1) LOI (limiting oxygen index – Wskaźnik/Indeks tlenowy) [%] – minimalne stężenie tlenu w atmosferze azotu, przy którym spalanie danego materiału zostanie podtrzymane. Indeks tlenowy zależy od wielu czynników, także od rodzaju i ilości domieszek, a także maleje wraz ze wzrostem tempera-tury. Przykładowe wartości dla: węgla kamiennego ok. 60%, PVC ok. 25%, a bawełny nawet poniżej 19%15.
2) Ciepło spalania (brutto) [MJ/kg] – jest to ilość ciepła wydzielającego się pod-czas całkowitego i zupełnego spalenia jednostki masy materiału (paliwa) w określonych warunkach badania z uwzględnieniem ciepła odzyskanego z kondensacji pary wodnej. Przykładowe wartości ciepła spalanie wg. PN-B-02852:2001: parafina: 62 MJ/kg, polietylen (PE): 42 MJ/kg, węgiel brunatny: 22 MJ/kg.
3) Rozprzestrzenianie płomienia – propagacja czoła płomienia, badanie zgodnie z PN-EN 60332 (pojedyncze kable ułożone pionowo) oraz PN-EN 60332-3-24 (pionowe wiązki kabli).
4) Gęstość wydzielanych dymów – zgodnie z normą PN-IEC 61034.
5) Wydzielanie gazów – zarówno toksycznych, jak i korozyjnych. Do najniebez-pieczniejszych należą: chlorowodór (HCl), fluorowodór (HF), bromowodór (HBr), tlenki siarki (SO2, SO3), cyjanowodór (HCN), tlenek i dwutlenek węgla. Metody badania opisują norma PN-EN 60754-1.
10.8. Zjawiska cieplne towarzyszące przepływowi prądu
Jednym z najważniejszych zjawisk, z punktu widzenia bezpieczeństwa poża-rowego, które obserwujemy w trakcie eksploatacji urządzeń elektrycznych jest proces wydzielania się ciepła w związku z przepływem prądu. Część wydzielonej w ten sposób energii zostanie oddana do otoczenia, a reszta spowoduje wzrost energii wewnętrznej przewodu, a także izolacji.Może to doprowadzić do częściowego lub całkowitego jej zniszczenia, co z kolei może spowodować sytuacje niebezpieczne z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej (zwarcia) czy też przeciwporażeniowej (utrata zdolności przewodu do bezpośredniej ochrony przed porażeniem).
Badanie przewodów elektrycznych w stanach awaryjnych
10.
Aby zrozumieć podstawy fizyczne tego zjawiska, należy przyjrzeć się bilan-sowi energetycznemu, wykonanemu dla jednorodnego przewodu obciążonego prądem o stałej wartości. Bilans zapisano w postaci równania różniczkowego:
p dt s l c d⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ϑ+ ⋅ ⋅k S
(
ϑ ϑ− 0)
⋅dt (19) gdzie: p – moc chwilowa wydzielona w przewodniku [W]; t – czas [s]; s – przekrój przewodnika [cm2]; l – długość przewodu [cm]; c – ciepło właściwe materiału [J/cm3·K]; 𝜗 – temperatura przewodnika [°C]; k – współczynnik oddawania ciepła [W/cm2·K]; S – powierzchnia zewnętrzna jednostki długości przewodu [cm2/cm]; 𝜗0 – temperatura otoczenia [°C].Pierwszy wyraz prawej strony równania oznacza ilość ciepła zużytego na podniesienie temperatury przewodu o d𝜗, z kolei drugi wyraz to ilość ciepła oddana do otoczenia.
Moc wydzieloną na przewodniku (lewa strona równania) obliczymy z nastę-pującej zależności (efekt Joule’a-Lenza):
P k I R k I l s d d = ⋅ ⋅ =2 ⋅ ⋅ ⋅2 ρ (20) gdzie: kd – współczynnik strat dodatkowych, wywołany wpływem pól magnetycznych (dla prądu przemiennego kd > 1, dla stałego kd = 1); ρ – rezystywność materiału przewodowego (Ω·m); s – przekrój przewodnika [cm2]; l – długość przewodu [cm].
