Вплив елементів та структури внутрішніх електричних мереж на їх пожежну небезпеку

Размещено на http://www.allbest.ru/

міністерство україни з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків чорнобильської катастрофи

український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

УДК 614.841.332

21.06.02 - пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВПЛИВ ЕЛЕМЕНТІВ ТА СТРУКТУРИ ВНУТРІШНІХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ ЖИТЛОВОГО СЕКТОРУ НА ЇХ ПОЖЕЖНУ НЕБЕЗПЕКУ

КОВАЛЬ

ОЛЕКСАНДР МИРОСЛАВОВИЧ

Київ

2008



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Гудим Василь Ілліч, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, професор кафедри електротехніки та промислової і пожежної автоматики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ковальов Олександр Петрович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри електропостачання промислових підприємств і міст;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кравченко Ростислав Іванович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, начальник відділу випробувань електротехнічних виробів науково-дослідного центру №3.

Захист відбудеться 18 грудня 2008 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська,18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий "17" листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. А.В. Антонов



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Сучасний швидкий темп життя призводить до інтенсивного розвитку і поширення різноманітної електропобутової техніки, зокрема у житловому секторі.

Згідно з даними Центру міжнародної статистики, кількість пожеж електричного походження у країнах світу становить від 19 % до 26 %. В Україні за 2007 рік від електротехнічних виробів сталося 10327 пожеж, на яких загинула 461 особа, а прямі збитки від них становили 137,6 млн. грн. Переважна більшість цих пожеж виникає в електромережах елементами яких є кабелі, проводи, електромонтажні коробки, розетки тощо. У 76,2 % виникненню пожеж сприяло неспрацювання пристроїв захисту. У житлових будинках пожежі внаслідок несправності електричних мереж становили 64 %, у 76,4 % випадках пожежі відбувались на об'єктах, які були введені в експлуатацію до 1990 р., тобто у будівлях старої забудови.

Однією з основних причин виникнення пожеж в електричних мережах є надмірне нагрівання їхніх елементів в місцях з'єднання та в умовах перевантаження. Зокрема, це обумовлено протіканням по проводах струму, значення якого перевищує номінальне. Це обумовлено використанням розгалужувальних електромонтажних коробок та розеток з недосконалою конструкцією. Сучасні вимоги щодо проектування елементів електромережі не враховують нагрівання понад допустиму температуру їхніх складових частин у контактних з'єднаннях, виконаних за методом "скрутки", в місцях згину проводів та приєднання потужних електричних споживачів.

Вищевикладене зумовило актуальність досліджень, спрямованих на виявлення впливу чинників (електричного навантаження, згину, способів з'єднання) на пожежну небезпеку елементів внутрішніх електричних мереж житлового сектора, які спрямовано на зниження їхньої пожежної небезпеки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження проводились на виконання Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України від 1 липня 2002 р. № 870, під час виконання в ЛДУ БЖД МНС України науково-дослідної роботи за темою: "Розробка математичних моделей систем електропостачання споживачів для оцінки електромагнітних процесів та надійності систем безпеки життєдіяльності" (державний реєстраційний № 0108U006338).

Мета роботи - наукове обґрунтування та розробка заходів і засобів, спрямованих на зниження пожежної небезпеки електричних мереж у житловому секторі.

Задачі досліджень Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз статистики пожеж електричного походження, вимог нормативних документів щодо проектування електричних мереж житлового сектора та виявити чинники, що призводять до виникнення пожеж під час їх експлуатації;

- удосконалити математичну модель та створити програмне забезпечення для оцінювання температур нагрівання проводів електричних мереж житлового сектора під електричним навантаженням;

- провести теоретичні розрахунки щодо виявлення впливу електричного навантаження, що споживається у житловому секторі, на температуру нагрівання проводів з полівінілхлоридною (ПВХ) ізоляцією та мідними і алюмінієвими жилами перерізом від 1,5 мм² до 4 мм²;

- провести експериментальні дослідження щодо впливу способів з'єднання проводів з ПВХ ізоляцією та мідними і алюмінієвими жилами перерізом від 1,5 мм² до 4 мм² на температури їх нагрівання;

- провести експериментальні дослідження щодо впливу кута згину проводів з ПВХ ізоляцією та мідними і алюмінієвими жилами перерізом від 1,5 мм² до 4 мм² на температури їх нагрівання;

- провести експериментальні дослідження щодо впливу кута згину на температуру нагрівання проводів з ПВХ ізоляцією та мідними і алюмінієвими жилами перерізом від 1,5мм² до 4 мм²;

- розробити пропозиції щодо удосконалення структури внутрішньої електричної мережі у житловому секторі;

- обґрунтувати доцільність використання запропонованої електромонтажної коробки та штепсельної розетки із вбудованим захистом від перевантажень у внутрішніх електричних мережах житлового сектора.

Об'єкт дослідження - внутрішні електричні мережі в житловому секторі.

