Особенности влияния заземления электрооборудования на систему противопожарной защиты

Аннотация. Статья посвящена исследованию влияния заземляющих устройств сети электроснабжения на пожарную опасность технических средств системы противопожарной защиты. Рассмотрены особенности проявления характерных пожароопасных режимов при замыкании фазы сети на открытые проводящие части. Показано, что вероятность возникновения пожароопасных режимов, связанных с системой противопожарной защиты, зависит от исправного состояния электрической защиты и от типа заземления в здании. Отмечено, что при утечке на землю ток не будет пожароопасным вследствие ограничения его сопротивлением заземляющего устройства и грунта.

Ключевые слова: электроснабжение здания, технические средства противопожарной защиты, открытые проводящие части, тип заземления, пожароопасный аварийный режим, ток замыкания на землю, РЕ-проводник, электрический прибор.

Введение

Защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара в ряде случаев осуществляется с использованием электрических технических средств системы противопожарной защиты (ТС СПЗ). При их применении должен быть решен вопрос обеспечения электробезопасности людей, что требует заземления открытых проводящих частей (ОПЧ). Вопросы монтажа и эксплуатации устройства заземления (УЗ) в целях обеспечения электрической безопасности при попадании фазного напряжения на открытые проводящие и заземленные элементы электрооборудования и приборов отражены в соответствующих источниках [1–5] и в нормативной базе (Правила устройства электроустановок [6], ГОСТ Р 50571.5.54–2013 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Выбор и монтаж электрооборудования. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов» [7]). Для технических средств информационных технологий требования безопасности и рекомендуемые типы заземления приведены в ГОСТ IEC 60950-1–2014 «Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 1. Общие требования» [8]. Вместе с тем влиянию состояния УЗ на пожарную опасность электрооборудования сети здания и электрических приборов уделено недостаточное внимание [9]. Данное положение распространяется и на электрические технические средства системы противопожарной защиты.

Влияние УЗ на пожарную опасность электрооборудования ТС СПЗ имеет особенности, на которые следует обратить внимание. В электрооборудовании (включая электрические сети здания) ежегодно возникает значительное количество пожаров. В соответствии с федеральной базой данных 2022 года в Российской Федерации 62 896 пожаров возникло от электрических изделий [10].

К сожалению, в статистике четких данных о влиянии заземления на количество пожаров не отражается. В технической литературе также отсутствует информация о проведенных научных исследованиях по оценке влияния особенностей типа заземления на пожарную безопасность электрооборудования СПЗ. Причастность УЗ к пожару устанавливается лишь при выполнении экспертных исследований по уголовным делам в ходе рассмотрения их в суде [11].

Вместе с тем известно, что для исключения пожароопасных режимов в электрооборудовании применяются соответствующие аппараты и устройства электрической защиты. Но пожары возникают, как правило, когда защита не выполняет своих функций. Применительно к ТС СПЗ следует отметить, что состояние электрической защиты цепей питания напрямую связано с их пожарной безопасностью. В связи с этим важными представляются вопросы пожарной безопасности, обусловленные состоянием аппаратов защиты и цепей заземления в процессе работы ТС СПЗ, особенно в дежурном режиме. Обнаружить неисправное состояние, например, автоматического выключателя без профессиональной его проверки весьма затруднительно. И поэтому может сложиться ситуация, кода аварийный пожароопасный режим в цепи питания ТС СПЗ возникнет при неисправном (загрубленном) аппарате защиты, а это может привести к загоранию одного из элементов в цепи питания системы обнаружения пожара, оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре.

Охарактеризовать пожароопасные режимы, связанные с состоянием использованного типа заземления, можно как функцию от определяющих их параметров в следующем виде:

F_поi = f (I_кз, t_кз), (1)

где F_поi – параметр, определяющий возможность пожароопасных режимов в i-й цепи электропитания ТС СПЗ при замыкании фазы на открытые проводящие части электрооборудования и приборов; I_кз – ток, образующийся при замыкании фазы на заземленные части технических средств системы противопожарной защиты; t_кз – время протекания тока по цепи замыкания фазы на заземленные элементы, определяемое время токовой характеристикой срабатывания аппарата защиты.

Пожароопасные режимы в электрической сети при замыкании фазы на открытые проводящие части ТС СПЗ

В электротехнике замыкание фазы на ОПЧ относится к аварийному режиму работы. При правильно спроектированной и исправной защите этот режим ограничивается по времени и не перерастает в пожароопасный, при котором возникает источник зажигания с последующим распространением горения. Следовательно, этот аварийный режим становится пожароопасным, если примененная электрическая защита не выполняет своих функций.

Характерные пожароопасные режимы при замыкании фазы на ОПЧ обладают особенностями, которые имеют некоторые различия при разных схемах, используемых для заземления электрооборудования и приборов. Наиболее широко в зданиях для заземления электрооборудования и приборов применяются типы TN-S, TN-C, TN-C-S, TT. Рассматривая схемы электроснабжения жилых и общественных зданий с этими типами заземления, можно выделить наиболее характерные аварийные режимы, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации и представляют пожарную опасность для элементов электрооборудования и приборов. Степень проявления пожарной опасности и ее характерные особенности для каждой из этих схем несколько различаются и взаимосвязаны с состоянием УЗ и электрической защиты.