Podstawiając powyższą zależność do bilansu cieplnego:
k I l
s dt s l c d k S dt
d⋅ ⋅ ⋅ ⋅2 = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
(
−)
⋅0
10.8. Zjawiska cieplne towarzyszące przepływowi prądu Po przekształceniu powyższego równania do równania różniczkowego linio-wego pierwszego rzędu oraz po jego rozwiązaniu otrzymujemy zależność, z której można wyliczyć wzrost temperatury przewodu ponad temperaturę otoczenia:
ϑ ϑ− = ⋅ρ ϑ ϑ ⋅ ⋅ ⋅ − +
(
−)
⋅ − − ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ 0 2 0 1 k k S sd I e e k S c st p k S c st (22) gdzie: 𝜗 – temperatura przewodu [°C] po czasie t [s]; 𝜗p – temperatura początkowa [°C].Można zauważyć, że poniższe wyrażenie ma wymiar czasu. Zwane będzie cieplną stałą czasową:
c s
K S T
⋅
⋅ = s
[ ]
(23)Wobec faktu, że T > 0, wyrażenie z wykładnika funkcji ekspotencjalnej
e− ⋅ e
⋅ = −
k S
c st Tt będzie dążyło do zera (w miarę upływu czasu), czyli wzrost tempe-ratury przewodu będzie spowolniał w czasie (dążył do uzyskania tempetempe-ratury ustalonej 𝜗 = 𝜗u). Aby obliczyć temperaturę ustaloną dla danego przewodu, przy danej temperaturze otoczenia 𝜗0, konieczne będzie zatem obliczenie granicy:
ϑu ϑ ϑ ϑ ρ t d k k S s I −
(
−)
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = →∞ 0 0 2 lim (24)Ostatecznie otrzymujemy równanie krzywej nagrzewania (jest ona różna dla różnych temperatur otoczenia 𝜗0):
ϑ ϑ= u−
(
ϑ ϑu− 0)
⋅e−Tt (25)Wprowadzając przyrosty temperatur, w celu usunięcia temperatury otocze-nia: τ = ϑ ϑ− 0, τu= ϑ ϑu− 0, τp= ϑ ϑp− 0 oraz przyjmując temperaturę początkową równą temperaturze otoczenia ϑ ϑ
(
p= 0)
, otrzymujemy:t
Badanie przewodów elektrycznych w stanach awaryjnych
10.
Gdyby wg powyższej zależności obliczyć przyrost temperatury w czasie t = T (czyli jednej cieplnej stałej czasowej), okazałoby się, że τ = 0,632·τu. Innymi słowy, po czasie równym wartości cieplnej stałej czasowej danego przewodu w danych warunkach, temperatura przewodu osiągnie ok. 63,2% temperatury ustalonej, czyli takiej, którą uzyskałby dany przewód przy nieskończenie dłu-gim czasie przepływu prądu o stałym natężeniu. Kolejne wartości widoczne na rys. 10.4 uzyskuje się przez podstawienie za czas t kolejnych krotności cieplnej stałej czasowej (t = 2T, 3T, 4T,…).
Rys. 10.4. Przebieg czasowy nagrzewania się przewodu na skutek przepływu prądu o stałym
natężeniu
Źródło: opracowanie własne na podstawie [18]
Warto zauważyć, że na osi poziomej znajduje się stosunek t/T, a zatem kolejne wartości liczbowe oznaczają, ile stałych czasowych upłynęło od roz-poczęcia nagrzewania przewodu. Z kolei na osi pionowej naniesiono stosunek temperatury chwilowej przewodu do temperatury ustalonej (np. temperatury otoczenia, dla w której znalazł się przewód).
