12.3. Загальна характеристика методів визначення

первинності короткого замикання

За статистичними даними, більше половини пожеж з причини "порушення правил пожежної безпеки при влаштуванні та експлуатації електроустановок" виникають внаслідок КЗ.

Маючи потужний тепловий імпульс, КЗ здатне не тільки запалити ізоляцію струмовідних частин електроустановки, але й викликати так звані вторинні пожежі через потрапляння крапель металу, розплавленого струмом КЗ, на горючі речовини. Тому при виявленні на місці пожежі електроустановок, що мають сліди оплавлення, достатньо часто висувається версія, що причиною пожежі є саме КЗ. Однак таке припущення не завжди відбиває дійсну причину пожежі, оскільки сліди оплавлення на частинах електроустановок можуть виникнути також і від КЗ, що є наслідком пожежі. 

Тому з місця пожежі як можливі речові докази вилучаються провідники (частини кабельних виробів або електроустановок) зі слідами оплавлень, які направляються для проведення пожежно-технічних досліджень, з метою відповіді на питання: "КЗ було первинним і, відповідно, є причиною пожежі, або КЗ було вторинним і, відповідно, сталося внаслідок пожежі?"

Для доказу первинності КЗ провідників, вилучених з місця пожежі, застосовують візуальні та інструментальні методи пожежно-технічного дослідження. До інструментальних методів відносяться: мікроструктурний аналіз, рентгеноструктурний аналіз, кулонометричний аналіз, спектральний аналіз.

Візуальний огляд (макроструктурний аналіз). Візуальний огляд – безпосередній зоровий огляд або огляд за незначного збільшення, наприклад, за допомогою лупи. 

При візуальному огляді провідників, вилучених з місця пожежі, можна відрізнити оплавлення, що викликане струмом КЗ, від оплавлення, викликаного зовнішнім тепловим впливом на провідник. Критерієм відмінності оплавлень є форма оплавлення та їх розташування за довжиною провідника. 

Оплавлення провідника, викликане струмом КЗ, що перевищує довгостроково припустимий струм для даного кабельного виробу більш ніж у 5 разів, має чітко виражену локальність. Струмовідна жила на відстані 510 мм від місця КЗ за зовнішнім виглядом і за своїми механічними властивостями практично не відрізняється від провідника, що не був пошкоджений тепловим впливом. Сліди оплавлень провідника струмом КЗ розділяють на чотири основних типи: окалина, зварювання, розплавляння по всьому перерізу, оплавлення бічних поверхонь.

Оплавлення провідника, викликане зовнішнім тепловим впливом, звичайно має значну довжину ділянки по довжині провідника; при цьому сильно пошкоджені ділянки чергуються з менш пошкодженими.

Критерії визначення причини оплавлення провідників при візуальному огляді приведено в таблиці 12.1.

Таблиця 12.1 – Критерії визначення причини оплавлення провідників при візуальному огляді

У ряді випадків оплавлення провідників від зовнішнього теплового впливу за візуальними ознаками схожі з оплавленням від струму КЗ. Тому завданням візуального огляду є лише попереднє й орієнтовне встановлення причини оплавлення провідників. Точну відповідь на це питання дають інструментальні методи аналізу.

Мікроструктурний аналіз. Мікроструктурний аналіз застосовується для пожежно-технічного дослідження мідних провідників.

Мікроструктурний аналіз – візуальне дослідження зрізів матеріалів (мікрошліфів) за їх збільшення у 100÷200 разів за допомогою спеціальних мікроскопів, наприклад, металографічного мікроскопа марки МИМ-8, зовнішній вигляд якого приведено на рис. 12.1. 

Рис. 12.1 – Металографічний дослідницький мікроскоп МИМ-8

Для виявлення мікроструктури мікрошліфів здійснюється їх хімічне або електричне травлення. Для цього використовують спеціальні кислоти та луги, різні склади електролітів, нагрівання на повітрі або у спеціальному парогазовому середовищі тощо. В результаті на мікрошліфі під мікроскопом можна побачити контури зерен і окремих фаз, визначити їх взаємне розташування, тобто побачити мікроструктуру міді.

