Пожарная безопасность электрических вторичных распределительных щитов подводных лодок


А. И. КОВАЛЕВ









ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВТОРИЧНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЩИТОВ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК


Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК614.84:623.827
ББК31.28н
    К56

Рецензенты:
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр» Ковтун Лев Игнатьевич;
сопредседатель проблемного комитета «Электробезопасность» Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности
доктор технических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности СПГЭТУ «ЛЭТИ» Иванов Евгений Алексеевич





      Ковалев, А. И.
К56 Пожарная безопасность электрических вторичных распределительных щитов подводных лодок : монография / А. И. Ковалев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 248 с. : ил., табл.
         ISBN978-5-9729-1029-8

    Представлена методика оценки опасности возникновения пожаров в распределительных щитах в эксплуатационных условиях, в том числе с целью создания экспертной системы борьбы за живучесть в отсеках. Рассчитаны информативные параметры пожароопасных состояний щитов. Разработаны практические меры защиты от попадания электроэнергетических систем в пожароопасные состояния.
    Для специалистов, занимающихся электроэнергетическими системами подводных лодок в аварийных условиях. Может быть полезно студентам, интересующимся вопросами безопасности электрооборудования.

УДК614.84:623.827
                                             ББК31.28н





ISBN 978-5-9729-1029-8

   © Ковалев А. И., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.................................6
ВВЕДЕНИЕ Предварительный обзор нижеследующего.......................7
ГЛАВА1
ОЦЕНКА ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ВРЩ
ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ............................23
    1.1. Классификация общего качественного состояния ВРЩ.23
    1.2. Количественный показатель пожаробезопасности.....30
    1.3. Методика экспериментальных исследований.
    Экспериментальная установка. Оценка погрешности измерений.39
    1.4. Выводы...........................................53
ГЛАВА II
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ВРЩ
ПРИ НОРМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ
ВНЕШНЕЙ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ, ОТСУТСТВИИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ
И ПОВРЕЖДЕНИЙ.............................................56
    2.1. Факторный план и модель главных эффектов для выбора
    наиболее значимых факторов................................56
    2.2. Анализ результатов экспериментального исследования.
    Отсеивание незначимых факторов............................61
    2.3. Построение факторной модели для оценки пожаробезопасности ВРЩ в береговых сетях..............64
    2.4. Построение факторной модели для оценки
    пожаробезопасности ВРЩ в ЭЭС кораблей.................70
    2.5. Выводы...........................................78
ГЛАВА III
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ВРЩ ПРИ АВАРИЙНЫХ ПАРАМЕТРАХ ВНЕШНЕЙ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ И ТИПОВЫХ
ПОВРЕЖДЕНИЯХ..................................................81
    3.1. Пожаробезопасность ВРЩ при запаривании отсека........81

3

     3.2. Пожаробезопасность ВРЩ при повышенном давлении воздуха..........................90
     3.3. Пожаробезопасность ВРЩ при повышенном содержании в воздухе паров горюче-смазочных материалов.............100
     3.4. Пожаробезопасность ВРЩ при повышенном содержании кислорода в воздухе.....................................108
     3.5. Анализ влияния параметров кабелей на пожарную безопасность ВРЩ............................116
     3.6. Выводы.............................................120

ГЛАВА1У
ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ,

ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЙ ЩИТОВ........................125
    4.1. Процедура Кендалла минимизации пространства признаков......................125
    4.2. Определение весовых коэффициентов признаков и эталонных векторов классов состояний ВРЩ......131
    4.3. Оценкаэффективности методики распознавания.135
    4.4. Определение вероятностей безопасной работы ВРЩ и возгораний в ЭЭС..............................138
    4.5. Выводы.....................................143
ГЛАВАV
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СХЕМНО-

