У процесі проведення пожежно-технічних експертиз, як показує практика, найбільш часто постає питання: чи мало місце КЗ і якщо так, то чи могло воно явитися причиною пожежі?

Маючи величезний тепловий імпульс, КЗ здатне не тільки запалити ізоляцію струмоведучих частин, але і викликати так звані вторинні пожежі через улучення крапель металу, розплавленого струмом КЗ, на горючий матеріал. Ця обставина часто дає привід при виявленні на місці пожежі електричних пристроїв, що мають сліди оплавлення, вважати, що причиною пожежі з'явилося КЗ. Однак, такий висновок не відображає дійсної причини пожежі, оскільки сліди оплавлення на деталях електричних пристроїв можуть виникнути також від КЗ, що з'явилося наслідком пожежі (особливо для провідників з алюмінієвими жилами). Тому на експертизу повинні відправлятися провідники зі слідами оплавлень, вилучені з місця пожежі. Методика аналізу різна для провідників з алюмінієвими і мідними жилами.

Візуальне обстеження оплавлених ділянок проводів. Питання про можливу причетність КЗ до пожежі звичайно виникає в тому випадку, коли в згорілому приміщенні знаходять електропроводи зі слідами оплавлення. Однак оплавлення провідників поряд зі струмами КЗ можуть бути викликані і зовнішнім тепловим впливом. Критерієм різниці між зазначеними видами оплавлення при візуальному огляді звичайно вибирається форма оплавлення і його розміщення за довжиною провідника. Оплавлення, викликане струмом КЗ, що перевищує довгостроково припустимий струм для даного проводу більш ніж у 5 разів, мають чітко виражену локальність: струмоведуча жила на відстані 5¸10 мм від місця КЗ за зовнішнім виглядом і за своїми механічними властивостями практично не відрізняється від провідників, що були пошкоджені тепловим впливом.

- розплавлення провідника по всьому перерізу;

Пошкодження жил, викликані зовнішнім температурним впливом, звичайно мають значну довжину ділянки по довжині провідника; при цьому сильно зруйновані ділянки чергуються з менш зруйнованими.

Схема для візуального визначення причетності струмів КЗ до виникнення пожежі приведена в таблиці 12.1.

Таблиця 12.1- Схема для візуального визначення причетності струмів КЗ до виникнення пожежі

Можливі результати

дослідження

Попередні висновки

локальне оплавлення з різко вираженими формами

оплавлення викликане струмом КЗ

оплавлення значне за довжиною, відсутні різко виражені контури оплавлення

оплавлення викликане зовнішнім температурним впливом

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

Мікроструктурний аналіз. Мікроструктурний аналіз - це дослідження зрізів матеріалів (мікрошлифів) за допомогою металографічних мікроскопів (наприклад, МИМ-8). Для виявлення мікроструктури застосовується хімічне або електричне травлення.

Використовується тільки для дослідження мідних провідників.

В структурі міді після вогневого впливу змінюється форма зерен міді. Вони мають більші розміри, деякі з них від теплового перенапруження отримують зсув по гранях кристалічних ґрат. В деяких випадках спостерігаються сліди “водневої хвороби” міді, зумовлені взаємодією кисню окислів міді з воднем оточуючого середовища.

Рентгеноструктурний аналіз. Використовується для дослідження як мідних, так і алюмінієвих провідників. На експертизу поступає ділянка електропроводки, у якій передбачається виникнення КЗ, вилучена з місця пожежі (ділянка довжиною не менше 0,5 метра).

Розглянемо спочатку рентгеноструктурний аналіз для випадку КЗ алюмінієвих проводів.

З оплавлених алюмінієвих провідників вирізують зразки з місцем оплавлення (як правило, довжиною 8-10 мм). Зразки очищаються від залишків ізоляції і промиваються в спирті. При цьому особлива увага звертається на те, щоб досліджуване місце провідника не піддавалося механічному впливу.

Рентгеноструктурні дослідження проводяться на рентгенівському апараті (наприклад, УРС-70). Для зйомки в апарат закладається фотографічна плівка. У камеру поміщається досліджуваний зразок і опромінюється рентгенівськими променями, джерелом яких є рентгенівська трубка. 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 зоні оплавлення більше 1 мм, то ця зона заточується.

Використання рентгенівських променів засноване на тому, що довжини їх хвиль за величиною близькі до міжатомних відстаней у кристалах і складають величину від 0,5 до 3

. Тому кристали є для рентгенівських променів дифракційними ґратами. При проходженні променів через кристалічну речовину виникає дифракційна картина (рентгенограма), що фіксується на фотоплівці.

Після закінчення експозиції плівку виявляють, фіксують, промивають і сушать. Після цього рентгенограма розраховується за визначеною, досить громіздкою методикою. Найбільш простий аналіз рентгенограм - за еталонами. Суть цього методу полягає в тому, що за рентгенограмами еталонних зразків будують штрих-діаграми. Останні сполучають з досліджуваними рентгенограмами і роблять висновки про характер структури матеріалу.