В рамках проведенных в ФГБУ ВНИИПО МЧС России исследований было проанализировано влияние на пожарную опасность электрооборудования ТС СПЗ при возможных замыканиях фазы на заземленные элементы (включая РЕ-проводник). В процессе исследований учитывалась возможность возникновения неисправностей УЗ и аппаратов электрической защиты.

Многолетний опыт эксплуатации и известные решения по электроснабжению электрооборудования с заземленными элементами показали достаточно эффективную защиту персонала от поражения электрическим током. Но остаются вопросы, касающиеся влияния УЗ на пожарную безопасность элементов электрооборудования и условий, при которых УЗ могут быть причастны к появлению загорания и распространению горения. Характерным в этом случае представляется состояние УЗ и электрической защиты в совокупности событий, способствующих возникновению пожара. Устройство заземления считается корректным, если выполнено в соответствии с действующими нормативными положениями ПУЭ [6] и ГОСТ Р 50571.5.54–2013 [7]. Нормируемое значение этого сопротивления составляет от 4 до 10 Ом для электроснабжения с напряжением сети 380 В.

В случае замыкания фазного проводника на заземленную оболочку возникает пожароопасный аварийный режим с локальным перегревом отдельных элементов электрооборудования и системы заземления с последующим возгоранием изоляционных материалов из-за возникающего сверхтока, с потерей работоспособности электрооборудования, в том числе и ТС СПЗ. При этом возможно загорание веществ и материалов, обращающихся в зоне электропроводки и электрооборудования, находящегося в аварийном режиме.

В рамках проведенных исследований рассмотрены наиболее характерные пожароопасные режимы, обусловленные отказами элементов системы электроснабжения при замыкании фазы на РЕ-проводник, на заземленные элементы приборов и ОПЧ оборудования в системах TN и ТТ.

Результаты анализа аварийных режимов в сетях с заземлением типа TN и ТТ

Анализ систем заземления типов TN-S, TN-С и ТТ показал, что переход на электроснабжение зданий электропроводками с РЕ-проводником позволил повысить уровень электробезопасности людей, но при этом возросла пожарная опасность элементов электрической сети, электрооборудования и электрических приборов. Связано это с тем, что введение в сеть нулевого защитного проводника (РЕ) приводит к вероятности появления еще одного аварийного пожароопасного режима – замыкания фазного провода на РЕ-проводник дополнительно к возможным аварийным замыканиям на рабочий нулевой проводник (N).

Тогда вероятность возникновения пожароопасного режима будет характеризоваться вероятностью замыкания фазного провода на нулевой рабочий проводник (N) или РЕ-проводник:

Q_П.Р = 1 – П (1 – Q_П.Р(N)) (1 – Q_П.Р(PE)), (2)

где Q_П.Р(N) – вероятность замыкания фазного провода на рабочий проводник (N); Q_П.Р(PE) – вероятность замыкания фазного провода на защитный проводник (РЕ).

В результате вероятность возникновения пожароопасных режимов повышается и определяется надежностью и стойкостью изоляции фазного, N и РЕ проводов к нагреву.

В случае отсутствия защиты и возникновения пожароопасного режима замыкания фазы на ОПЧ проводники фазы и заземляющего провода могут нагреться до температур, при которых они становятся источниками зажигания для изоляционного материала проводов, кабелей и электрических приборов [12]. Из этого следует, что все трехпроводные электрические сети с защитным РЕ-проводником должны быть оснащены устройствами защитного отключения дифференциального тока (УДТ) с учетом селективности их срабатывания. Но их применение исключено для систем противопожарной защиты [13]. Выполнение нормативных требований и периодический контроль состояния УЗ и аппаратов электрической защиты является одной из задач энергетических служб объектов. Эти мероприятия должны проводиться одновременно при проверке работоспособности аппаратов электрической защиты и УЗ, так как при их неисправности может произойти загорание элементов, связанных с системой заземления, в том числе и ТС СПЗ.

В целях сохранения работоспособности ТС СПЗ до полного выхода из строя в процессе работы нормативно исключается применение в цепях их питания устройства защитного отключения дифференциального тока. Но исследования показали, что возгорание в электронном приборе может произойти при возникновении аварийного режима уже при токе менее 300 мА (например, при пробое конденсатора на вводе питания в прибор). В этом случае значительный диапазон возможных пожароопасных токов остается не защищенным при работе ТС СПЗ в дежурном режиме.

Практика эксплуатации электрических сетей зданий показывает, что бывают случаи, когда происходит обрыв рабочего нулевого провода (N) и попадание фазы на РЕ-проводник, приводящие к пожароопасной ситуации. Тогда ток будет протекать по РЕ-проводнику к заземленному полюсу питающего трансформатора. Кроме того, в этом случае произойдет перекос фазных напряжений и возникает вероятность загорания приборов, оказавшихся под повышенным напряжением.

