Токовая перегрузка, пиролиз изоляциии
Токовая перегрузка это аварийный пожароопасный режим 
Токовая перегрузка, это аварийный пожароопасный режим, при котором по элементу электросети проходит ток, превышающий номинальное значение, на которое рассчитан данный элемент (провод, кабель, устройство электрозащиты). В результате этого данный элемент электросети перегревается и в нем происходят различного рода изменения. Тепловые эффекты, сопровождающие этот режим и соответствующие повреждения элементов электроустановок, различаются в зависимости от кратности тока перегрузки, которая равна отношению величины рабочего тока к номинальному или длительно допустимому. Например, при перегрузках с кратностью не более двух в элементах электросети за короткое время не возникают заметные термические повреждения. Однако при длительной работе в этих же условиях происходит перегрев проводников или токопроводящих деталей, постепенное разрушение их изоляции со значительным снижением ее изоляционных свойств. Так, при температуре нагрева проводников выше 65 С° изоляция проводов высыхает и с течением некоторого времени теряет свою эластичность, в ней появляются трещины, приводящие к заметному снижению сопротивления изолирующего покрова жил и появлению токов утечки. При более высоких перегрузках за сравнительно короткое время могут произойти размягчение и деформация изоляционных покровов и даже металла жил проводов и токоведущих деталей. Как правило, после разрушения изоляции возникает короткое замыкание с характерными для него пожароопасными факторами.
Нагревание и возгорание при токовой перегрузке. Пиролиз изоляции
Наряду с этим следует иметь в виду, что при перегрузке изолированного электропровода реализуется специфический способ нагревания изоляции и особый источник зажигания. Нагрев изоляции происходит одновременно по всей поверхности, которая контактирует с токопроводящей жилой, и сопровождается интенсивным образованием горючей смеси продуктов пиролиза с воздухом. Этот процесс при условии неотключения источника электропитания может продолжаться до полного разрушения проводника, которое произойдет, например, при достижении токоведущей жилой температуры плавления металла. Разрушение электропроводника может произойти по другому механизму, когда, например, ослабнет при температуре, близкой к температуре плавления металл проводника, свободно висящего на элементах конструкций, и проводник разрушится под действием собственного веса. Характерно, что при достижении этого момента произойдет разрыв жилы, сопровождающийся искровым разрядом, независимо от того, питается ли цепь от источника постоянного или переменного тока. Этот разряд является эффективным источником зажигания образовавшейся горючей смеси. При еще больших кратностях токов перегрузки источниками зажигания могут явиться нагретые до высокой температуры токопроводящие жилы и другие детали.
Следует также учитывать, что процесс прогрева и пиролиза изоляции происходит на всем протяжении токоведущей жилы, и поэтому возгорание может произойти на одном или даже нескольких наиболее теплонапряженных участках линии. Подобным тонкостям обучают на специализированных курсах, а к работе сотрудники допускаются только после аттестации промышленной безопасности.
Электросопротивление в местах перехода электрического тока с одной контактной поверхности на другую через площадки действительного их соприкосновения также обусловливает локальный нагрев металла токопроводящих деталей и прилегающих материалов вплоть до появления источников зажигания. И чем большей будет токовая нагрузка, тем более интенсивным окажется разогрев контактного соединения, поскольку тепловая мощность прямо пропорциональна квадрату силы тока. Особенно опасно проявление эффекта нагрева контактных соединений в режиме затяжного короткого замыкания, при котором сила тока может превышать рабочий ток в сотни раз. Нередко это приводит к появлению вторичных очагов возгорания не только в месте короткого замыкания, но и на других участках, в местах, где оказываются при этом под токовой нагрузкой плохие контакты.
Короткое замыкание и перегрузка
Коротким замыканием называют непредусмотренное конструкцией электрической цепи соединение между фазным и нулевым проводником в сетях с напряжением 220 В. В сетях 380 В короткое замыкание – это непредусмотренный контакт отдельных фазных проводников между собой или с нулем. Эти неполадки в электрической системе могут представлять серьезную опасность для пользователей.
С чем связано возникновение короткого замыкания
Короткое замыкание чаще всего связано с такими явлениями, как сильная нагрузка и перегрузка электрического тока. Электрическая нагрузка — это нагрузка, создаваемая в электрической сети включенными для работы электроприемниками.