Предмет дослідження - вплив чинників (електричного навантаження, способів з'єднання та кута згину проводів) на пожежну небезпеку внутрішніх електричних мереж житлового сектора.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених завдань використано комплексний метод досліджень, що охоплює аналіз статистики пожеж електричного походження; математичне моделювання електротеплових процесів в електричних мережах, експериментальні дослідження теплових режимів проводів електричних мереж під час дії електричного струму.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано удосконалену математичну модель, яка описує динамічні процеси нагрівання проводів електричних мереж з урахуванням їх розмірів та теплофізичних характеристик під електричним навантаженням.

2. Вперше експериментально встановлено, що температура нагрівання проводів АППВ і ППВ з перерізом жил від 1,5 мм² до 4 мм² в місцях з'єднання способом "скрутки" перевищує їх температуру на прямій ділянці на 24-25 С і допустиму тривалу температуру на 14-15 С.

3. Вперше експериментально встановлено, що температура нагрівання проводів АППВ і ППВ з перерізом жил від 1,5 мм² до 4 мм², що мають згин під кутом 90°, в місці з'єднання з клемним блоком перевищує температуру цих проводів на прямій ділянці на 14-16 С і допустиму тривалу температуру на 4-6 С.

4. Вперше обґрунтовано, що необхідними умовами забезпечення зниження пожежної небезпеки в житловому секторі є застосування структури схем внутрішніх електричних мереж, в яких лінії групової мережі кухонь запропоновано виконувати проводами з ПВХ ізоляцією та мідними жилами перерізом 4 мм² і розетками, розрахованими на струм 25 А для приєднання потужних електричних побутових приладів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Створено програмне забезпечення на основі математичної моделі, що описує динамічні процеси нагрівання проводів під електричним навантаженням, яка використовується ТОВ "Світовир" (м. Львів) під час проектування внутрішніх електричних мереж житлових будинків.

2. Запропоновано удосконалену структуру схеми внутрішніх електричних мереж житлового сектора, де електричні споживачі розділено на окремі групи за умовами допустимого нагрівання проводів, яку використано у ТОВ "Світовир" (м. Львів) під час проектування житлових будинків.

3. Запропоновано захищену патентом України на корисну модель №24505 нову конструкцію електромонтажної коробки, що містить клемний блок для приєднання проводів без згинів, експериментальну партію якої виготовлено ТОВ "Спецбудмонтажпроект" (м. Львів) і застосовано в електричних мережах квартир під час зведення житлових будинків ПП "Гіпер-світ".

4. Запропоновано нову конструкцію стаціонарної штепсельної розетки, оснащеної пристроєм захисту від перевантаження, застосування якої сприятиме забезпеченню автоматичного вимкнення побутових приладів, електричне навантаження яких буде перевищувати допустиме.

Особистий внесок здобувача - визначення мети і завдання досліджень, аналізування літературних джерел, розроблення математичної моделі, що описує динамічні процеси нагрівання проводів, дослідження динамічних процесів нагрівання проводів, проведення досліджень впливу способів приєднання та згину проводів на температуру їх нагрівання, удосконалення схеми внутрішньої електромережі квартир житлових будинків, розроблення нової конструкції електромонтажної коробки (з клемним блоком для приєднання проводів без згину) та штепсельної розетки, оснащеної пристроєм захисту від перевантаження, підготовка матеріалів до опублікування. У спільних публікаціях автору належать: [2-4] - формування моделей, їх реалізація та тестування; [1,7] - виконання експериментів, їх обробка та формування висновків; [6] - розробка нової конструкції електромонтажної коробки з клемним блоком; [8,9] - реалізація математичної моделі, [10] - обґрунтування структури схем внутрішніх електромереж житлового сектора.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались на ІV міжнародній науково-практичній конференції "Чрезвычайные ситуации: Предупреждение и ликвидация" Мінськ 2007; міжнародній науково-практичній конференції "Пожежна безпека"-2007; м. Черкаси, листопад 2007; міжнародній науково-практичній конференції "Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации" м. Гомель, вересень 2006; міжнародній науково-практичній конференції "Техногенна безпека. Теорія, практика, інновації" м. Львів, травень 2008.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 робіт, з них 5 наукових статей у виданнях, включених до переліку ВАК України, 1 патент України на корисну модель, 5 тез у матеріалах державних та міжнародних науково-практичних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, списку використаних джерел із 110 посилань, містить 127 сторінок основного тексту, 9 таблиць, 28 ілюстрацій і 5 додатків.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, відзначено наукову новизну, практичну значимість, апробацію результатів дисертаційної роботи та особистий внесок здобувача.

У першому розділі надано аналіз статистики пожеж в Україні від електротехнічних виробів. Показано, що переважна частина пожеж електричного походження виникає у внутрішніх електричних мережах квартир житлових будинків. Осередками пожежі у переважній більшості були контактні з'єднання і згини проводів в електромонтажних коробках та штепсельних розетках, до яких були приєднані електричні прилади. Проведено аналіз вимог щодо проектування електричних мереж житлових будинків нової і старої забудови, надано порівняльну характеристику між проектним і фактичним електричним навантаженням елементів електричних мереж. Виявлено чинники, що можуть призвести до виникнення пожеж в електричних мережах квартир житлових будинків.

У квартирах житлових будинків старої (зведених до 1990 р.) і нової забудови використовуються типові схеми внутрішніх електричних мереж, які наведено відповідно на рис. 1 і 2.

