнялось в незапамятные времена. Здесь обычно от одной сети питается очень много потребителей. Зачастую отсутствуют аппараты защиты, или если все же они есть, то подобные аппараты способны среагировать только на короткие замыкания, но не готовы выдержать серьезных испытаний. Отчасти подобное объясняется тем, что в частных домовладениях и квартирах никто и ничто не запрещает жильцам использовать мощные электроприборы, в результате чего фактические нагрузки на сеть превышают проектные в несколько раз.
На всех электроустановочных изделиях всегда наносится специальная маркировка, облегчающая их использование. С помощью маркировки указываются предельные значения для токов, мощности и напряжения. Это касается выключателей, розеток или патронов. Если же это какой-нибудь зажим, то в маркировке дополнительно указывают количество возможных для присоединения проводников. Чтобы уметь безопасно и с пользой применять указанные виды электроустановочных изделий, нужно обязательно уметь расшифровывать маркировки. Например, на патроны наносятся маркировки вида «5А, 300В, 350Вт», на выключатели «6.5А, 270В», на разветвители — «1300Вт, 220В». Надпись «6,5А» говорит о том, что ток, который проходит через данный выключатель, не превышать 6,5А. Если это условие не будет соблюдаться, возможен перегрев устройства. Очевидно, что при меньшем токе выключатель будет меньше нагреваться. Надпись «270В» указывает на невозможность использования в сетях, имеющих напряжение выше 270В. При умножении 5 на 300 получается 1500, что не очень похоже на указанное значение в 350Вт. Надо брать в расчет мощность. Если напряжение в сети 220В, то допустимый ток будет 1.6А (350 разделить на 220), при напряжении 127В — 2,7А. Току в 5А соответствует напряжение в 70В — 350Вт разделить на 5А. Маркировка «6.5А, 270В» говорит о том, что данное электоустановочное изделие предназначено для использования в сетях, где напряжение не выше 270 В, а сила тока не превышает значения в 6,5 ампер. Если умножить 6,5 на 220, то получим 1430 Вт, что округляется до 1400 Вт, 6,5 на 127 вольт, получаем значение в 825,5 Вт, что, опять же, округляется до 800 Вт. Округления в меньшую сторону обуславливаются тем, что при меньших значениях мощности контакты меньше нагреваются. Таким образом, набирается своеобразный запас прочности.
В тот момент, как по контактному соединению протекает электрический ток, происходит падение напряжения и мощности. Как результат, выделяется дополнительная энергия, приводящая к нагреву контактов. Если происходит значительное увеличение тока в цепи свыше номинала, или же увеличивается сопротивление, то происходит дальнейшее увеличение температуры, что в конечном счете может привести к пожару.
Существует несколько видов контактных соединений. В первую очередь, это разъемные и неразъемные. К неразъемным соединениям относятся пайка и сварка. Помимо этих двух видов, есть контакты коммутационных устройств: всевозможные реле, выключатели или магнитные пускатели. В многоэтажных жилых домах электрический ток, прежде чем попасть к электроприбору, проходит через огромное количество контактов и соединений.
Ни в коем случаем нельзя нарушать контактные соединения, потому как это грозит серьезными последствиями. Благодаря проведенным исследованиям стало известно, что до половины контактных соединений, присутствующих в электросетях многоэтажных жилых домов, не соответствуют требованиям ГОСТ-Р: электропроект квартиры либо отсутствует, либо безнадежно устарел.
В результате: ток протекает по некачественным контактным соединениям, т.о. увеличивается количество выделяемого тепла, причем, выделяется количество тепла пропорциональное плотности тока и сопротивлению точек, в которых происходит соединение. Очевидно, что, если разогретые соединения будут контактировать с горючими материалами, может произойти как минимум – обугливание изоляции, как максимум – ее воспламенение.
Величина переходного соединения контактов зависит от многих факторов: от материала изготовления контактов, от того, как сильно окислены поверхности контактов, от силы сжатия контактных поверхностей, а самое главное – от плотности тока. Для уменьшения плотности тока, проходящего по контакту, и как следствие, уменьшения его температуры требуется увеличение площади соприкосновения контактов. При сильном сжатии контактных площадок увеличивается общая площадь соприкосновения контактов. В результате плотность тока и переходное сопротивление снижаются. Из-за этого падает температура нагрева контакта, что позволяет избежать пожароопасных ситуаций. Существует обратно пропорциональная зависимость между силой сжатия и сопротивлением контакта. К примеру, при уменьшении крутящего момента (то есть силы сжатия) в 2 раза, сопротивление контакта алюминиевого провода с поливинилхлоридной изоляцией, имеющего сечение в 4мм?, увеличивается в 5 раз.
Для того, чтобы снизить тепло, исходящее от контактов, а также чтобы рассеять тепло в окружающую среду, применяются специальные контакты с определенной массой и поверхностью охлаждения. Также уделяется немаловажное значение местам, где присоединяются провода, а также в местах присоединения электроприборов к клеммам. Если это съемные концы проводов, то применяются специальные наконечники или зажимы. Для увеличения надежности контакта существуют специальные шайбы. В ходе эксплуатации, через несколько лет, обычно через три года, сопротивление контакта резко возрастает, что приводит к нежелательному перегреву и возможным пожароопасным ситуациям. Также сопротивление контактов сильно увеличивается после коротких замыканий. Практика показала, что при нежелательном воздействии на контакт наилучшими в плане стабильности являются контакты с пружинящими шайбами. Зачастую на шайбах пытаются сэкономить, но здесь экономия неуместна – выбирать лучше латунные или медные шайбы. Стальные изделия в этом плане проигрывают. Тем не менее, их применять можно, только желательно использовать шайбы, поверхность которых покрыта антикоррозийным составом.