Как правило, электропроводники расчитаны на определённую нагрузку, что указывается в технических данных. Превышение нормативных токовых нагрузок ведет к нагреву электропроводника. Пока температура токопроводящего элемента держится в пределах норм, определённых производителем, изоляция будет справляться с нагрузкой и короткое замыкание не произойдет. Но, нужно помнить, что превышение температуры токопроводящего элемента всего на 5°С сверх допустимой нормы сокращает срок его эксплуатации вдвое.
Чем больше нагрузка, тем сильнее проводник нагревается и быстрее приходит в негодность (нагрев проводника напрямую зависит от его сопротивления, иначе говоря, из какого материала сделан проводник; в связи с этим, начиная с 2001 года, провода с алюминиевыми жилами запрещено применять при монтаже проводки в жилых помещениях). Термальному старению особенно подвержены кабели с бумажной и картонной изоляцией, а также изоляционные материалы из полимерных соединений.
Если происходит постоянный перегрев провода, значит, изоляция быстрее придет в негодность и может произойти короткое замыкание. Резина ссыхается и лопается, бумага и пряжа обугливаются, пластмасса плавится.
Перегрузка — это уже ток, который вызывает очень сильный нагрев проводника. Соответственно, чем сильнее перегрузка, тем быстрее выйдет из строя изоляция и произойдет короткое замыкание. Короткое замыкание приводит к резкому кратковременному возрастанию силы тока и, соответственно, выделению большого объема тепловой энергии на определенном участке электрической сети. Если в результате повреждения изоляции токопроводящего элемента произошло короткое замыкание, а цепь не разъединилась, то может произойти возгорание изолирующего материала (они все имеют определённую степень горючести) и, как следствие, пожар.
Наиболее частые причины короткого замыкания
Короткое замыкание приводит к тому, что сгорают ближайшие плавкие предохранители или отключаются автоматические выключатели. Очень часто короткое замыкание происходит в момент включения неисправного электроприбора в сеть.
Наиболее распространенной причиной возникновения коротких замыканий является нарушение изоляции токопроводящих элементов электросети. Изоляция может быть нарушена из-за механических повреждений, воздействия влаги и других неблагоприятных условий окружающей среды, а так же срока эксплуатации. К примеру, в соответствии с Ведомственными строительными нормами, в частности ВСН 58 88, срок эксплуатации внутриквартирных бытовых сетей жилых помещений составляет 40 лет для скрытой проводки и 25 лет для внешней. При этом для элементов сети (розеток, выключателей и т.д.) этот срок ограничен 10-ю годами.
Токи перегрузки
Авария в электрической сети может произойти также из-за токов перегрузки. Они могут появиться в электросети из-за неправильного подключения или использования поврежденных потребителей электрической энергии. В этом случае суммарный ток в электрической сети может превысить номинальные значения и привести к перегрузке системы.
Отличие короткого замыкания и тока перегрузки
Режимы перегрузки и короткого замыкания различаются следующим:
- величиной тока. При перегрузке величина тока в единицы раз превышает номинальное значение для электроустановки. При коротком замыкании величина тока может превышать номинальное значение в десятки тысяч раз;
- временем существования. В зависимости от кратности перегрузки и вида электрооборудования режим перегрузки может существовать от нескольких секунд до 12-ти часов и более. Режим короткого замыкания существует обычно не дольше нескольких секунд;
- «просадкой» (резким падением) напряжения. При коротком замыкании происходит «просадка» напряжения минимум до 0,85 от номинального значения, чаще до десятков вольт (возникает электрическая дуга);
- последствиями. Вовремя обнаруженная и отключенная перегрузка установки к неисправности не приводит. Внутреннее короткое замыкание в электроустановке однозначно приводит к аварии.
- воздействием. Ток перегрузки имеет только тепловое воздействие. Ток короткого замыкания, в виду его большой величины, оказывает как тепловое, так и электродинамическое воздействие: деформируются шины, обмотки трансформаторов, трескаются изоляторы.
Основное же отличие короткого замыкания от перегрузки заключается в том, что при коротком замыкании нарушение изоляции является причиной аварийного режима, а при перегрузке — его следствием.
При определенных обстоятельствах перегрузка проводов и кабелей в связи с большей длительностью аварийного режима более пожароопасна, чем короткое замыкание.