Після зовнішнього теплового впливу змінюється форма (мікроструктура) зерен міді. Вони мають більші розміри, деякі з них від теплового перенапруження отримують зсув по гранях кристалічних решіток у вигляді паралельних ліній (рис. 12.2,а).

При нагріванні провідника струмом КЗ поблизу зони розплавляння відбувається ріст зерен металу і коагуляція закису міді з розподілом її по границях укрупнених зерен (рис. 12.2,б).

Рис. 12.2 – Структура мікрошліфа мідного провідника під мікроскопом: 
а – КЗ вторинне, б – КЗ первинне

Рентгеноструктурний аналіз. Рентгеноструктурний аналіз застосовується для пожежно-технічного дослідження як мідних, так і алюмінієвих провідників. Дослідження проводять з ділянкою електропроводки, вилученою з місця пожежі, в якій припускається виникнення КЗ. Ділянка повинна мати довжину не менше 0,5 метра. 

Рентгеноструктурний аналіз проводять за допомогою спеціальної рентгенівської установки з фотографічною реєстрацією методом Дебая-Шеррера. Метод Дебая-Шеррера полягає у тому, що у спеціальній камері реєструється на фотографічну плівку дифракція рентгенівського випромінювання на зразку, що досліджується. Аналіз дифракційної картини дозволяє встановити атомну структуру зразка. 

Використання рентгенівських променів базується на тому, що довжини їх хвиль за величиною є близькими до міжатомних відстаней у кристалах і складають величину від 0,5 до 3 ([] – одиниця виміру довжини, що використовується у кристалофізиці; називається "ангстрем", ). Тому такі кристали для рентгенівських променів є дифракційними решітками. При проходженні променів через кристалічну речовину виникає дифракційна картина (рентгенограма), що фіксується на фотоплівці.

Рентгеноструктурний аналіз проводиться на спеціальних рентгенівських установках (наприклад, стаціонарній установці УРС-70 або переносній установці УРС-55), обладнаних камерами для рентгеноструктурного аналізу з фотографічною реєстрацією відбитків (наприклад, рентгенівською камерою Дебая РКД-57). Принцип дії камери РКД-57 розкрито на рис. 12.3,а. На рис. 12.3,б приведено зовнішній вигляд камери РКД-57 на установці УРС-55.

Рис.12.3 – Установка для рентгеноструктурного аналізу: а – принцип дії рентгенівської камери Дебая РКД-57, б – зовнішній вигляд камери РКД-57 на установці УРС-55

1 – камера; 2 – фотоплівка; 3 – досліджуваний зразок; 4 – первинний пучок рентгенівських променів; 5 – інтерференційні конуси

В камері РКД-57 рентгенівські промені 4 відбиваються від досліджуваного зразка 3 та формують інтерференційні конуси 5, які на рентгенівській плівці 2 створюють попарно-симетричні дуги (рис. 12.4). Відстані А та Б між середніми точками дуг рентгенограми є пропорційними кутам відбивання.

Рис. 12.4 – Рентгенограма, що отримана в камері РКД-57

Після закінчення експозиції плівку проявляють. Далі рентгенограма аналізується за визначеною методикою. Найбільш простим є аналіз рентгенограми за еталонами. Суть аналізу полягає в тому, що за рентгенограмами еталонних зразків будують штрих-діаграми. Останні порівнюють з отриманими експериментально рентгенограмами і здійснюють висновок про характер зміни структури речовини.

Структура металевого провідника є упорядкованою, що визначається осі-симетричною напругою при його волочінні при виготовленні. При деяких видах деформації провідників (вигин, крутіння, тепловий вплив) можлива деформація атомної структури, що виражається у скривленні атомних площин, що проходять через вузли атомних решіток. Тобто порушується періодичність накладення шарів. Це приводить при опроміненні досліджуваного зразка рентгенівськими променями із суцільним спектром (біле випромінювання) до появи на рентгенограмах інтерференційних смуг (хвостів), а в деяких випадках – інтерференційних плям.

