Пожарная опасность аварийных режимов в сетях электрооборудования автотранспортных средств

Актуальность темы

исследования. Автомобильный транспорт играет огромную роль в единой транспортной системе государства, существенно влияя на развитие экономики. С каждым годом в Российской Федерации растет потребность в автомобильных 1рузовых и пассажирских перевозках как внутри страны, так и в рамках различного рода связей с государствами ближнего и дальнего зарубежья. Растут и потребности в легковом транспорте, удовлетворяемые как за счет продукции отечественной автопромышленности, так за счет импортирования автотранспортных средств, причем изрядную часть последних составляют подержанные автомобили. Это неизбежно влечет постоянное увеличение общей численности автомобильного парка и, соответственно, рост аварийности как в абсолютном, так и в относительном выражении.

Следует отметить, что наряду с задачей удовлетворения потребностей в автотранспортных средствах решаются вопросы совершенствования их конструкции, повышения безопасности и комфортабельности. Так, в Федеральном законе «О техническом регулировании» от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ и Федеральном законе «О безопасности дорожного движения» от 10.12.1995 г. № 196-ФЗ важнейшим решением задач по безопасности людей и обеспечения сохранности имущества и др.

Современное автотранспортное средство — это сложное сочетание технических устройств, являющихся последними достижениями науки, инженерной мысли и производства. Наряду с этим в автотранспортных средствах конструктивно объединяются элементы и системы, в которых неисправности или экстремальные режимы эксплуатации могут не только привести к дорожно-транспортным происшествиям (ДТП), но и быть опасными с точки зрения возникновения пожаров.

Согласно Федеральному закону «О пожарной безопасности» от 21.12.1994 г. № 69-ФЗ, «пожар — неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства» .

Указанные в законе последствия характерны и для пожаров на автотранспортных средствах.

Пожары на автотранспортных средствах могут возникать от внешних и внутренних источников зажигания, появление которых вызывается нарушением правил эксплуатации автотранспортных средств, правил обеспечения пожа-робезопасности и взрывобезопасности при заправке топливом или перевозке горючих веществ. К пожару могут привести конструктивные недостатки автотранспортных средств, эксплуатационные повреждения и повреждения при ДТП, а также поджоги, в том числе и с сокрытием под техническую причину.

Число пожаров на автотранспортных средствах велико. Статистические данные о пожарах в России свидетельствуют о значительной доле числа пожаров на автотранспортных средствах в общей статистике пожаров: в 2000 г. произошло 14 200 пожаров на автомобильном транспорте, что составляет 5,8% от общего числа пожаров в стране, а в 2001 г. этот показатель достиг 6,1% (14 995 пожаров) [1], т. е. в среднем каждый шестнадцатый пожар.

Пожары на автотранспортных средствах относятся, как правило, к особо тяжелым авариям и часто приводят к травматизму и человеческим жертвам [1].

Установление причин пожаров в каждом таком случае помогает разработке и осуществлению конкретные мероприятий по предупреждению пожаров.

Одной из наиболее распространенных причин пожаров на автотранспортных средствах, согласно статистическим данным, являются пожароопасные проявления дефектов или нарушения правил эксплуатации электрооборудования [1]. Электрооборудование автотранспортных средств представляет источники и потребители электроэнергии, соединенные по определенным, достаточно сложным схемам. На электрооборудование в среднем приходится (20−30)% всех неисправностей автотранспортных средств [63], что свидетельствует о его значительном влиянии на надежность и эффективность эксплуатации автотранспортных средств. Поэтому для снижения пожарной опасности электрооборудования автотранспортных средств необходимо более подробно исследовать электрическое оборудование и аварийные режимы, происходящие в нем.

Электрооборудование автотранспортных средств различное по своему назначению составляет единый многофункциональный комплекс. Каждый элемент электрооборудования автотранспортных средств после происшедшего пожара должен исследоваться ¿-ля того, чтобы попытаться обнаружить на нем признаки, свидетельствующие о наличии в нем аварийного явления, и объяснить связь этого явления с пожаром.

Изучение литературных источников [2−4,17,58,63,68,69] показало, что по данной проблеме выполнено крайне мало исследований. Несмотря на ряд попыток исследовать пожарную опасность электрооборудования автотранспортных средств, существенные какие-либо методические разработки на данный момент не были получены. При этом основное внимание исследователи уделяли только электропроводке авт ('транспортных средств как наиболее протяженному элементу электрооборудования и поэтому, естественно, наиболее подверженному повреждению по той или иной причине.