Как избежать аварии?
Вероятность возникновения возгорания при коротких замыканиях и токах перегрузки напрямую зависит от типа и характеристик используемых в электрических системах электропроводников. Именно поэтому крайне важно грамотно подобрать проводку, кабель для любой электросети, чтобы они полностью соответствовали уровню нагрузки и особенностям эксплуатации. Хуже всего от возникновения пожаров защищены электрические кабели с изоляцией из резины и полиэтилена, потому специалисты не рекомендуют использовать такие материалы, особенно при использовании скрытой проводки.
Лучше всего на практике себя показывают электрические кабели ВВГ Нг, имеющие надежную, негорючую изоляцию и не подвергающие опасности пользователей электросетей даже при возникновении аварийных ситуаций.
Но стоит уточнить, что установки надежных электрических кабелей, проводов недостаточно для обеспечения полной безопасности эксплуатации электросистемы. Гарантированно защитить пользователей от коротких замыканий и токов перегрузки могут правильно подобранные по номиналам устройства защитного отключения (УЗО) и автоматические выключатели.
Коротке замикання та перевантаження – основні відмінності
З’єднання фази та нуля безпосередньо в електромережі під напругою призводить до виникнення короткого замикання. Якщо точніше говорити, коротке замикання – це з’єднання кабельних провідників окремих фаз один з одним, або, за наявності невеликого опору, із землею.
У разі розвитку такої ситуації будь-яка мережа не зможе пропрацювати довго. Проте, за наявності різних аварійних ситуацій, можливе його виникнення. Так, наприклад, замикання може статися через порушення цілісності ізоляційного шару проводки, а також при контакті різноїменних провідників електрообладнання. В результаті електромережа не працюватиме стабільно. Для запобігання розвитку описаної проблеми використовуються клемники, а також проводиться ізоляція з’єднання.
Проблема короткого замикання
Чому ж виникає аварійна ситуація під час замикання? У разі йдеться у тому, що номінальний струм різко збільшується. Такі показники можуть бути вищими за норму до 20 разів. Збільшення призводить до активного виділення великої кількості тепла. Нормативи перевищують до 400 разів. При цьому ця кількість пропорційна опору і квадрату струму.
При невеликому опорі споживача струм зростає багаторазово. Тобто, при неспрацьовуванні захисного пристрою відразу ж відбудеться сильний перегрів проводки, що призведе до її розплавлення, займання ізоляції і, можливо, пожежі. Сусідні приміщення, які живлять від цієї мережі, отримають різкий стрибок напруги у бік зменшення, що може призвести до виходу з ладу електроприладів.
Для квартир, переважно характерно однофазне коротке замикання фази і нуля. Цехи, виробничі приміщення мають, здебільшого, трифазну мережу і тут може статися три- або двофазне КЗ. Так, можуть замкнути кілька фаз на нуль, три чи дві фази між собою.
Якщо розглянути роботи асинхронних двигунів або трифазних трансформаторів, то тут виникатиме міжвиткове коротке замикання. Процес розвивається всередині обмотки стартера або трансформатора, пробиваючи решту виток проводки, що призводить до виведення з ладу обладнання.
В іншому випадку може замкнути через струмопровідний корпус пристрою, який в принципі необхідно заземлювати, для дотримання техніки безпеки. При облаштуванні проводки у житлових приміщеннях необхідно використовувати якісний негорючий кабель.
Перевантаження – що це таке
Перевищення номінального струму, що призводить до великого навантаження на електричну мережу, також веде до виникнення так званої аварійної ситуації, нарівні з КЗ. Перевантаження може виникати на будь-якому об’єкті – чи то промислове приміщення, чи то приватний будинок.
Цей режим може бути набагато небезпечнішим, ніж коротке замикання. Суть у цьому, що з останньому, зазвичай, відразу ж спрацьовує автоматичний вимикач і ситуація вирішується. А ось при перевантаженні може бути все інакше.
Так, у побуті, часто при недостатній кількості гнізд для підключення до електромережі, багато хто з нас за незнанням, використовують безліч подовжувачів, трійників і всілякі варіанти їх з’єднання воєдино. При невідповідності струмових характеристик провідної жили у проводці та підключених електроприладів почнеться її перегрів. Це може спричинити пожежу. Крім цього, таке неправильне підключення з часом послаблює ізоляцію дротів, знижуючи діелектричні та захисні властивості. Як наслідок, відбуваються теплове старіння ізоляції. Контакти в розетці, що підключається, перегріваються і окислюються. Щоб убезпечити себе та оточуючих, встановлюйте автоматичні вимикачі та користуйтеся електроприладами правильно.