КОНСТРУКТИВНОМУ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ

ВРЩ И ОТДЕЛЬНЫМ ВОПРОСАМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ...................................147
    5.1. Вторичные распределительные щиты повышенной пожаробезопасности. Натурные испытания..............147
    5.2. Обеспечение нормального теплообмена в распределительных щитах...........................155
    5.3. Защита от наиболее пожароопасных дуговых КЗ в распределительных щитах..........................159
    5.4. Бездуговая коммутация токов КЗ в задаче повышения
    пожаробезопасности распределительных щитов.........168
    5.5. Выводы........................................192

4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................195
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.203
ПРИЛОЖЕНИЯ.......................215

5

      ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АВ - автоматический выключатель.
АПВ - автоматическое повторное включение.
ВРЩ - вторичный распределительный щит.
ГВМ - горючее вещество или материал.
ГСМ - горюче-смазочные материалы.
ДФЭ - дробный факторный эксперимент.
КЗ - короткое замыкание.
МТЭ - математическая теория планирования эксперимента.
НК - надводный корабль.
НФП - несимметричный факторный план.
ОКР - опытно-конструкторская работа.
ПДК - предельно допустимая концентрация.
ПЛ - подводная лодка.
ПФЭ - полный факторный эксперимент.
РМТ - реле максимального тока.
ТО - техническое описание.
ТУ - технические условия.
ЭДС - электродвижущая сила.
ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф.
ЭЭС - электроэнергетическая система.

6

ВВЕДЕНИЕ Предварительный обзор нижеследующего
     Опыт эксплуатации электроэнергетических систем (ЭЭС) подводных лодок (ПЛ) и надводных кораблей (НК) свидетельствует, что их пожарная безопасность в решающей степени зависит от возможности возникновения различных аварийных режимов. Основными аварийными режимами, приводящими к возникновению загораний кабелей и электрораспределительных устройств, являются режимы сверхтоков, которые могут иметь место при коротких замыканиях (КЗ), и в первую очередь дуговых [1]. При этом сверхтоки могут привести к загоранию, поскольку выделяемая при КЗ или перегрузке энергия достаточна для возникновения процесса пиролиза электроизоляционных материалов и последующего их зажигания. Электрическая же дуга сама является непосредственным источником зажигания.
     Накопленный опыт показывает, что вероятность возникновения аварий на кораблях остается достаточно высокой, несмотря на жесткие требования, предъявляемые к надежности общесудовых и технических средств. Поэтому достижение пожаробезопасности только за счет повышения надежности невозможно [2]. Согласно опубликованным статистическим данным в результате нарушений в работе электрооборудования электроэнергетических систем кораблей, связанных с короткими замыканиями, происходит до70% пожаров и возгораний от общего их числа.
     Современные корабельные ЭЭС большой мощности имеют разветвленные распределительные сети с большим количеством вторичных распределительных щитов (ВРЩ). В связи с этим повышается суммарная вероятность возникновения коротких замыканий в ВРЩ. Распределительные щиты являются одним из основных элементов повышенной пожарной опасности ЭЭС [3].

7

     Отличительные черты пожарной опасности подводных лодок обусловлены наличием на борту энергонасыщенного оборудования (мощные энергетические установки, аккумуляторы и дизельные генераторы, пороховые генераторы, патроны регенерации воздуха, способные выделять кислород, гореть и взрываться при контактах с водой и маслами), также наличием значительной горючей загрузки (изоляционные и отделочные материалы, кабельная продукция, масла, топливо) [4]. На качественное состояние ВРЩ существенное влияние оказывают специфические условия эксплуатации, характеризующиеся повышенной влажностью, запариванием, повышенным давлением воздуха, загрязненностью воздуха парами горюче-смазочных материалов (ГСМ), повышенной концентрацией кислорода.
     С точки зрения пожарной безопасности из всех параметров, характеризующих КЗ, принципиальное значение имеют переходное сопротивление в точке замыкания (глухое металлическое или через дугу), длительность КЗ и кратность тока КЗ [1]. Понятие пожарной безопасности в условиях КЗ является комплексным и употребляется для характеристики различных проявлений электрического тока, связанных с возникновением и развитием пожаров. Нас будет в первую очередь интересовать способность самого изделия (ВРЩ) быть источником пожара (воспламенение собственной изоляции с последующим возгоранием защитных или поддерживающих конструктивных элементов).
     В случае глухих металлических КЗ за ВРЩ, когда токоведущие части щитов испытывают действие сверхтоков, процесс нагрева можно считать протекающим без отдачи тепла в окружающую среду, то есть адиабатическим. В этом случае теплоотдача будет составлять (1^3) % потерь в проводнике. При этом не учитывают тепловое действие апериодической составляющей тока КЗ ввиду кратковременности ее существования. Тогда дифференциаль-