Выполненные ранее работы не в полной мере отвечают вопросам, возникающим в практике исследования дефектов электрооборудования, приводящих к пожарам на автотранспортных средствах. Подавляющее большинство подобных исследований посвящено изучению механизма аварийных явлений в электроустановках переменного тока, главным образом при напряжении 220−380 В, в то время как на борту автотранспортных средств электросеть снабжена источником постоянного тока (электрогенератора, аккумуляторной батареи) с напряжением, колеблющимся в пределах 8−24 В. При столь низком напряжении условия для зажигания электрической дуги и ее поддержания существенно отличаются от тех, для которых предназначены существующие методические разработки. Наряду с этим, в элементах электропроводки автотранспортных средств, не только в аварийных, но и в штатных режимах, могут протекать токи большой величины.

Неоднозначно мнение специалистов и о том, можно ли при исследовании электропроводов бортовой электросети автотранспортных средств воспользоваться методиками, разработанными для различных компонентов электросетей. Недостаточно также прояснена роль аппаратов электрозащиты в обеспечении пожарной безопасности автотранспортных средств, в случае возникновения в бортовой электросети аварийных режимов.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлено фактическим отсутствием методических разработок, позволяющих надежно диагностировать аварийные режимы, приводящие к пожарам в электрооборудовании автотранспортных средств и в то же время, необходимостью проверки применимости и надлежащей корректировки существующих методических разработок по анализу аварийных режимов в электросети автотранспортных средств.

Цель и задачи исследований. Цель настоящего диссертационного исследования состоит в получении новых данных о механизме разрушения в бортовом электрооборудовании аьтотранспортных средств материалов электропроводов при интенсивном термическом воздействии в условиях пожара и электродуговых процессов и совершенствовании на основе полученных результатов методического обеспечения исследования причастности аварийных явлений на них приводящих к возникновению пожаров на автотранспортных средствах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Анализ компоновки и электроэнергетических характеристик основных элементов электрооборудования автотранспортных средств, а также факторов, обусловливающих их пожарную опасность при штатных и аварийных режимах работы;

2) Анализ литературных источников по проблемам теплоустойчивости и пожарной опасности элементов электрооборудования автотранспортных средств, а также по методам диагностического исследования элементов электрооборудования автотранспортных средств со следами со следами термического воздействия, изымаемых с мест пожаров;

3) Теоретический анализ состояния отдельных элементов электросети автотранспортных средств (электропроводов и плавких предохранителей) при аварийных режимах работы с целью создания методики расчетной оценки критических параметров, характеризующих их состояние и работоспособность;

4) Создание экспериментальной установки, позволяющей моделировать пожароопасные токовые нагрузки при испытаниях отдельных элементов электросети автотранспортных средств (электропроводов и плавких предохранителей);

5) Проведение экспериментальных исследований электропроводов и плавких предохранителей автотранспортных средств с целью выявления внешних и внутренних признаков, характеризующих природу и параметры аварийных пожарных режимов, вызвавших их разрушение.

Объект и предмет исследования. Объектом данного исследования является электрооборудование автотранспортных средств и пожароопасные процессы, происходящие в его элементах при штатных и аварийных режимах работы.

Предметом исследования выступают закономерности формирования на элементах электрооборудовании автотранспортных средств внешних и внутренних следов и признаков, позволяющих при проведении исследования диагностировать параметры и условия вызвавших их процессов, вид и природу аварийных режимов.

Научная новизна диссертационного исследования. В данной работе впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования пожароопасных аварийных режимов в электрических сетях автотранспортных средств.

В результате исследований вскрыты особенности механизма следообра-зования на электропроводах при аварийных режимах, характерных для электросетей автотранспортных средств:

— установлены закономерности изменения морфологических и структурных характеристик электропроводов автотранспортных средств при термическом воздействии вследствие протекания электрического тока, а также при термическом воздействии пожара;

— получены аналитические зависимости для расчета критических параметров электрических проводов и предохранителей электросетей автотранспортных средств;

— разработан, новый методический подход диагностики аварийных режимов работы электрооборудования автотранспортных средств основанной на использовании результатов морфологических и материаловедческих исследований в сочетании с анализом функционирования электрооборудования автотранспортных средств на момент пожара и пожарно-техническим исследованием.

Практическая значимость исследования. Практическая значимость основных положений диссертационной работы заключается в создании научно обоснованных рекомендаций с целью установления причин пожаров на автотранспортных средствах и разработки мероприятий по их предотвращению.

Результаты исследования дополняют существующее методическое обеспечение оценки причастности аварийных явлений в электрооборудовании к возникновению пожаров на автотранспортных средствах.