Іноді розташування інтерференційних смуг і плям має симетричний вигляд відносно первинної плями.

Для оцінки зернистості зразка застосовують асиметричний метод зйомки без повертання зразка, а для оцінки інтенсивності – із повертанням зразка. 

Рентгеноструктурний аналіз полягає в експериментальному визначенні міжплощинних відстаней ліній, що відобразилися на пливці, та визначенні по них за еталонами фаз, що знаходяться у досліджуваному зразку.

Рентгеноструктурний аналіз мідних провідників. Об‘єктом пожежно-технічного дослідження при визначенні причетності струму  КЗ до виникнення пожежі у мідних провідниках є структура мідного провідника. 

При нагріванні, внаслідок взаємодії міді з киснем, ця структура певним чином змінюється. Так, за температури близько +800 ºС відбувається утворення закису міді:

.                                          (12.1) 

За тієї ж температури в закис міді можуть дисоціюватися й її окисли, що знаходяться на поверхні провідника:

.                                  (12.2)

Закис міді – термічно стійке з‘єднання, температура плавлення якого становить близько +1166 ºС. Ця обставина дозволяє зберегти отримані ознаки теплового впливу на мідь струмів КЗ навіть при наступному потраплянні провідників у полум‘я пожежі.

Пожежно-технічне дослідження зразків мідних провідників методом рентгеноструктурного аналізу здійснюється на рентгенівських установках УРС-70 або УРС-55 з камерою РКД-57. Властивості променів, що випромінюються рентгенівською трубкою, залежать від напруги між її електродами, сили струму у трубці й матеріалу анода. Для аналізу мідних провідників встановлено оптимальний режим зйомки: струм – 2 мА, напруга – 25 кВ, час експозиції – 5 годин. 

Для встановлення причетності струму КЗ до виникнення пожежі рентгенографічним методом необхідно з провідника, вилученого з місця пожежі, виготовити три зразки довжиною 15÷20 мм кожний (рис. 12.5). 

Перший зразок – з ділянки №3, що не знаходилася у пожежі. Цей зразок може розглядатися як еталонний. Другий зразок – з ділянки №2, що знаходиться від місця оплавлення провідника приблизно на відстані  0,5÷1,0 м (ця відстань уточнюється у процесі апробації методики). Третій зразок – з ділянки №1 (місце оплавлення).

Рис.12.5 – Зразки мідних провідників для пожежно-технічного дослідження методом рентгеноструктурного аналізу

Розрахунковим способом або за допомогою штрих-діаграм проводять аналіз зразків. За результатами аналізу здійснюють висновок про час КЗ. При цьому виходять з наступних положень:

1) відсутність ліній фаз СuО, Сu2О на ділянках №2 і №3 свідчить про те, що провідник не піддався нагріванню;

2) наявність суцільних ліній фаз СuО і Сu2О на ділянці №2 свідчить про те, що провідник був нагрітий до температури близько +400 ºС;

3) точна побудова ліній фаз СuО і Сu2О на ділянці №2 свідчить про грубозернисту структуру, що викликано впливом температури порядку +900 ºС;

4) рівність кількості ліній фази СuО і Сu2О та їх інтенсивностей і більш дрібна зернистість фази Сu2О на ділянці №1, у порівнянні з ділянкою №2, свідчить про те, що провідник на початку був ушкоджений струмом КЗ, а потім  відбулося нагрівання місця оплавлення провідника;

5) наявність грубозернистої фази Сu2О, менша кількість  ліній і слабка інтенсивність фази СuО ділянки №1, у порівнянні з ділянкою №2, свідчать про те, що спочатку провідник піддавався тепловому впливу, а потім нагрівався струмом КЗ;

6) наявність на ділянці №1 фаз СuО і Сu2О, причому остання може бути грубозернистою, свідчить про те, що провід був перепалений струмом КЗ. Наступного теплового впливу не було.