Структура металевого проводу упорядкована, що визначається осесиметричною напругою при його волочінні. При деяких видах деформації проводів (вигин, крутіння, тепловий вплив) можлива деформація атомної структури, що виражається в скривленні атомних площин (що проходять через вузли атомних ґрат). 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 вид відносно первинної плями.

Розтягання інтерференційних плям на рентгенограмах у радіальному напрямку, викликане деформацією кристалічних ґрат, зветься ефектом астеризму. Ефект астеризму спостерігається на рентгенограмах алюмінієвих проводів при оплавленні їх струмами КЗ (рис.12.1а ).

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

При вторинному КЗ ефект астеризму виражений слабко або зовсім відсутній, хоча дифракційні лінії чітко виражені (рис.12.1б).

Рис.12.1- Рентгенограми алюмінієвих провідників.

Схема для визначення причетності струмів КЗ алюмінієвих провідників до виникнення пожежі рентгеноструктурним методом приведена в таблиці 12.2.

Таблиця 12.2 - Схема для визначення причетності струмів КЗ алюмінієвих провідників до виникнення пожежі рентгеноструктурним методом

Можливі результати дослідження	Попередні висновки
наявність ефекту астеризму на рентгенограмі на передніх кутах відображення	оплавлення викликане струмом КЗ
відсутність ефекту астеризму і чітко виражена дифракційна картина полікристаличності структури в зоні оплавлення	оплавлення викликано струмом КЗ; зовнішнього теплового впливу не було; струм КЗ значний
відсутність ефекту астеризму; крапкова будова дифракційних ліній	оплавлення викликане струмом КЗ; КЗ вторинне
наявність плям на рентгено-грамах, слабка вираженість дифракційних ліній	провідник випробував значний температурний вплив

Об'єктом дослідження при визначенні причетності струму КЗ до виникнення пожежі у мідних проводах є структура мідного проводу.

При нагріванні, внаслідок взаємодії міді з киснем, ця структура певним чином змінюється. Так, при температурі близько 800⁰С відбувається утворення закису міді:

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

Закис міді - термічно стійке з'єднання, температура плавлення якого складає близько 1166⁰С. Ця обставина дозволяє зберегти отримані ознаки теплового впливу на мідь струмів КЗ навіть при наступному влученні провідників у полум'я пожежі.

Дослідження зразків провідників за рентгеноструктурним методом здійснюється на тому ж рентгенівському апараті, що і для алюмінієвих провідників.

Властивості променів, що випускаються трубкою, залежать від напруги між електродами, сили струму в трубці і матеріалу анода. Для аналізу мідних провідників був встановлений оптимальний режим зйомки: струм 2 мА, напруга 25 кВ, час 5 годин.

Для встановлення причетності струму КЗ до виникнення пожежі рентгенографічним методом необхідно з провідників, вилучених з місця пожежі, виготовити три зразки довжиною 15-20 мм кожний (рис.12.2). Перший зразок - ділянки №3. Цей зразок може розглядатися як еталон. Другий зразок - ділянки №2, що знаходиться від місця оплавлення проводу приблизно на відстані 5÷10 см (ця відстань уточнюється в процесі апробації методики). Третій зразок - ділянки №1 (місце оплавлення).

Рис.12.2 - Зразки для дослідження мідних провідників рентгеноструктурним методом.

Розрахунковим способом або за допомогою штрихів-діаграм роблять аналіз зразків. За результатами аналізу роблять 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 дії нагрівання;

2) наявність суцільних ліній фаз СuО і Сu₂О на ділянці №2 говорить про те, що провідник був нагрітий до температури близько 400⁰С;

3) точна побудова ліній фаз СuО і Сu₂О в ділянці №2 свідчить про грубозернисту структуру, що викликано дією температури порядку 900⁰С;

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 на початку на провідник діяла температура, а потім струм 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 температурного впливу не було.

Кулонометричний аналіз. Використовується тільки для дослідження алюмінієвих провідників.

Здійснюється кількісний аналіз алюмінієвих провідників на вміст вуглецю в місці оплавлення. Використовується експрес-аналізатор на вуглець АН-160, принцип роботи якого заснований на методі кулонометричного титрування.

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 кулонометричного осередку 1, заповнений поглинальним розчином 2, що представляє собою хлористий калій і хлористий стронцій, розчинені в дистильованій воді. Попавши в розчин, вуглекислий газ викликає наступні реакції:

1 - поглинальна секція кулонометричного осередку, 2 - поглинальний розчин (розчин КCl, SrCl₂у Н₂О), 3 - допоміжний розчин (К₄[Fe(CN)₆]×H₂O), 4 - перегородка з вікном з гідроцелюлози, 5 - катод кулонометричного осередку, 6 - анод кулонометричного осередку, 7 - кулонометр, 8 - регулятор, 9 - джерело стабілізованого струму, 10 - рН-метр, 11 - трубчаста нагрівальна піч (1250°С), 12 - скляний електрод рН-метру, 13 - допоміжний електрод рН-метру.