Реализация работы. Результаты, полученные в ходе диссертационных исследований, использованы в практике производства пожарно-технических исследований и экспертиз при расследовании пожаров автотранспортных средств в Государственном учреждении «Экспертный криминалистический центр (ГУ ЭКЦ) МВД РФ, при подготовке монографии «Исследование причин возгорания автотранспортных средств» (изд. ГУ ЭКЦ МВД РФ, 2002), а также в учебном процессе по курсу «Расследование и экспертиза пожаров» в Академии ГПС МЧС России.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: 9-я конференция «Системы безопасности» (Академии государственной противопожарной службы (ГПС) МВД РФ, 2000) — «Криминалистика XXI век» (ГУ ЭКЦ МВД РФ, 2001) — 10-я конференция «Системы безопасности» (Академии ГПС МВД РФ, 2001).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в семи статьях и одной монографии.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Комплексный подход при исследовании пожаров в электрооборудовании автотранспортных средств, основывающийся на том, что его электрооборудование составляет единый многофункциональный комплекс.

2. Дополнение, уточнение условий и порядка применения существующих в настоящее время методик исследования медных проводников со следами аварийных режимов работы для ди агностирования аварийных режимов в электросетях автотранспортных средств при исследовании механизма возникновения пожаров транспортных средств.

3. Система следов и признаков пожароопасных аварийных режимов работы электропроводов автотранспортных средств, полученная на основе результатов проведенных экспериментальных исследований.

4. Расчетный метод оценки критических параметров электропроводов при аварийных режимах в электросетях автотранспортных средств.

5. Экспериментальная установка для моделирования аварийных режимов в элементах сети электрооборудзвания автотранспортных средств.

6. Предложения по упорядочению контроля качества автомобильных плавких предохранителей, реализуемых через торговую сеть.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность сотрудникам ГУ ЭКЦ МВД РФ за предоставление лабораторной базы и помощь при проведении экспериментов и обработке их результатов, руководству и профессорско-преподавательскому составу Академии ГПС МЧС России, а также сотрудникам ФГУ ВНИИПО МЧС России, активно способствовавшим выполнению настоящей работы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

Q — количество теплоты, ДжI — сила тока, Ат — время, си — напряжение, ВР — мощность тока, Вткоэффициент кратности свсрхтока- /".- ток КЗ, А;

1Д, 1р — допустимый длительный ток, А, и рабочий ток, А;

Дном. номинальный электрический ток, А;

1доп — допустимый электрический ток, Аик — падение напряжения на контактном соединении, В;

Я.к — переходное электрическое сопротивление, Ом;

Тдсреднеобъемная температура контакт-деталей, К;

Тисреднеобъемная температур>1 электроизделия, Кл.

5асуммарную площадь поверхности контакт-деталей, м — л.

5- площадь поверхности изделил или защитной оболочки, м — Шт — падение напряжения на контактном соединении, В- / - порядковый номер «плохого» контакта;

Д (/гГ япадение напряжения при протекании электрического тока через переходное сопротивление «-го ядра «плохого» контактаТ-шп — температура плавления материала ¿—го электроконтакта, КТкд0- среднеобъемная температура контакт-деталей, КТп — нормальная среднеобъемная температура контакт-деталей, 290КА11т — значения падения напряже ний на контактных парах деталей, В- 11юл1 — номинальный ток срабатыьания предохранителя, АК, р. — пограничный ток срабатьп. ания плавкого предохранителя, Ас, -удельная теплоемкость плавкого элементат, — масса плавкого элемента, кг;

0 — электрическое сопротивление плавкого элемента при 273КРос1 — поверхность охлажденияа — коэффициент теплоотдачик2- нагрузочный параметр;

ТнамГ температура плавкого элемента в номинальном режиме, КТм — температура плавления металла плавкого элемента, К- 5 — площадь, м2;

Р — периметр поперечного сечения плавкой вставки предохранителя. / - фактический пограничный ток предохранителя, Аплощадь поверхности предохранителяТср." средняя температура поверхности предохранителя. Я, — коэффициент теплопроводности материала шиныа, — коэффициент теплоотдачи с поверхности шиныБш — площадь поперечного сечен ля шиныРпер.~ периметр поперечного сечения шины. аиг1- коэффициент теплоотдачи излученияе — степень черноты охлаждаемой поверхностиаК — коэффициент конвективной теплоотдачиСи — удельная теплоемкость изоляцииЯи — коэффициент теплопроводности изоляцииСм — удельная теплоемкость метялла жилы проводаЯ&bdquo-.- коэффициент теплопроводности металла жилы проводаЯисопротивление тепловому т. отоку, рассеиваемому в окружающую среду, в слое изоляции электропроводника- /?" — дополнительное сопротивление тепловому потоку у наружной поверхности изоляцииqe — тепловой поток;

К2- коэффициент обратный сопротивлению теплоотдачи от провода в окружающую средуЯ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) — температурный коэффициен т удельного электрического сопротивления, 1/(Ом-м-К) — а&bdquo- - коэффициент теплообмена л уги с окружающей средой, Вт/(мК) — г&bdquo- - радиус дуги электрического разряда, мик — падение напряжения на электрическом контакте (соединении), ВИк — переходное электрическое сопротивление, ОмТ- среднеобъемная температура контакт-деталей, КТи — среднеобъемная температура изделия или защитной оболочки, К.

