сотрудник с 01.01.2024 по настоящее время
Ханты-Мансийский автономный округ, Россия
Ханты-Мансийский автономный округ, Россия
УДК 614.841.3 Профилактика пожаров. Предупреждение или ограничение убытков от пожаров
В статье рассмотрена актуальная проблема обеспечения пожарной безопасности в низковольтных системах электроснабжения жилых и общественных зданий в современных условиях. Анализ показывает, что даже при формальном соблюдении всех нормативных требований на всех этапах жизненного цикла электроустановки сохраняется риск возникновения специфических, потенциально пожароопасных режимов ее работы. Эти режимы, часто остающиеся незамеченными, характеризуются значительной несинусоидальностью и несимметрией токов и напряжений, что ведет к дополнительному нагреву элементов сети. Целью проведения исследования является анализ величины тока в нулевом проводе сети 0,4 кВ многоквартирного жилого здания с преобладанием бытовой нелинейной нагрузки. Особое внимание уделяется механизму суммирования токов высших гармоник, в частности третьей гармоники кратной трем, в нейтральном проводнике, что приводит к его перегрузке (и, как следствие, перегреву) даже при внешне сбалансированной нагрузке по фазам. На основе проведенного анализа результатов моделирования обосновывается необходимость дополнения действующей нормативной базы новыми показателями и критериями, позволяющими идентифицировать и нормировать подобные скрытые опасные режимы, остающиеся вне поля зрения при традиционном контроле параметров напряжения.
пожарная опасность, низковольтная сеть, несинусоидальность, несимметрия нагрузок, высшие гармоники тока, ток в нулевом проводе, нормативное регулирование
Введение
Непрерывный рост энергопотребления в быту и на производстве стимулирует массовое использование все большего количества электроприборов. Как показывают статистические данные [1], неисправное, некачественное или некорректно эксплуатируемое электрооборудование остается ведущим техногенным фактором, провоцирующим возгорания. Таким образом, сама инфраструктура, призванная обеспечивать комфорт и эффективность жизнедеятельности, при отсутствии должного контроля становится источником повышенной пожарной опасности.
Сложившаяся практика классификации электротехнических причин пожаров и методология экспертных пожарно-технических исследований в значительной степени сфокусированы на идентификации отклонений от установленных нормативных требований, что является оправданным с точки зрения установления юридически значимых обстоятельств и определения мер ответственности. Однако данный подход, ориентированный на выявление нарушений, объективно приводит к тому, что отдельные аспекты эксплуатации электрических сетей, формально соответствующие действующим регламентам, остаются вне поля системного анализа, несмотря на потенциальное наличие в них скрытых рискообразующих факторов. В частности, вне зоны внимания остаются особенности длительной эксплуатации оборудования в условиях неидеальных параметров сети (но формально разрешенных), что может формировать предпосылки для возникновения аварийных ситуаций при отсутствии прямых нарушений нормативных требований.
Кроме того отметим, что ответственность за аварийные ситуации и ухудшение параметров сети все чаще возлагается на электросетевые компании посредством исков о несоответствии качества электроэнергии. Однако, фундаментальная причина многих скрытых опасных режимов кроется не в работе сетей, а в массовом, бесконтрольном использовании потребителями нелинейной нагрузки, в том числе низкого качества.
Для доказательства существования указанной проблемы в данной работе проведено численное моделирование режимов работы низковольтной электрической сети.
Теория вопроса
Известно, что низковольтные электрические сети характеризуются несимметрией токов и напряжений ввиду неравномерного распределения нагрузки по фазам и, кроме того, имеющей случайный характер коммутаций [2; 3]. Также следует отметить, что для объектов электропотребления до 1000 В характерно широкое применение нелинейных нагрузок (компьютеры, телевизоры, энергосберегающие лампы и др.), создающих значительные гармонические искажения токов (в частности третьей гармоники) [4; 5; 6].