Cieplną stałą czasową T, poza sposobem analitycznym przedstawionym powyżej, można także wyznaczyć, kreśląc w dowolnym punkcie krzywej nagrze-wania styczną do wykresu, aż do przecięcia się z prostą, oznaczającą temperaturę ustaloną (zaznaczona na wykresie). Przyjmuje się, że jeżeli obciążenie przewodu
10.8. Zjawiska cieplne towarzyszące przepływowi prądu Obciążalność prądowa długotrwała jest to skuteczna wartość prądu o
nie-zmiennym natężeniu, który przepływając przez przewód w czasie nieskończenie długim (przy określonym ułożeniu i warunkach otoczenia), powoduje podwyż-szenie się temperatury przewodu do wartości dopuszczalnej długotrwale (przedstawiono w tabeli 10.6). Przy ustalaniu tej wartości wzięto pod uwagę negatywny wpływ temperatury wytrzymałość mechaniczną przewodu, stan izo-lacji, zestyków oraz wpływ na otoczenie16, a powyżej tej temperatury następują niekorzystne i nieodwracalne zjawiska. Jeżeli jednak temperatura ta nie będzie przekraczana, powinno to zapewnić niezawodność funkcjonowania izolacji na przestrzeni 20-30 lat.
Temperatura dopuszczalna przy zwarciu, z kolei, to temperatura
naj-wyższa, jaką dopuszcza się w chwili końcowej trwania zwarcia. Wprawdzie spowoduje to ubytek trwałości termicznej izolacji, ale nie doprowadzi do zapale-nia, roztopienia czy doprowadzenia do przemieszczenia żyły przewodu.
Tabela 10.6. Wartości graniczne temperatur przewodów dopuszczalnych długotrwale i przy
zwarciu, w zależności od materiału izolacji
Materiał izolacji Temperatura [°C] graniczna
dopuszczalna
długotrwale przy zwarciu
Polwinit (PVC) 70 160
Polietylen (PE) 75 150
guma etylenowo-propylenowa (EPR) 60 200
Polwinit ciepłoodporny, polietylen usieciowany (XLPE) 90 250
Guma silikonowa 180 350
Źródło: [30]
Podsumowując, czynnikiem decydującym o zapaleniu przewodu będzie czas przepływu prądu oraz jego natężenie. Naturalnie, jeżeli wartości prądu sięgną wartości zwarciowych, w większości przypadków zadziałają zabezpieczenia danej sieci. W przypadku przeciążenia jednak, jeżeli dana sieć nie jest przed tym zabezpieczona, przewód może się nagrzewać aż do temperatur niebezpiecznych. Wówczas zapalenie się przewodu będzie zależeć także od stanu zabezpieczeń, rodzaju materiału, z jakiego wykonana została izolacja oraz samej budowy przewodu.
Badanie przewodów elektrycznych w stanach awaryjnych
10.
10.9. Wykrywanie napięcia w warunkach akcji ratowniczej
Każdej akcji ratowniczej towarzyszyć będzie niebezpieczeństwo zwią-zane z porażeniem prądem elektrycznym. Zgodnie z obowiązującymi zasadami wyposażenia jednostek organizacyjnych PSP, każde JRG powinno na swoim wyposażeniu mieć przyrządy pomiarowe i wykrywacze, w tym detektor napięcia. Niejednokrotnie decyduje to o bezpieczeństwie ratowników.Powszechnie stosowanym detektorem napięcia jest AC Hot Stick przed-stawiony na rys. 10.5. Zgodnie z danymi producenta, pozwala on na wczesne wykrywanie przewodów i kabli pod napięciem – w zależności od wartości napię-cia oraz odległości. Producent podaje przykłady zastosowań i potencjalne grupy odbiorców, m.in.:
a) grupy poszukiwawczo-ratownicze,
b) strażaków udających się na rozpoznanie podczas pożaru,
c) wykrywanie obecność napięcia przemiennego na elementach przewodzą-cych samochodu, który uległ wypadkowi (źródła zewnętrzne),
d) działania w ciasnych przestrzeniach, e) ratownictwo chemiczno-ekologiczne,
f) usuwanie następstw klęsk żywiołowych, g) działania w zakładach przemysłowych.
Zakres pracy urządzenia to częstotliwościach od 20 do 100 Hz. Producent nie podaje dokładnego zakresu wykrywanych napięć, a jedynie enigmatycznie zapewnia, że urządzenie wykrywa „wysokie napięcia elektryczne”. Podano nato-miast typowe odległości wykrywania w zakresie od 120 V do 46 kV.