Рентгеноструктурний аналіз алюмінієвих провідників. З оплавлених алюмінієвих провідників вирізаються зразки з місцем оплавлення (як правило, довжиною 8-10 мм). Зразки очищаються від залишків ізоляції і промиваються в етиловому спирті. При цьому особлива увага звертається на те, щоб частина досліджуваного провідника не піддавалася механічному впливу.

Пожежно-технічне дослідження зразків мідних провідників методом рентгеноструктурного аналізу здійснюється на рентгенівських установках УРС-70 або УРС-55 з камерою РКД-57. Використовується рентгенівська трубка з мідним анодом, фільтр – нікелева фольга товщиною 0,006÷0,008 мм. Умови зйомки: без обертання, струм – 10÷15 мА, напруга – 30÷35 кВ, час експозиції – 3,5÷4 години. Якщо товщина зразка в місці оплавлення більше 1 мм, то місце оплавлення заточується.

Розтягання інтерференційних плям на рентгенограмах у радіальному напрямку, викликане деформацією кристалічних решіток, називають ефектом астеризму. Ефект астеризму спостерігається на рентгенограмах алюмінієвих провідників при оплавленні їх струмами КЗ (приведено на рис. 12.6,а). 

Рис. 12.6 – Рентгенограми алюмінієвих провідників: а – виражений ефект астеризму (КЗ є первинним), б – відсутній ефект астеризму  (КЗ є вторинним) 

Таким чином, ознакою первинності КЗ для алюмінієвих провідників є наявність на рентгенограмі чітко вираженого ефекту астеризму на малих кутах відбиття.

При вторинному КЗ ефект астеризму виражений слабко або зовсім відсутній, хоча дифракційні лінії чітко виражені (рис. 12.6,б).

Критерії визначення причетності струмів КЗ алюмінієвих провідників до виникнення пожежі методом рентгеноструктурного аналізу приведено в таблиці 12.2.

Таблиця 12.2 – Критерії визначення причетності струмів КЗ алюмінієвих провідників до виникнення пожежі методом рентгеноструктурного аналізу

Кулонометричний аналіз. Кулонометричний аналіз застосовується для пожежно-технічного дослідження алюмінієвих провідників. 

Кулонометричний аналіз полягає у кількісному аналізі на вміст вуглецю  місця оплавлення алюмінієвих провідників. Якщо КЗ є первинним, то воно виникло у незадимленому середовищі і вміст вуглецю в місці оплавлення буде мінімальним. Якщо КЗ є вторинним, то воно виникло у задимленому середовищі і вміст вуглецю в місці оплавлення буде максимальним.

Для проведення аналізу застосовуються експрес-аналізатори на вуглець серії АН, принцип роботи яких базується на методі автоматичного кулонометричного титрування. Метод автоматичного кулонометричного титрування пояснюється на рис. 12.7.

Рис. 12.7 – Принцип дії установки автоматичного кулонометричного 
титрування

1 – поглинальна секція кулонометричної посудини; 2 – поглинальний розчин (розчин КCl, SrCl2 у Н2О); 3 – допоміжний розчин (К4[Fe(CN)6]H2O); 4 – перегородка з вікном з гідроцелюлози; 5 – катод кулонометричної посудини; 6 – анод кулонометричної посудини; 7 – кулонометр; 8 – регулятор; 9 – джерело стабілізованого струму; 10 – рН-метр; 11 – трубчаста нагрівальна піч (температура +1250 °С); 12 – скляний електрод рН-метра; 13 – допоміжний електрод рН-метра; 14 – мішалка 

Досліджуваний зразок розташовують у порцеляновому човнику і спалюють у потоці очищеного від СО2 кисню, що протікає через трубчасту піч 11, нагріту до температури +1250 °С. Потік кисню виносить вуглекислий газ, що утворився, у поглинальну секцію кулонометричної посудини 1, заповненої поглинальним розчином 2, що являє собою хлористий калій і хлористий стронцій, розчинені в дистильованій воді. Потрапивши в розчин, вуглекислий газ викликає наступні хімічні реакції:

,                                         (12.3)

,                                  (12.4)

.                                                    (12.5)

Вуглекислий стронцій осідає, звільняючи розчин від непотрібного іона  і підтримуючи тим самим поглинання. Розчин безупинно перемішується лопатевою мішалкою 14.