— суммарную площадь поверхности контакт-деталей, м2;

Рто — электрическая мощность рассеиваемую в плохом контакте, ВтТС, Т{) — - температура окружающей среды, КРт ы — рассеиваемая электрическая мощность, Вт;

Судельная теплоемкость, Дж/(кг-К) — Л — сопротивление, ОмТ — текущая температура поверхности, КТстемпература окружающей среды, К;

— площадь поверхности проводника, м2;

Тп — температура поверхности провода до начала аварийного режима, Кт — масса вещества, кгV — объем, м ;

5 — сечение канала протекания тока, м2- Ь0 — длина канала, мр- удельное электрическое сопротивление в канале, Ом-м.

X — характеристика вещества, Дж-Ом-м" 2.

1(2- тепловой поток, Вт;

Тс — температура среды, К;

Якрадиус кабеля, м;

Я^ - радиус токопроводящей жилы, м;

Би1 — площадь теплообмена изоляции, м ;

ТЛ1 — температура жилой проводника, К;

Г|- радиус токопроводящей жилы провода;

Гг.- радиус провода;

Ти — температура поверхности изоляции, КТс — температура окружающей провод среды, КТм.- температура поверхности жчлы провода, К.

С&bdquo- - удельной теплоемкостью изоляции- 2 — массовая доля кислорода в сплаве, % - площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эвтектикойтРп<)-1,~-3 — расчетные критические значения времени нагрева изоляции, стэпд—3 — экспериментальные значения времени нагрева изоляции, с.

АТСавтомобильное транспортное средство;

АКБаккумуляторная батарей;

КЗкороткое замыкание;

ГЖгорючая жидкость;

ГГгорючий газ;

ДТПдорожно-транспортное происшествие, аварияБПблок питанияБН— блок нагреваКБкоммутационный блок;

БИС— блок измерительных средств-БОБУР— блок обеспечения безопасности условий работы.

ВБвыпрямительный блокБРТ— блок регулировки тока;

БРблок регистрирующий;

Выводы по главе III:

1. Показатели кратности срабатывания предохранителей по отношению к номинальному току, полученные в экспериментах, колеблются от 0,9 до 3,27, что в ряде случаев является недопустимым с точки зрения надежности и пожаробезопасное&trade-.

2. Во время исследования предохранителей при их срабатывании в ряде случаев происходили деформация его корпуса и даже его возгорание.

3. Реальная защита электрических цепей автотранспортных средств часто не обеспечивается, несмотря на наличие плавких предохранителей. За время до срабатывания плавкого предохранителя (или его несрабатывания в перегруженной электрической цепи) защищаемый им электрический провод (провода) может быть лишен изоляции в результате перегрузки.

4. Материал корпусов отдельных видов предохранителей выполняется из горючего материала (пластмассы), что на практике при перегорании плавкого элемента предохранителя может привести к загоранию его корпуса.

6. Необходимо усилить контроль качества при производстве автомобильных плавких предохранителей, а также при их реализации через торговую сеть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам диссертационных исследований, проведенных в соответствии с поставленными задачами, получены следующие основные выводы:

Согласно статистическим данным, более 30% пожаров на автотранспортных средствах в РФ произошли по вине электрооборудования — в результате неисправности или нарушений правил эксплуатации. При этом электрическая проводка является самым уязвимым элементом электрооборудования автотранспортного средства.

В результате анализа опубликованных работ установлено, что в настоящее время не имеется экспертных методик, предназначенных для исследования причастности аварийных режимов в электросети автотранспортных средств к возникновению пожаров. Ныне существующие методики предназначены для установления причин разрушения электропроводов напряжением 220В-380 В, в то время как в автотранспортных средствах напряжение в электрооборудовании составляет преимущественно 12 В, при этом вышеупомянутые методики разработаны для однопроволочных проводов, в электросети же автотранспортного средства используются только многопроволочные медные провода, имеющие принципиально иные конструктивные характеристики, что непосредственно влияет как на механизм их разрушения, так и на особенности методики их исследования.