У типовій схемі внутрішньої електромережі квартир житлових будинків старої забудови (рис. 1) використовувались установочні проводи за ГОСТ 6323-79 з двома алюмінієвими жилами перерізом 2 мм² та ПВХ ізоляцією. У місцях розгалужування з'єднання проводів у електромонтажних коробках виконано способом "скрутки". Для приєднання електричних приладів у кожній кімнаті та кухні встановлено 2 штепсельні розетки, розраховані на номінальний струм 6 А або 10 А. Для захисту електричної мережі квартири від перевантаження і короткого замикання (КЗ) використано автоматичний вимикач, а групових ліній - плавкі запобіжники, які розраховані на номінальний струм 10 А. Проектування внутрішніх електричних мереж квартир житлових будинків старої забудови виконувалось згідно з ВСН 59-88 та Правилами улаштування електроустановок (ПУЕ), з урахуванням сумарної потужності електроспоживачів - 4 кВт.

У типовій схемі внутрішньої електричної мережі квартир житлових будинків нової забудови (рис.2) використовуються установочні проводи за ГОСТ 6323-79 з трьома мідними жилами перерізом 2,5 мм² (для мереж освітлення 1,5 мм²) та ПВХ ізоляцією. У місцях розгалужування з'єднання проводів у електромонтажних коробках виконано способом "скрутки". Для приєднання електричних приладів у кожній кімнаті встановлено 3, а в кухні - 4 штепсельні розетки, розраховані на номінальний струм 10 А. Для захисту електричної мережі квартири від перевантаження і КЗ використано автоматичні вимикачі і пристрої захисту від струмів витоку (ПЗВ) або диференційні автоматичні вимикачі, розраховані на номінальний струм 32 А, освітлювальних групових ліній - автоматичні вимикачі на 16 А, групової лінії для кухні - автоматичні вимикачі на 25 А та групових ліній інших приміщень - автоматичні вимикачі на 20 А. Проектування внутрішніх електричних мереж квартир житлових будинків нової забудови виконується згідно з ДБН В.2.5-23-2003 та ПУЕ, з урахуванням сумарної потужності електроспоживачів - 30 кВт.

У будинках з електричними плитами кухні оснащуються додатково п'ятою трифазною розеткою, розрахованою на струм 40 А, яка приєднується до окремої лінії та захищається окремим автоматичним вимикачем, що не розглядається у цій роботі.

Згідно з вимогами ДБН В.2.5-23 та ВСН 59, переріз жил проводів для провідників квартир житлових будинків обирають за умов нагрівання тривалим розрахунковим струмом у нормальному режимі. Згідно з вимогами ПУЕ, допустима температура нагрівання установочних проводів за ГОСТ 6323 з ПВХ ізоляцією - 70 С забезпечується, якщо допустимий тривалий струм не перевищує 17 А для алюмінієвих жил перерізом 2 мм² та 18 А і 25 А для мідних провідників перерізом відповідно 1,5 мм² і 2,5 мм².

Із наведених у табл. 1 електричних характеристик електропобутових приладів, які на цей час широко застосовуються в побуті, випливає, що підключення до електричної мережі духової шафи та акумуляційного водонагрівача призводить до перевантаження штепсельних розеток, а також алюмінієвих проводів у житлових будинках старої забудови.

У разі підключення до штепсельних розеток через подовжувачі та перехідники, які дозволяють одночасне вмикання від 2 до 6 електричних приладів, наприклад комп'ютера (системного блока, монітора і принтера) та обігрівального приладу, сумарна потужність яких становить 3,5 кВт, маємо перевантаження штепсельних розеток у будівлях старої і нової забудови з кратністю відповідно на 2,7 та 1,6.

Таблиця 1

Електричні характеристики електропобутових приладів, що застосовуються в квартирах житлових будинків

Назва побутового електричного приладу	Середня номінальна потужність, Вт	Середній номінальний струм, А
Духова шафа	4450	20,2
Варильна поверхня (ел./газ)	5200	23,6
Витяжка	800	3,6
Холодильник	600	2,7
Мікрохвильова піч	3600	16,4
Електричний чайник	1900	8,6
Посудомийна машина	2550	11,6
Тостер	1600	7,3
Кухонний комбайн	500	2,3
Пральна машина	3000	13,6
Фен	1000	4,5
Акумуляційний водонагрівач	4800	21,8
Проточний водонагрівач	5100	23,2
Телевізор	750	3,4
DVD - програвач	440	2,0
Кондиціонер	2650	12,0
Електричний підігрів підлоги	4400	20,0
Комп'ютер	1350	6,1
Музичний центр	450	2,0
Пилосос	1950	8,9
Праска	2150	9,8
Обігрівальний електричний прилад	2000	9,1

До окремих штепсельних розеток можуть підключатись: у кухні - пральна машина, електродухова шафа, витяжка і холодильник, в кімнаті - телевізор, музичний центр, пилосос, праска, обігрівальний прилад тощо. Це може призводити до перевантаження в квартирах нової забудови проводів з мідними жилами групових мереж та електромонтажних коробок для кухні з кратністю до 1,6 і для групових мереж інших приміщень - з кратністю до 1,3. Для внутрішніх електричних мереж старої забудови, виконаних із застосуванням проводів з алюмінієвими жилами, ці кратності можуть становити відповідно 2,4 і 1,9.