8

ное уравнение теплового баланса для режима КЗ, с учетом изменения удельного сопротивления и удельной теплоемкости с нагревом проводника, имеет вид [5]

1 t .
-2 J i dt = q о

-Cd 1+^ p0kДП 0н ¹⁺а& ,

(1)

где q - сечение проводника на фазу, мм²; t - момент отключения тока КЗ; 0к - температура проводника в момент отключения КЗ; 0н - температура проводника до начала КЗ; Р0, C0 - удельное сопротивление и удельная теплоемкость, соответственно, при 20 °C; а - температурный коэффициент сопротивления, 1/град; р - температурный коэффициент изменения теплоемкости, 1/град; у - теплоемкость материала, г/см³; kдп - коэффициент добавочных потерь.
     Величиной интеграла, стоящего в левой части уравнения (1), выражается термическая стойкость аппаратов, комплектующих распределительный щит. При этом термическая стойкость характеризуется максимально допустимой температурой 0ₘₐₓ, установленной нормами для кратковременного нагрева [6]. Проверка электрооборудования на термическую стойкость производится по условию

к


        ^

J1² dt


(2)

V ⁰   Jдоп

где Bк - тепловой импульс тока КЗ, то есть расчетное значение интеграла квадрата тока за время от начала КЗ до его полного отключения, кА² • с.
     Допустимое для аппарата значение интеграла, стоящего в правой части (2), берется из технических условий

9

(ТУ) на аппарат. Температура, до которой нагревается проводник током КЗ определяется по кривой 0к = f (Aк), приведенной, например, в [5, 6], в зависимости от величины Aк. Последняя получается как решение уравнения (1) по формуле


кА ²^с
    2 , мм

(3)


где Aн - величина, определенная по той же справочной кривой для установившейся температуры проводника до КЗ [6].
     Уравнение теплового баланса (1) может быть также решено относительно сечения q. Тогда минимальное сечение проводника, допустимое по условию термической стойкости


qmin

(4)


     Выбранное сечение токопровода q должно быть больше или равно qₘᵢₙ, то есть q > qₘᵢₙ .
     Из формулы (3) видно, что уменьшение сечения может явиться причиной возникновения пожара. С другой стороны, неправильное определение тока КЗ может привести к значительному превышению нагрева проводников токами КЗ свыше допустимых.
     Кроме нагрева и возгорания изоляции токопроводов током внешних металлических КЗ возможно также возгорание от дуговых замыканий, возникающих внутри ВРЩ. Существуют упрощенные инженерные методы расчета температуры «поверхности» дуги, являющейся основной характеристикой ее воспламеняющейся способности. Например, в [1] предложено полуэмпирическое выражение


10

для расчета температуры «поверхности» дуги для диапазона токов КЗ 500:1000 А:

Tn = Eд¹

750 г г

cos Eд

+ Tc .