Для решения поставленных в настоящей работе задач создана экспериментальная установка токового нагружения, позволяющая плавно регулировать постоянный электрический ток. Созданная экспериментальная установка мо^сет быть рекомендована для использования при оснащении лабораторий, в которых проводятся исследования аварийных режимов работы электрооборудования, в том числе при изучении их связи с возникновением пожаров.

Установлено, что локальное оплавление металла жилы провода в результате термических воздействий на провода, характерных для аварийных режимов при диффузионном горении пожарной нагрузки автотранспортного средства, маловероятно, особенно, в условиях непродолжительного по времени пожара.

При возникновении аварийных режимов в виде КЗ разрушение материала жилы провода может происходить как в месте непосредственного контактирования жил (дуговое КЗ), так и в любом другом месте (возможно на значительном удалении) по механизму перегрузки (в месте контакта происходит «зали-пание» или металлическое КЗ).

При морфологическом исследовании проводов, разрушенных локальными термическими воздействиями и аварийным режимом в виде КЗ, формируются схожие визуальные признаки.

По выявленным признакам возможно отличать аварийные режимы в виде КЗ от аварийных режимов в виде перегрузок.

Рентгеноструктурное исследование разрушенных автомобильных проводов не позволяет однозначно ответить на вопросы о причине их разрушения, а также момента КЗ.

Иная конструкция применяемых проводов в автотранспортных средствах требует иной методики отбора и пробоподготовки исследуемых образцов, отличной от методики для обычных однопроволочных электропроводов;

При проведении исследований установлено, что при аварийных режимах в электропроводах автотранспортных средствах не образуются такие диагностические признаки, которые могли бы быть надежно выявлены согласно ныне существующих методик современными научно-техническими средствами при установлении времени (момента) возникновения аварийного режима в виде короткого замыкания относительно начала пожара;

Отличить разрушение проводов внешним локальным термическим воздействием от других видов разрушений возможно лишь путем комплексного анализа морфологических признаков и металлографического исследования микроструктуры проводников;

В сравнительных экспериментах установлено, что вид тока (переменный, постоянный ток) при прочих равных условиях аварийного режима в электропроводе не оказывает какого-либо влияния на процесс разрушения медных проводов и образующиеся при этом признаки.

Полученные с использованием разработанного расчетного метода данные о нагревании электропроводов под токовой нагрузкой до критического порога сохранности изоляции в целом совпадают с экспериментальными данными, что позволяет прогнозировать нагрев провода в зависимости от токовой нагрузки и условий окружающей среды.

Параметры срабатывания аппаратов защиты в значительной степени предопределяют возможность возникновения опасных факторов аварийных режимов в электрооборудовании автотранспортных средствах.

Автомобильные плавкие предохранители, серийно выпускаемые и реализуемые через торговую сеть, далеко не всегда соответствуют по своим характеристикам требованиям норм. Реальная защита электрических цепей автотранспортных средств часто не обеспечивается, несмотря на наличие плавких предохранителей. За время до срабатывания плавкого предохранителя (или его несрабатывания в перегруженной электрической цепи) защищаемый им электрический провод (провода) может быть лишен изоляции в результате перегрузки. Во многих случаях при испытаниях предохранителей под токовой нагрузкой было зафиксировано опасное перегревание контактов, плавление и обугливание корпуса и даже его воспламенение. В этой связи представляется необходимым более строго подходить к конструкции самих применяемых предохранителей и их крепежа, порядку размещения аппаратов защиты на автомобиле в зависимости от назначения защищаемых электроцепей, а также к контролю качества и — в особенности — основных технических параметров при производстве и реализации. От надежности защиты электроцепей автотранспортных средств плавкими предохранителями напрямую зависят безопасность жизни и здоровья людей, а также их имущества, что напрямую подпадает под действие Федерального закона «О техническом регулировании» № 184-ФЗ от 27.12.2002 г.

При установлении причины пожара необходимо в комплексе проводить исследование систем, узлов и агрегатов автотранспортных средств которые могут иметь отношение к возникновению пожара, в сочетании с информацией об обстоятельствах происшествия, об исходном техническом состоянии автотранспортных средств и результатам пожарно-технического исследования.

Момент возникновения аварийного режима (до или после пожара) в виде КЗ, установленный с помощью инструментальных методов, упомянутых выше, не должен однозначно ассоциироваться с наличием или отсутствием причинно-следственной связи КЗ с причиной пожара. Связь аварийного (аварийных) режимов с возникновением пожара на автотранспортных средствах можно установить лишь на основе комплексного исследования электрических и тепловых процессов, имеющих место на пожаре.