З перелічених вище пристроїв захисту внутрішніх мереж житлових будинків лише автоматичні вимикачі захищають від електричного перевантаження. За даними виробників максимальний час спрацьовування цих вимикачів становить 1 год. в разі струмового навантаження 1,45 І_н; 1 хв. - за 2,55 І_н; 1 с - за 5 І_н. З наведених прикладів зрозуміло, що цього може бути не достатньо для вимикання електричних мереж в умовах перевантаження. Як наслідок, це призводить до перегрівання ізоляційних матеріалів елементів електричних мереж, передчасного пошкодження ізоляції з подальшим виникненням джерел запалювання, з енергією достатньою для їх займання, яке за певних умов переростає в пожежу.

У другому розділі розглянуто існуючі математичні моделі, що описують стаціонарні і нестаціонарні процеси нагрівання проводів та отримано математичну модель, за якою запропоновано визначати залежності температури нагрівання проводів у динамічному режимі.

Конструкція установочних проводів марок АППВ і ППВ має струмопровідні жили та ізоляцію, наближену до круглої форми, що дозволяє їх розглядати як двошаровий циліндр (рис. 3).

У стаціонарному режимі температура в провіднику та ізоляції проводу визначаються за формулами:

, (1)

, (2)

де Т₁, Т_2, Т_с - температура відповідно провідника й ізоляції проводу та навколишнього середовища, К; r - радіус, м; R₁, R₂ - радіус відповідно провідника та проводу, м; ₁, ₂ - коефіцієнт теплопровідності відповідно провідника та ізоляції, ВтЧ(мЧК)^-1; - коефіцієнт тепловіддачі, ВтЧм^-2ЧК^-1;

-

питома потужність тепловиділення, ВтЧм³;

- питомий опір матеріалу провідника, ОмЧм;

J = I/S -

густина струму, АЧмм^-2; I - сила електричного струму, А; S - переріз провідника, мм².

З виразів (1) і (2), отримуємо вираз, за яким може бути визначена температура на поверхні провідника (внутрішній поверхні ізоляції) у стаціонарному режимі:

, (3)

де - перевищення температури К.

Вираз (3) дозволяє оцінити температуру нагрівання жил проводу струмом, величина якого з часом не змінюється. Однак на практиці найчастіше зустрічаються режими, коли сила струму змінюється через вмикання чи вимикання різних електроспоживачів. У зв'язку з цим, розглянуто нестаціонарний процес нагрівання.

У нестаціонарному режимі залежність температури на поверхні провідника від часу має вигляд:

, (4)

де Т₀ - початкова температура, К; - густина матеріалу провідника, кгЧм^-3; С - питома теплоємність, ДжЧкг^-1ЧК^-1.

Для оцінювання температури нагрівання провідників на різних ділянках внутрішньої електромережі квартири запропоновано нижченаведену математичну модель, що описує динамічні процеси нагрівання проводів на різних ділянках. Враховуючи складність задачі, для її формування і розв'язання, в роботі прийняті певні допущення: нагрівання відбувається струмом, який рівномірно розподіляється по всьому поперечному перерізу провідника; матеріали провідника й ізоляції є ізотропними, тобто, мають у будь-якій точці однакові електричні властивості та теплові характеристики.

У загальному вигляді система динамічних електротеплових рівнянь в матричній формі має вигляд:

, (5)

де l - діагональна матриця довжин окремих ділянок мережі, м; L - діагональна матриця індуктивностей проводів мережі, Гн; S - діагональна матриця поперечних перерізів проводів на окремих ділянках моделі, м² ; - вектор температури провідника, К; t - час, с; - вектор температури навколишнього середовища, К; - вектор електрорушійної сили, В; - вектор падіння напруги, В; - вектор густини струму, АЧмм^-2; - діагональна матриця постійних часу процесу нагрівання проводів, с^-1 ; - діагональна матриця коефіцієнтів зміни температури та квадрату густини струму.

У моделі теплового балансу не враховується конвективний та радіаційний способи передачі тепла, оскільки розглядаються ізольовані провідники.

Для інтегрування системи диференційних рівнянь (5) використано чисельний метод формул диференціювання назад (ФДН), за яким отримуємо матричне рівняння. Для його розв'язання використаємо швидкозбіжний ітераційний метод Ньютона - Рафсона. У цьому випадку рівняння (5) набуває вигляду:

(6)

, (7)

, (8)

, (9)

де а₀ ,- коефіцієнти корекції методу ФДН; h - крок інтегрування системи рівнянь.

Модель яка за заданих умов зміни електричного навантаження в часі дозволяє визначати температури нагрівання проводів електричної схем довільної структури.

Із застосуванням математичної моделі, визначено максимальні температурні нагрівання проводів в динамічному режимі. Для проводів АППВ 2Ч2 та ППВ 2Ч2,5 температура нагрівання становила - 96 С і 84 С відповідно, а різниця між розрахунковими та експериментальними значеннями не перевищила 4 %.