Как защитить проводку от перегрузки и короткого замыкания?
Главная задача электрика – сделать проводку надёжной и безопасной. В результате аварий может произойти возгорание или людей ударит током. Аварии возникают из-за повышенного тока и коротких замыканий. В результате через проводники протекает слишком большой ток, они греются и на них плавится изоляция, возникает искрение или дуга.
Как же защитить проводку от короткого замыкания?
Чтобы понять опасность протекания повышенного тока через провода нужно вспомнить два важных закона физики из курса «электричество и магнетизм».
Первый — это закон Ома:
Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Это значит, что если в цепи малое сопротивление – ток будет большим, а если большое – то маленьким, а также при повышении напряжения ток растёт вместе с ним.
Второй закон, о котором нужно сказать — это закон Джоуля-Ленца:
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
Что это значит? То, что, чем больше сопротивление проводника или ток через него – тем больше тепла выделится на нём. То есть когда через провода протекает ток – они греются. У каждого проводника есть определенное сопротивление.
Чтобы проводник не перегревался подбирают нужное сечение под определенный ток. Чтобы жила не грелась — тепло должно рассеиваться в окружающую среду, рассеивается оно тем быстрее, чем больше площадь, с которой оно рассеивается.
В связи с этим тонкие провода под большой нагрузкой начинают греться и становятся горячими, а толстые – успевают отдать тепло наружу, и их температура остаётся почти неизменной. Если температура проводника будет слишком высокой, вплоть до покраснения жилы – изоляция оплавится.
Сечение проводника — первый шаг к защите от перегрузки.
Под каждую нагрузку выбирают провод или кабель с жилами определенного поперечного сечения.
Защитная аппаратура.
Автоматический выключатель – это основной коммутационный аппарат для защиты проводки от перегрузки и коротких замыканий. Главное, что нужно запомнить – автоматический выключатель защищает КАБЕЛЬ, ШНУР или ПРОВОД от возгорания или перегорания, но никак не оборудование или людей.
Электромагнитный расцепитель – это соленоид внутри которого есть сердечник. При протекании большого тока – соленоид выталкивает сердечник и приводит в движение механизм отключения. Это своего рода реле тока.
От правильности выбора номинала и типа время-токовой, характеристики зависит безопасность его использования.
Дифференциальная защита от утечек.
УЗО – устройство защитного отключения, создано для защиты при утечке тока. Это нужно для: защиты человека при случайном касании токопроводящих частей под напряжением (оголенные провода, корпус поврежденного электроприбора), а также утечки тока на заземленные корпуса, трубопроводы, элементы строительных конструкций и прочего.
УЗО отслеживает сколько тока прошло по фазному и сколько по нулевому проводнику, если есть разница между проводами – значит произошла утечка и силовые контакты размыкаются.
Таким образом обеспечивается безопасность людей, а также снижение риска дальнейшего развития утечки до короткого замыкания, при повреждениях изоляции, что особенно важно в деревянном доме, например.
Другой тип защитных приборов – дифавтомат, совмещает в себе функции УЗО и автоматического выключателя.
Ограничитель мощности.
Следующий прибор отключает нагрузку в случае превышения мощности. Это Реле ограничения мощности. Хоть это устройство и не является по своей сути защитным и его используют в большей степени энергосбытовые или сетевые компании для контроля и ограничения потребления электроэнергии, свыше установленной в нормальной или уменьшения этой величины в аварийной ситуации. Изделие отслеживает потребляемую мощность и в случае её превышения отключает потребителя.
Безопасность и долговечность работы электропроводки лежит на трёх китах:
- Правильный выбор сечения кабельных изделий.
- Установка автоматических выключателей и других приборов защиты нужных номиналов. Покупайте их только в сертифицированных магазинах, чтобы не нарваться на подделку, отдавайте предпочтение таким брендам, как ABB, Schneider Electric, а из более дешевых — отечественный КЭАЗ (г. Курск).
- Правильная эксплуатация электрообрудования.