Вуглекислий стронцій випадає в осад, звільняючи розчин від непотрібного іону

і підтримуючи тим самим поглинання розчин безупинно перемішується лопатевою мішалкою.

У поглинальну секцію занурені скляний 12 і допоміжний 13 електроди рН-метру 10, на виході якого при зростанні кислотності розчину виникає електричний сигнал. Сигнал надходить на вхід регулятора 8, що автоматично включає імпульсне джерело 9 стабілізованого струму в колі кулонометричного осередку. Цинкові електроди осередку встановлені в різних секціях проти вікна 4 у перегородці, що розділяє секції. Вікно закрите 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 Н⁺ розряджаються на катоді 5:

і кислотність розчину знижується доти, поки не зникне сигнал на виході рН-метру, 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, у який занурений анод 6 кулонометричного осередку, доданий залізосинероїдний калій К₄[Fe(CN)₆]×H₂O.

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

ZnCl₂, що знову утворюється, дисоціює на іони Zn²⁺і Cl^-.

Іони Cl^- залишаються в розчині, а іони цинку вступають у реакцію з іонами дисоційованого залізосинероїдного калію, утворюючи комплексну сіль цинку, і ідуть з нею в осад:

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

Перед проведенням аналізу на вуглець здійснюється додаткова і більш ретельна, в порівнянні з рентгеноструктурним дослідженням, обробка зразків, з метою очищення їх від продуктів горіння.

За допомогою спирту знежирюються провідники і цілком видаляються сліди кіптяви. Потім від зразка відрізаються оплавлені ділянки (по крайці оплавлення), які зважуються на аналітичних вагах з точністю до десятих часток міліграм. Далі виконується остаточне промивання зразків дистильованою водою з наступним прожарюванням їх протягом 1 години в сушильній камері при температурі 100⁰С.

Цілком підготовлені зразки алюмінієвих провідників укладаються в спеціальні керамічні човники, що перед проведенням аналізу заздалегідь прожарюються при температурі 700¸800°С, щоб уникнути помилки, внесеної вуглецем човника в загальний баланс СО₂, що утворюється при горінні зразка.

Для забезпечення повного згоряння зразка в печі в човник додають плавень, для чого застосовують хімічно чисте олово. Кількість плавня звичайно складає 20-25% від ваги зразка. З огляду на те, що якась кількість вуглецю попадає з плавнем у піч, при обробці результатів необхідно внести відповідне виправлення, що встановлюється за показниками приладу АН-160 при спалюванні порції плавня в заздалегідь обпаленому човнику. Спалювання зразка з плавнем здійснюється в зоні печі, де температура складає 1250⁰С.

Враховуючи конструктивні особливості приладу, необхідно отриманий вміст вуглецю перерахувати на стандартне навішення в 500 мг за формулою:

Визначення характеру середовища в момент КЗ 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 визначеним ступенем імовірності (тобто не 100%), судити про характер середовища в момент КЗ (тобто був дим чи ні).

Наприклад, якщо вміст вуглецю в місці оплавлення для проводу АППВ менше 0,012%, то КЗ первинно; якщо більше 0,045%, то КЗ вторинне. Для проводу АПР - якщо менше 0,015%, то КЗ первинно; якщо більше 0,05%, то КЗ вторинне.

Спектральний аналіз. Використовується тільки для дослідження алюмінієвих провідників.

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, можливо зробити висновок при первинність КЗ.

Практично спектральний аналіз виконується на спектрографі ИСП-2.

Приклад виконання експертизи. З вилученого зразка алюмінієвого проводу по залишках ізоляції з великою вірогідністю встановлено, що представлений провідник - провід марки АПР-2,5.

Проведений візуальний огляд показав: оплавлення має локальний характер, форма ліній його різка. Тому найбільш ймовірна причина оплавлення - КЗ.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що на малих кутах відображення має місце ефект астеризму. Можна вважати, що причиною, яка викликала оплавлення, є КЗ.

Кулонометричний аналіз зразка показав: вуглець складає 0,014%, що відповідає первинному КЗ.

Висновок. У досліджуваному провіднику мало місце КЗ і воно первинно.

Питання для самоконтролю за темою "Дослідження пожеж від електроустановок":

1. Організація проведення дослідження пожеж.

2. Методика збору вихідних даних щодо визначення причетності електроустановок до виникнення пожежі.

5. Перелік методів визначення причетності КЗ до виникнення пожежі.

6. Схема візуального обстеження оплавлених ділянок проводів.

7. Перелік інструментальних методів визначення причетності КЗ до виникнення пожежі.