У третьому розділі розглянуто динамічні процеси нагрівання електричних проводів із застосуванням запропонованої у розділі 2 математичної моделі, надано результати експериментальних досліджень з визначення впливу на температуру нагрівання проводів, з'єднань, виконаних способом "скрутки", із згином 90є.

Щоденно в квартирах житлових будинків відбуваються динамічні процеси нагрівання елементів внутрішніх електричних мереж, що пов'язано з вмиканням і вимиканням електроспоживачів у різний час доби. При цьому можливе їх одночасне функціонування протягом часу, який залежить від тривалості експлуатування самих електричних приладів та від проміжку часу між їх вмиканням.

У житлових квартирах найбільш ймовірні ситуації одночасного функціонування, наприклад на кухні чотирьох електричних побутових приладів: холодильника, пральної машини, електричного чайника, електричної духової шафи; підключення до одної розетки, наприклад в кімнаті: комп'ютера (системного блока, монітора, принтера) та обігрівального електричного приладу.

Із застосуванням математичної моделі (6) - (9) та наведених вище прикладів одночасного функціонування електропобутових приладів отримано залежність температури нагрівання проводів внутрішніх електричних мереж квартир житлових будинків від часу та від зміни електричного навантаження цих проводів у часі, які надано на рис. 4 і 5.

На рис. 4 надано залежність температури нагрівання проводів групової лінії для кухні від часу за умов вмикання спочатку пральної машини; через 4 хв. холодильника, який вимикається через 10 хв.; через 6 хв. електричного чайника, який вимикається через 2,5 хв.; через 9 хв. електродухової шафи. Із наведених на цьому рисунку кривих видно можливість нагрівання проводів електричних мереж будинків старої і нової забудови понад допустиме значення 70 С. За результатами розрахунків різниця між максимальною температурою нагрівання проводу АППВ 2Ч2, що широко застосовується в житлових будинках старої забудови, та допустимим значенням, становить 26 С. Ця різниця для проводу ППВ 2Ч2,5, що широко застосовується в житлових будинках нової забудови, становила 14 С. А для проводу ППВ 2Ч4 температура нагрівання становила 69 С, що не перевищує допустиму температуру 70 С, тому для зниження пожежної небезпеки в житловому секторі доцільно в лініях групової електричної мережі кухонь застосовувати мідні проводи з перерізом 4 мм².

ППВ 2Ч4

На рис. 5 надано залежність температури нагрівання проводів за умов приєднання до одної розетки через електричний подовжувач або перехідник комп'ютера і обігрівального електричного приладу. Спочатку вмикався комп'ютер, потім через 10 хв. обігрівач електричний, який автоматично вимикається через 6 хв. та вмикається через 5 хв. За результатами розрахунків різниця між максимальною температурою нагрівання проводу АППВ 2Ч2, що широко застосовується в житлових будинках старої забудови, та допустимим значенням, становить 23 С. Ця різниця для проводу ППВ 2Ч2,5, що широко застосовується в житлових будинках нової забудови, становила 12 С.

Для зниження пожежної небезпеки в житловому секторі запропоновано в лініях групової електричної мережі кухонь квартир застосовувати проводи з ПВХ ізоляцією та мідними жилами перерізом 4 мм² і розетки розраховані на струм 25 А для приєднання потужних електропобутових приладів.

Під час обстеження електричних мереж квартир житлових будинків старої і нової забудови виявлено виконання з'єднань проводів в електромонтажних коробках способом "скрутки". У той же час промисловістю виготовляються також електромонтажні коробки, оснащені клемним блоком, які через більшу вартість та недосконалість вимог нормативних документів, широко не застосовуються під час зведення житлових будинків. Конструкція коробок як з клемним блоком, так і без нього допускає експлуатацію проводів при згинах 90є.

З метою виявлення впливу зазначених чинників на температуру нагрівання проводів проведено експериментальні дослідження у лабораторних умовах із застосуванням стенду, принципову схему якого надано на рис. 6. У схемі використано термоелектричний перетворювач температури 7 з чутливим елементом градуювання ХА ( ДСТУ 2837-94 ) для вимірювання сигналу перетворювача використано магнітоелектричний мілівольтметр діапазоном класом точності ± 0,2 %.

Вимірювання температури проводів виконувалось контактним способом із розташуванням спаю термопари між провідником та ізоляцією на прямій ділянці, в місцях скручування, згину проводів та приєднання їх до клемного блока. Досліджувалися проводи з ПВХ ізоляцією марки АППВ з перерізом алюмінієвих жил 2 мм² і марки ППВ з перерізом мідних жил 1,5 мм², 2,5 мм² та 4 мм² за номінального струму відповідно 17 А, 18 А, 25 А, 32 А. Для зниження похибки отриманих результатів дослідження проводились приблизно за температури навколишнього середовища 20 С. Для порівняння результатів досліджень попередньо визначено максимальні значення температури нагрівання зазначених маркорозмірів проводів за відповідних значень електричного струму. Максимальна температура проводів становила для АППВ 2Ч2 - 61 С, ППВ 2Ч1,5 - 60 С, ППВ 2Ч2,5 - 59 С і ППВ 2Ч4 - 59 С, що не перевищує допустимого значення 70 С.

На рис. представлено залежність температури нагрівання проводів від часу залежно від їх способу з'єднання та кута згину.