У поглинальну секцію 1 занурені скляний 12 і допоміжний 13 електроди рН-метра 10, на виході якого при зростанні кислотності розчину виникає електричний сигнал. Сигнал поступає на вхід регулятора 8, що автоматично вмикає імпульсне джерело 9 стабілізованого струму в колі кулонометричної посудини. Цинкові електроди посудини встановлені в різних секціях проти вікна 4 у перегородці, що розділяє секції. Вікно закрито струмопровідною мембраною з гідроцелюлози (целофану), що перешкоджає змішуванню розчинів різних секцій. Для підвищення електропровідності розчину в обидві секції додано хлористий калій.

Для проходження генераторного струму іони  розряджаються на катоді 5:

,                                (12.6)

і кислотність розчину знижується доти, поки не зникне сигнал на виході рН-метра, що буде свідчити про повернення кислотності розчину до вихідного рівня (рН=10,5).

Для видалення продуктів електролізу, що могли б сповільнити або зупинити процес поглинання вуглекислого газу, у допоміжний розчин 3, в який занурено анод 6 кулонометричної посудини, додано залізосинероїдний калій К4[Fe(CN)6]H2O. 

При проходженні електричного струму іони хлору виривають з анода іони цинку, з‘єднуючись з ними за реакцією:

.                                       (12.7)

, що знову утворюється,  дисоціює на іони  і . Іони  залишаються в розчині, а іони цинку вступають у реакцію з іонами дисоційованого залізосинероїдного калію, утворюючи комплексну сіль цинку, й випадають з нею в осад:

                 (12.8)

Кількість електрики, необхідна для нейтралізації кислоти, однозначно пов‘язана з кількістю поглиненого вуглекислого газу. Вона фіксується кулонометром 7, інтегратором струму, на виході якого ввімкнено неонові цифрові індикаторні лампи, що показують безпосередню кількість вуглецю у відсотках.

Перед проведенням кулонометричного аналізу на вуглець здійснюється додаткова і більш ретельна, у порівнянні з рентгеноструктурним аналізом, підготовка зразків, з метою очищення їх від продуктів горіння. За допомогою спирту провідники знежирюються, з них повністю видаляються сліди кіптяви. Потім від зразка відрізають оплавлені ділянки (по кромці оплавлення), які зважують на аналітичних вагах з точністю до десятих часток міліграм. Далі здійснюється остаточне промивання зразків дистильованою водою з наступним прожарюванням їх протягом однієї години в сушильній камері за температури +100 ºС. 

Цілком підготовлені зразки алюмінієвих провідників укладають у спеціальні керамічні човники, що перед проведенням аналізу заздалегідь прожарюють за температури +700+800 °С, щоб уникнути помилок, внесених вуглецем човника в загальний баланс , що утворюється при горінні зразка.

Для забезпечення повного згоряння зразка в печі в човник додають плавень, в якості якого застосовують хімічно чисте олово. Вага плавня звичайно становить 20-25 % від ваги зразка. З огляду на те, що певна кількість вуглецю попадає із плавнем у піч, при обробці результатів дослідження необхідно внести відповідне виправлення, що встановлюється за показниками приладу АН при спалюванні порції плавня в заздалегідь прожареному човнику. Спалювання зразка із плавнем здійснюється в зоні печі, де температура становить +1250 ºС. 

На рис. 12.8 приведено зовнішній вигляд експрес-аналізатора на вуглець АН-7560.

Рис. 12.8 – Зовнішній вигляд експрес-аналізатора на вуглець АН-7560

Експрес-ана-лізатор на вуглець АН-7560 дозволяє вимірювати концентрації вуглецю в металах та сплавах від 0,001 до 0,1 %.