Если происходит обрыв нулевого и РЕ-проводника (при его наличии) одновременно от источника электроэнергии, то заземляющее устройство на входе сети в здание ограничит сверхток сопротивлением заземлителя и грунта земли до пожаробезопасных значений.

Особенности влияния на пожарную опасность наиболее характерных, связанных с заземлением электрооборудования режимов для возможных его состояний во взаимосвязи с аппаратами защиты приведены в таблице.

Для установления возможности отнесения аварийного режима к характерному пожароопасному режиму и определения влияния его на пожарную опасность электрооборудования электрической сети и ТС СПЗ необходимо знать значение тока замыкания фазы на землю. Метод определения тока короткого замыкания I_КЗ с фазы на землю через параметры цепи «фаза – ноль» представлен в [14]:

I_КЗ = U_Ф / Z_П, (3)

где U_Ф – фазное напряжение сети; Z_П – полное сопротивление петли «фаза – ноль».

Пожароопасные проявления при замыкании фазы на РЕ-проводник в сетях зданий возможны, если одновременно происходят отказ защиты и обрыв рабочего нулевого проводника в процессе эксплуатации. Но это справедливо только для случаев, когда при возникновении замыкания на землю применяемые аппараты защиты не срабатывают (в случае заземления типа TN). При нормальном состоянии электропроводки сопротивление ЗУ оказывает незначительное влияние на ток утечки на землю. Поэтому его значение не попадает в пожароопасный диапазон токов, так как ограничивается сопротивлением грунта земли. Такое ограничение тока КЗ с фазы на землю исключает загорание приборов и питающих их проводов при обрыве N проводника, идущего от источника электроэнергии к зданию. Это возможно даже при отказе автоматических выключателей, плавких предохранителей и устройств защиты дифференциального тока. Так как заземляющее устройство и грунт ограничивают ток утечки, то он не создает пожароопасных режимов, а опасность будет представлять сверхток, протекающий по РЕ-проводнику с фазы, питающей прибор, к нулевой точке трансформатора источника питания. Кратности сверхтока для проводов питания приборов, имеющих меньшее сечение жил, чем электропроводка в здании (от 1,5 до 0,75 мм²), становятся опасными, так как протекающий по ним ток попадает в диапазон пожароопасных значений, при которых возможно возгорание изоляции. Следовательно, замыкание фазы на заземленные элементы оборудования и приборов может привести к перегреву питающих приборы проводов (шнуров) и их загоранию.

В системе ТТ заземление электрооборудования осуществляется с помощью отдельного контура, к которому присоединяются РЕ-проводники. К потребителю электроэнергии от источника прокладываются только фазный и нулевой рабочий проводник N. К наиболее характерному признаку такого режима следует отнести появление тока на землю с фазного провода на РЕ-проводник. Сверхток такого пожароопасного режима, протекающий по фазному проводу, на участке до места замыкания будет включать в себя ток нагрузки и ток утечки на землю. Результирующий ток будет незначительно больше номинального тока нагрузки, так как ток утечки на землю ограничивается сопротивлением ЗУ и сопротивлением участка грунта. Применение же УДТ может ограничить длительность аварийного режима без появления признаков пожарной опасности. Вместе с тем его срабатывание приведет к ограничению времени работы СПЗ в условиях пожара. В дежурном режиме, при отсутствии УДТ, в случае рассматриваемого аварийного режима будет происходить повышение температуры на жиле провода до температуры воспламенения изоляции (для поливинилхлорида [15] она равна примерно 350 °С), и это приведет к воспламенению электропроводки с остановкой работы СПЗ.

Заключение

В процессе эксплуатации электрооборудования ТС СПЗ в зданиях возможны неисправности элементов ЗУ. Если при этом защита от КЗ отсутствует, неисправна или выбрана неправильно, то возникающие замыкания на ОПЧ приведут к загоранию, обусловленному тепловым воздействием тока и термическим разрушением изоляционного материала. Особенно это значимо для РЕ-проводника приборов с металлической оболочкой. При этом длительность замыкания может быть ограничена либо срабатыванием селективной защиты в сети, либо перегоранием (переплавлением) токопроводящей жилы провода (ТПЖ). В большей степени это характерно для проводов питания прибора, находящегося в режиме КЗ фазы на заземленные элементы конструкции.

Выполненный анализ результатов исследований показал, что пожарная безопасность сетей электроснабжения, включая защиту от возгорания потребителей электроэнергии (в данном случае ТС СПЗ), во многом зависит от состояния нулевых рабочих и защитных проводников (N, PE, PEN), надежности автоматических выключателей и собственной электронной защиты приборов без применения УДТ, так как оно запрещено для использования в СПЗ сводом правил СП 6.13130.2021.

На основе проведенного в статье анализа литературных данных и результатов выполненных исследований следует отметить следующее:

УДТ не допускается для применения в целях обеспечения максимального времени продолжения работы СПЗ при пожаре в случае появления тока утечки:

Перейти к содержимому PDF