а - провід АППВ 2Ч2; б - провід ППВ 2Ч1,5; в - провід ППВ 2Ч2,5; г - провід ППВ 2Ч4; 1 - з'єднання проводів способом "скрутки"; 2 - з'єднання з клемним блоком проводів, що мають згин під кутом 90є; 3 - з'єднання з клемним блоком проводів, що не мають згину; 4 - пряма ділянка проводу

За отриманими залежностями 1 і 4 (рис.7) встановлено, що максимальне значення температур нагрівання проводів, з'єднаних способом "скрутки" перевищує температуру проводів на прямій ділянці на 24-25С. Значення температури нагрівання проводів, з'єднаних способом "скрутки", становить від 82 С до 85 С, що перевищує допустиме значення на 12-15 С. За результатами досліджень запропоновано замінити спосіб з'єднання проводів "скруткою" на спосіб з'єднання із застосуванням клемного блока.

За залежностями 2 і 4 (рис.7) встановлено, що максимальне значення температури нагрівання проводів, що мають згин під кутом 90°, в місці з'єднання з клемним блоком перевищує температуру проводів на прямій ділянці на 14-16 С. Значення температури нагрівання проводів, що мають згин 90°, в місці з'єднання з клемним блоком становить 74-76 С, що перевищує допустиме значення на 4-6 С. За результатами досліджень запропоновано виконувати приєднання проводів до клемного блока.

За залежностями 3 і 4 (рис. 7) встановлено, що максимальне значення температури нагрівання проводів, що не мають згину, в місці з'єднання з клемним блоком, перевищує температуру проводів на прямій ділянці лише на 8-9 С. Значення температури нагрівання проводів, що не мають згину, в місці з'єднання з клемним блоком становить 68-69 С, що не перевищує допустиме значення 70 С.

У четвертому розділі наведено практичну реалізацію результатів дисертаційної роботи.

Для визначення залежності температури нагрівання проводів топологічної схеми електричної мережі на різних ділянках застосовано математичну модель (6) - (9), що описує динамічні процеси їх нагрівання. Для практичної реалізації цієї математичної моделі створено програмне забезпечення у середовищі Delphi7, за допомогою якого визначено залежності температури нагрівання проводів групових ліній електричних мереж квартир. За отриманими залежностями встановлено, що нагріванню понад допустиму температуру 70 С зазнають проводи ППВ 2Ч2,5, від яких живляться побутові електричні прилади, що експлуатуються на кухні. Одночасне функціонування цих приладів може призводити до нагрівання вказаних проводів до температури, що перевищує допустиме значення на 32 С. У той же час виявлено, що одночасна експлуатація цих приладів не призводить до нагрівання понад допустиму температуру проводів ППВ 2Ч4.

На підставі проведених досліджень запропоновано виконувати групову лінію для кухонь квартир житлового сектора проводами з перерізом мідних жил 4 мм², які розраховані на номінальний струм до 32 А.

Із наведених у таблиці 1 характеристик випливає, що використання на кухні потужних електричних приладів, розрахованих на номінальний струм до 25 А, що перевищує допустиме значення для однофазних штепсельних вилок на 16 А, призводить до перевантаження цих вилок. Для зниження пожежної небезпеки запропоновано застосовувати у кухні три трифазні вилки на номінальний струм 25 А, який є номінальним для проводів з перерізом жил 2,5 мм².

З урахуванням наведеного, удосконалено схему (рис. 8.) електричної групової мережі квартири, від якої живляться кухонні електроспоживачі.

для 1-, 2-, 3-кімнатних житлових квартир

За результатами досліджень встановлено перевищення температури нагрівання проводів електричних мереж понад допустиме значення у разі з'єднання їх "скруткою" та за наявності згину біля місця приєднання проводів до клемного блока електромонтажної коробки. Знизити пожежну небезпеку електричних мереж шляхом врахування цих чинників можливо застосуванням в електромонтажній коробці клемного блоку, який забезпечує приєднання проводів без згину біля цього місця. Конструкцію запропонованої коробки надано на рис. 9.

Для запобігання надмірного нагрівання розеток внаслідок їх електричного перевантаження під час приєднання до них декількох потужних побутових приладів запропоновано конструкцію стаціонарної штепсельної розетки, яка на відміну від існуючих, оснащена пристроєм захисту від перевантаження.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації розв'язано актуальну науково-технічну задачу - обґрунтування та розроблення заходів і засобів, спрямованих на зниження пожежної небезпеки електричних мереж у житловому секторі, шляхом застосування удосконаленої структури електричних схем, нової конструкції електромонтажної коробки з клемним блоком та штепсельної розетки із захисним пристроєм від перевантаження.

Основні наукові та практичні результати за дисертаційною роботою такі:

1. Виконано аналіз статистики пожеж, який показав, що в Україні 68,5 % пожеж електричного походження виникає з причин займання елементів електричних мереж, з них 64 % пожеж виникло в квартирах житлових будинків. На основі аналізу вимог щодо проектування внутрішніх електричних мереж житлового сектора, конструкцій і технічних характеристик їх елементів та електричного навантаження цих мереж сучасними електричними приладами виявлено, що до виникнення пожеж на цих об'єктах може призводити надмірне нагрівання електричних проводів, штепсельних розеток і електромонтажних коробок.