Визначення характеру середовища (задимлене або незадимлене) в момент КЗ алюмінієвого провідника здійснюється за номограмами, що характеризують відношення імовірностей появи різних вмістів вуглецю в дослідах з КЗ у чистому і в задимленому середовищі. За кількістю вуглецю можна, з певним ступенем імовірності (тобто не 100 %), судити про характер середовища в момент КЗ (тобто був дим або ні). Наприклад, якщо вміст вуглецю в місці оплавлення для проводу марки АППВ менше 0,012 %, то КЗ первинно; якщо більше 0,045 %, то КЗ – вторинне. Для проводу марки АПР – якщо менше 0,015 %, то КЗ первинно; якщо більше  0,05 %, то КЗ вторинне.

Спектральний аналіз. Спектральний аналіз застосовується для пожежно-технічного дослідження алюмінієвих провідників. 

Спектральний аналіз полягає у визначенні якісного та кількісного складу речовини на основі вивчення її спектра. Процедура спектрального аналізу складається з наступних операцій: відбір та підготовка зразка до аналізу; збудження спектра зразка при спалюванні його, наприклад, у газовому полум‘ї, за допомогою електричної дуги, у газорозрядній трубці, за допомогою лазерного випромінювання тощо; реєстрація спектра за допомогою спектрального приладу; розшифровка спектрограми. 

Для реєстрації спектра найбільш часто застосовується спектрограф – спеціальний прилад, в якому здійснюється розкладання у спектр за довжинами хвиль електромагнітного випромінювання оптичного діапазону та фотографування цього спектра. Першим спектрографом, що випускався у Радянському Союзі серійно з 1945 року, був спектрограф марки ИСП-22 (спектрограф із кварцовою призмою Корню). На сьогодні в експлуатації знаходиться широке коло спектрографів різних марок: ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30 тощо.

На рис. 12.9,а розкрито принцип роботи спектрографа з кварцовою призмою Корню; на рис. 12.9,б приведено зовнішній вигляд спектрографа марки ИСП-30.   

Рис. 12.9 – Спектрограф із кварцовою призмою Корню: а – принцип дії,   
б – зовнішній вигляд спектрографа ИСП-30

1 – вхідна щілина; 2 – сферичне дзеркало вхідного коліматора; 3 – призма  Корню; 4 – лінзовий камерний об’єктив; 5 – площина спектра

Спектрограф працює в ультрафіолетовій частині діапазону (2000÷6000). Випромінювання через вхідну щілину 1 поступає на сферичне дзеркало 2 вхідного коліматора. Відбите випромінювання потрапляє на кварцову призму Корню 3, яка складається з двох 30º призм із право- та ліво-обертального кварцу з оптичною віссю, паралельною основі призми 3. Проходячи через лінзовий камерний об’єктив 4, спектр потрапляє на площину 5, де фотографується. Отримана картинка має вигляд, подібний приведеному на рис. 12.10. 

Рис. 12.10 – Спектрограма

При КЗ в диму частина хімічних елементів, які входять у вигляді домішок в алюмінієвий провідник, під дією середовища в результаті певних хімічних реакцій може втратити свою характерну інтенсивність у спектрі алюмінію або можуть з‘явитися нові лінії у спектрі. Порівнюючи дві спектрограми для провідників після КЗ в чистому та задимленому середовищі, можна зробити висновок при первинність або вторинність КЗ.

Приклад проведення пожежно-технічного дослідження. З вилученого з місця пожежі зразка алюмінієвого провідника по залишках ізоляції з достатньою ймовірністю встановлено, що представлений провідник – провід марки АПР.

Візуальний огляд (макроструктурний аналіз) провідника показав: оплавлення має локальний характер, форма ліній його є різкою. Тому найбільш імовірна причина оплавлення – КЗ.

Рентгеноструктурний аналіз зразка провідника показав, що на малих кутах відбиття має місце ефект астеризму, тому можна вважати, що причиною, яка викликала оплавлення провідника, є КЗ.

Кулонометричний аналіз зразка провідника показав, що вуглець становить 0,014%, що відповідає первинному КЗ.

Можна зробити висновок, що у вилученого з місця пожежі зразка алюмінієвого провідника мало місце КЗ і воно є первинним (є причиною пожежі).