I а

⁴О

     Здесь I - ток, А; Eд - энергия активации, Дж/моль; 1 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Р - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, 1/ (Ом-м-К); г - радиус дуги электрического разряда, м; а - коэффициент теплообмена дуги с окружающей средой, Вт/(м²^К); Tc - температура окружающей среды, К.
     Приведенные примеры аналитического решения задач по определению пожарной безопасности электрооборудования являются перспективными с точки зрения создания на их базе соответствующих расчетных методов [1, 7]. Однако отмеченная выше специфика эксплуатации электрических щитов в отсеках ПЛ требует учета также теплофизических характеристик газовоздушной среды.
     Таким образом, аналитическое описание должно учитывать всю возможную совокупность факторов, влияющих на пожаробезопасность ВРЩ. Необходимость такого многофакторного анализа усложняет решение задачи. В настоящее время в силу сложностей математического порядка в постановке и решении таких задач, учета множества факторов и одновременно введения различного рода упрощений и допущений, влияющих на качество исследования, экспериментальные методы определения пожарной безопасности электрооборудования остаются пока наиболее приемлемыми. Поэтому наряду с конструктивным совершенствованием распределительных щитов, разработкой новых схем распределения электроэнергии и способов за

11

щиты от КЗ, необходимо разработать методы оценки качественного состояния и количественной оценки пожаробезопасности ВРЩ, основанные на экспериментальном исследовании реальных возгораний.
     Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью решения рассмотренной выше проблемы и разработки в этом плане новых методик оценки пожаробезопасности и совершенствования конструкции распределительных щитов. Важность отмеченного круга задач определяется тем, что существующие нормативные требования по пожарной безопасности, предъявляемые к ВРЩ, выражаются в общем виде и работоспособных количественных критериев не имеют. Эти требования, принимаемые при разработке и эксплуатации ВРЩ, включают:
     - применение надежных контактных соединений;
     -      защиту от попадания в щиты посторонних предметов;
     - максимальное применение негорючих материалов;
     -      применение изоляционных перегородок между автоматами, между последними и корпусом щита, а также между секциями;
     -      покрытие шин, элементов ввода и подключения кабельных связей и других токоведущих деталей изолирующими материалами и др. [8-11].
     Необходимо также учитывать, что дальнейшее развитие ЭЭС ПЛ и НК характеризуется усложнением структуры, общим повышением степени автоматизации, ужесточением требований по бесперебойной подаче электроэнергии к возрастающему числу важнейших потребителей.
     Инженерное решение задачи создания оптимальной конструкции ВРЩ допускает несколько различных вариантов, каждый из которых реально осуществим. Требуется умение найти наилучшее решение, которое можно принять на основе расчетов по опытным проверкам, сводящимся

12

к отысканию варианта с относительно наилучшим значением принятого показателя эффективности.
     Достоверная оценка качества ВРЩ и использование конструкций, имеющих максимальную устойчивость к образованию очагов воспламенения, может иметь существенное значение для выполнения поставленной перед ПЛ боевой задачи, максимального снижения ущерба от повреждений. В то же время задача комплексной количественной оценки пожаробезопасности ВРЩ как многопараметрического качества, позволяющей сравнивать между собой различные варианты проекта, остается малоисследованной. Во многом это связано с тем, что явления, возникающие при возгорании горючих материалов и смесей от электрооборудования, имеют сложный и недостаточно изученный характер. Таким образом, для создания работоспособной инженерной методики оценки пожарной безопасности ВРЩ необходимо экспериментально исследовать различные режимы короткого замыкания и замыкания на корпус, механизм возгорания и повреждения ВРЩ, возможности различных конструкций щитов сохранять работоспособность в этих условиях.
     Пожарную безопасность ВРЩ будем рассматривать как некоторое качество объекта, характеризующее устойчивость к образованию неуправляемого процесса горения при эксплуатации его в нормальных и аварийных условиях функционирования [12-14, 26].
     Анализ литературы показывает, что оценка пожаробезопасности электротехнического изделия устанавливается путем определения вероятности возникновения или развития пожара, связанного с возгоранием изделия или его составных частей, поддерживающих конструкционные материалы, или веществ и материалов, соприкасающихся с изделием [7, 16-19]. Пожарную безопасность электротехнических изделий регламентирует уровень нормативной

13