2. Удосконалено математичну модель, яка описує динамічні процеси нагрівання проводів електричних мереж з урахуванням їх розмірів і теплофізичних характеристик (густини, довжини, перерізу жил, питомої теплоємності і електричного опору, коефіцієнта тепловіддачі). Відхилення розрахункових значень температури нагрівання проводів від експериментальних не перевищувала 4 %. Для реалізації цієї моделі створено програмне забезпечення, яке використовується ТОВ "Світовир" під час проектування внутрішніх електричних мереж житлових будинків.

3. Із застосуванням математичної моделі, що описує динамічні процеси нагрівання проводів, розрахунком визначено різницю між максимальною та допустимою температурами для проводу АППВ 2Ч2, що широко застосовується в житлових будинках старої забудови, і для проводу ППВ 2Ч2,5, що широко застосовується в житлових будинках нової забудови, яка становила відповідно 26С і 14С. Для проводу марки ППВ 2Ч4 максимальне значення температури становило 68 С, що не перевищує допустиме значення 70 С. Для зниження пожежної небезпеки в житловому секторі запропоновано в лініях групової електричної мережі кухонь квартир застосовувати проводи з ПВХ ізоляцією та мідними жилами перерізом 4 мм² і розетки розраховані на струм 25 А для приєднання потужних електропобутових приладів.

4. Експериментальними дослідженнями встановлено, що температура нагрівання проводів АППВ і ППВ з перерізом жил від 1,5 мм² до 4 мм² в місцях з'єднання способом "скрутки" перевищує їх температуру на прямій ділянці на 24-25 С і допустиму тривалу температуру (70 С) на 14-15 С. Запропоновано замінити спосіб з'єднання проводів "скруткою" на спосіб з'єднання із застосування клемного блока.

5. Експериментальними дослідженнями встановлено, що температура нагрівання проводів АППВ і ППВ з перерізом жил від 1,5 мм² до 4 мм², що мають згин під кутом 90°, в місці з'єднання з клемним блоком перевищує температуру цих проводів на прямій ділянці на 14-16 С і допустиму тривалу температуру (70 С) на 4-6 С.

6. Запропоновано удосконалену структуру схеми внутрішніх електричних мереж житлового сектору для найпоширеніших квартир нового будівництва І групи за класифікацією ДБН В.2.5-23-2003, що дозволяє розділити на окремі групи електричні споживачі за умови допустимого нагрівання проводів, яку використано ТОВ "Світовир" (м. Львів) під час проектування житлових будинків.

7. Запропоновано захищену патентом України на корисну модель №24505 нову конструкцію електромонтажної коробки, що містить клемний блок для приєднання проводів без згинів, експериментальну партію якої виготовлено ТОВ "Спецбудмонтажпроект" (м. Львів) і застосовано в електричних мережах квартир під час зведення житлових будинків ПП "Гіпер-світ".



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУ БЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Семерак М.М. Дослідження режимів нагрівання провідників електричним струмом / М.М. Семерак, В.І. Гудим, О.М. Коваль // Пожежна безпека: Зб.наук.пр.-Львів: ЛДУ БЖД, 2006.- №8.-С.73-79.

2. Гудим В.І. Моделювання нестаціонарних електротеплових процесів в побутових електромережах / В.І. Гудим, М.М. Семерак, О.М. Коваль // Пожежна безпека: Зб.наук.пр.- Львів: ЛДУ БЖД, 2006.- №9. - С.142-147.

3. Гудим В.І. Математична модель електричних мереж з використанням методу формул диференціювання назад / В.І. Гудим, О.М. Коваль, О.В. Самборський // Вісті донецького гірничого інституту. Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю: Зб. Наук.пр.-Донецьк: ДГІ, 2007. - №2.- С.116-125.

4. Гудим В.І. Моделювання стаціонарних теплових процесів в електричних мережах / В.І. Гудим, М.М. Семерак, О.М. Коваль // Науковий вісник УкрНДІПБ. - К: 2007. - №1 (15). - С.17-22.

5. Коваль О.М. Технічні засоби підвищення рівня пожежної безпеки побутових електромереж / О.М. Коваль // Пожежна безпека: Зб.наук.пр.-Львів: ЛДУ БЖД, 2007.- №10. -- С.134-139.

6. Гудим В.І. Обґрунтування вибору схем побутових електромереж для підвищення їх пожежної безпеки / В.І. Гудим, Ю.І. Рудик, О.М. Коваль // Пожежна безпека: Зб.наук.пр. - Львів: ЛДУ БЖД, 2008. - №12. -- С.134-139.

7. Пат. 24505, Н01R9/00. Електромонтажна коробка для побутових електромереж / Гудим В.І. Коваль О.М., Пшеславський Ю.І. опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10.

8. Гудым В.І. Исследование физических характеристик бытовых электросетей/ В.І. Гудым, Ю.И. Рудык, О.М. Коваль, А.В. Самборский // Чрезвычайные ситуации: Предупреждение и ликвидация. Сборник тезисов докладов ІV междунар научно-практ. конф. Том 1. - Минск: 2007. - С. 288-291.