Urządzenie ma wbudowane trzy tryby pracy (czułości): wysoka, niska i skupiona. Dla porównania warto przytoczyć charakterystykę podaną przez producenta. Detektor powinien wykryć pojedynczy przewód ułożony 1,8 m nad ziemią (częstotliwość 50 Hz, napięcie 220 V) z odległości 4,6 m (wysoka czu-łość), 0,9 m (niska czułość) lub 150 mm (czułość skupiona). Urządzenie będzie sygnalizować ten fakt zarówno poprzez sygnał dźwiękowy, jak i świetlny (dioda LED). Częstotliwość sygnalizacji będzie rosła wraz ze zbliżaniem urządzenia do elementu pod napięciem. Do zalet urządzenia można zdecydowanie zaliczyć jego stosunkowo niewielkie rozmiary i wagę.
Podstawową wadą jest brak możliwości wykrywania napięcia stałego. Spra-wia to, że urządzenie będzie nieskuteczne podczas działań drogowych z udziałem
10.9. Wykrywanie napięcia w warunkach akcji ratowniczej W tabeli 10.7 przedstawiono podstawowe informacje oraz parametry pracy urządzenia.
Rys. 10.5. Detektor napięcia AC Hot Stick
Źródło: opracowanie własne
Tabela 10.7. Podstawowe informacje dot. urządzenia AC HotStick
Napięcie
[V] AC Częst.[Hz] Obiekt pod napięciem
Wykrycie obiektu z odległości: czułość
Wysoka czułość Niska Skupionaczułość
120
220 6050 Pojedynczy przewód 4,6 m 0,9 m 150 mm
120
220 6050 Przewód leżący na wilgotnej ziemi 0,9 m 150 mm 25 mm 7,2 kV
16 kV 6050 Sieć średniego napięcia 65 m 21 m 6 m
46 kV 60 Sieć średniego napięcia >150 m > 60 m > 20 m
Zasilanie 4 baterie AA
Czas pracy 300 h
Czas pracy przy typowym wykorzystaniu 1 rok
Stopień ochrony Odpowiednik IP 44
Temperatura pracy − 30 do 50°C
Waga (z bateriami) 570 g
Badanie przewodów elektrycznych w stanach awaryjnych
10.
10.10. Pomiary laboratoryjne
Podczas ćwiczenia wykonane zostaną następujące czynności:
a) pomiar temperatury izolacji przewodu podczas przeciążenia i zwarcia, b) wyznaczenie skuteczności wykrywania urządzeń i instalacji pod napięciem
przez wybrane urządzenia probiercze.
10.11. Opracowanie wyników pomiarów
W celu opracowania sprawozdania z ćwiczenia należy:a) podać warunki ćwiczenia (typ przewodu, wykonane próby, wartości prądu), b) opisać stopień zniszczenia izolacji przewodu podczas próby przeciążenia
i zwarcia, porównać obydwie próby,
c) przedstawić zależności wymagane w protokole do ćwiczenia,
d) omówić zbadaną charakterystykę pracy detektora napięcia AC HotStick (i/lub innych wykorzystanych),
e) podać wnioski i uwagi.
10.12. Zagadnienia i pytania kontrolne
a) Opisz znaczenie poszczególnych symboli oznaczenia przewodu HTKSHekw PH90 1 x 2 x 1 mm2.
b) Z jakich materiałów wykonuje się izolacje kabli i przewodów?
c) Jakimi kolorami oznacza się izolację żyły przewodów prądowych, neutral-nego, uziemiającego?
d) Czemu służy ekranowanie przewodów i jak jest realizowane? e) Scharakteryzuj przewody ognioodporne.
f) Wskaż parametry fizykochemiczne izolacji przewodów i kabli, istotne z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej.
g) Co to jest cieplna stała czasowa T?
h) Naszkicuj i objaśnij przebieg czasowy nagrzewania się przewodu na skutek przepływu prądu o stałym natężeniu.