9. Гудим В.І. Математичне моделювання теплових проявів електричного струму в побутових електромережах / В.І. Гудим, О.М. Коваль // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції "Пожежна безпека"-2007. - Черкаси, 2007. - С. 346-347.

10. Гудим В.І. Моделирование переходных электротепловых процессов в бытовых электрических сетях / В.І. Гудим, М.М. Семерак, О.М. Коваль // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції "Чрезвычайные ситуации теория, практика, инновации" Гомель: 2006. - С.286-288.

11. Гудим В.І. Обґрунтування вибору схем побутових електромереж / В.І. Гудим, Ю.І. Рудик, О.М. Коваль // Збірник тез наукової-практично конференції "Пожежна безпека теорія, практика, інновація". - Львів, 2008. - С.143-145.



АНОТАЦІЯ

Коваль О.М. Вплив елементів та структури внутрішніх електричних мереж на їх пожежну небезпеку - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека - Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена обґрунтуванню та розробці організаційних заходів і технічних засобів, спрямованих на зниження пожежної небезпеки елементів електричних мереж у житловому секторі.

Для виконання розрахунків стаціонарних та динамічних електротеплових процесів у внутрішніх електричних мережах розроблено математичну модель на основі балансу енергії, яка дозволяє визначити температуру нагрівання елементів електричних мереж під час різних режимів їх експлуатації.

В роботі наведено результати експериментальних досліджень режимів нагрівання електричних мереж, встановлено різницю температур нагрівання проводів на прямій ділянці, на ділянці проводу з кутом згину 90° та в місцях контактних з'єднань способом "скрутки" і за допомогою клемного блока.

На основі аналізу отриманих результатів досліджень розроблені нові технічні рішення, використання яких сприятиме зниженню пожежної небезпеки електричних мереж у житловому секторі за рахунок обмеження місць локального перегрівання електромереж.

Ключові слова: пожежна небезпека, електричний провід, електромонтажна коробка, штепсельна розетка, внутрішня електрична мережа, елементи електричних мереж, контактні з'єднання, пристрої захисту.



АННОТАЦИЯ

Коваль О.М. Влияние элементов и структуры внутренних электрических сетей на их пожарную опасность - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность - Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности МЧС Украины, Киев, 2008. електротепловий мережа нагрівання провід

Диссертация посвящена обоснованию и разработке организационных мероприятий и технических средств, направленных на снижение пожарной опасности элементов электрических сетей в жилищном секторе. Проведен анализ факторов, которые приводят к возникновению пожаров в жилых помещениях, обусловленных локальным перегревам элементов электрических сетей во время эксплуатации электрических бытовых приборов.

С целью оценки стационарных и динамических электротепловых процессов во внутренних электрических сетях разработана математическая модель на основе баланса энергии, которая, в сравнении с существующими, моделями учитывают удельные электрические и тепловые параметры материалов. Модели позволяет определить температуру нагревания элементов электрических сетей во время разных режимов эксплуатации и могут использоваться во время проектирования при расчетах токовых нагрузок в электрических сетях жилых домов.

В работе приведены результаты экспериментальных исследований режимов нагревания электрических сетей в целом и их отдельных элементов на основании которых установлена разница температур нагревания одинаковым током нагрузки прямолинейных проводов, на участке провода с углом изгиба 90⁰ и в местах контактных соединений методом "скрутки" и с помощью винтового соединения на клемном блоке.

На основе анализа полученных результатов исследований разработаны новые технические решения, в частности электромонтажная коробка и электрическая розетка со встроенной защитой от перегрузок, а также усовершенствованы схемы внутренних электросетей для жилищных квартир нового строительства, использование которых будет способствовать снижению пожарной опасности электрических сетей в жилищном секторе за счет ограничения мест локального перегрева электросетей.

Ключевые слова: пожарная опасность, электрический провод, электромонтажная коробка, штепсельная розетка, внутренняя электрическая сеть, элементы электрических сетей, контактные соединения, устройства защиты.



ANNOTATION

Koval' O.M. Influence of elements and structure of electric intranets on their fire hazard is Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree candidate of engineerings sciences if speciality 21.06.02 - fire safety is the Ukrainian research institute of fire safety of MINISTRY of emergency measures of Ukraine, Kyiv, 2008.

Dissertation is devoted the ground and the development of organizational measures and hardwares directed on the decline of fire hazard of elements of electric networks in a housing sector.

With the purpose of an estimation of stationary and dynamic electro thermal processes in internal electric networks, there are developed the mathematical models on the basis of balance of energy, which in comparison with existent one, take into account the specific electric and thermal parameters of materials.

In this work researched the experimental researches of the modes of heading of electric park as a whole and there separate elements on the basis of which the difference of temperatures of heating identical a current of loading of rectilinear wire is established in the part of wire with a corner of bend 90° and in the places of contact connections by the method of "skrutkil" and by spiral connection on a terminal block.

On the basis of analysis of the got results of researches new technical decisions are developed the use of which will be instrumental in the decline of fire hazard of electric networks in a housing sector due to limitation of places of local overheat of the electric systems.

Keywords: electric intranet, contact connections, thermal overloads, short circuits, devices of defence, normative documents.

Размещено на Allbest.ru