Указанные факторы приводят к протеканию тока небаланса в нулевом проводе [2; 5], в результате чего возникает чрезмерный перегрев последнего, часто являющийся причиной пожароопасных ситуаций [7; 8]. Этот ток определяется из выражения:
где,
Материалы и методы исследования
Настоящее исследование сфокусировано на построении компьютерной модели электрической сети, питающей одноподъездный многоквартирный жилой дом. Создана имитационная модель (рис. 1.), позволяющая проанализировать условия токораспределения (при несимметричном распределении однофазных потребителей по фазам) при эксплуатации бытовых электроприемников в пределах нормативно выделенной мощности. Особое внимание уделяется учету нелинейных искажений, создаваемых современной бытовой техникой, в частности, компонентам третьей гармоники тока. Для проведения численных экспериментов использован программный комплекс MATLAB с пакетным расширением Simulink, позволяющий получать полные сведения о параметрах электрической сети [9].
В качестве питающего узла принят трехфазный источник с трансформатором схемы соединения «треугольник-звезда с нулем» (10/0,4 кВ). Магистральная сеть смоделирована четырехпроводной линией длиной 500 м с параметрами прямой и нулевой последовательностей: R1=0,18 Ом/км, L1=0,08 мГн/км; R0=0,65 Ом/км, L0=0,25 мГн/км. Нелинейная нагрузка, имитирующая работу бытовых приборов с импульсными источниками питания, моделировалась путем задания индивидуальных гармонических спектров для каждой фазы через блоки управляемых источников тока, в которых спектр задавался вручную. Основной вклад в искажение вносила 3-я гармоника, что характерно для высокой концентрации однофазных выпрямителей.
Рис.1. Имитационная модель
Расчетная электрическая нагрузка принята в соответствии с действующими нормативными документами (ПУЭ 7-е издание [10], СП 256.1325800.2016 [11]). В расчетах полагаем, что схема электропроводки выполнена с соблюдением требований к сечению проводников.
Результаты и их обсуждение
В результате моделирования получены действующие значения фазных токов и напряжений, тока в нулевом проводнике (таблица), а также их осциллограммы (Рис.2 и 3), позволяющие провести количественную оценку уровня нагрузки на элементы сети и проверить соответствие проектных параметров фактическим эксплуатационным условиям.
Таблица. Результаты моделирования
|
Параметр |
Фаза А |
Фаза В |
Фаза С |
IN, А |
|||
|
UА, В |
IА, А |
UВ, В |
IВ, А |
UС, В |
IС, А |
||
|
Значение |
219,6 |
55,44 |
220,2 |
47,04 |
220,7 |
39,12 |
34,68 |
Рис.2. Осциллограмма фазных токов
Рис.3. Осциллограмма тока в нулевом проводе
Полученные результаты свидетельствуют о том, что режимы, аналогичные моделируемому, порождают комплекс проблем эксплуатационного характера. Прежде всего, наблюдается протекание повышенного тока в нулевом проводнике (по результатам в таблице IN сопоставим с IС), вследствие чего возможен его перегрев, ведущий к риску термического повреждения изоляции и возникновению пожарной опасности даже при формальном соответствии сечения провода нормативным требованиям.
Особую значимость приобретает тот факт, что традиционные средства защиты оказываются неэффективными для предотвращения последствий данных аварийных режимов [12; 13].
Кроме того, анализ действующего ГОСТ 32144-2013 [14] показывает, что существующая система контроля качества электроэнергии ориентирована преимущественно на параметры напряжения и не учитывает специфические токовые режимы, возникающие в современных электрических сетях. Критической проблемой является тот факт, что при значительном увеличении тока в нулевом проводе за счет несимметрии и высших гармоник параметры напряжения могут оставаться в пределах нормативных значений (что подтверждается результатами в таблице и на Рис.4), что делает эти опасные режимы «невидимыми» для традиционного контроля.
Рис.4. Осциллограмма фазных напряжений
Выводы
Проведенное исследование экспериментально подтвердило, что даже при соблюдении нормативного лимита общей потребляемой мощности характерные для современной бытовой нагрузки несимметрия и несинусоидальность токов приводят к возникновению значительного тока в нулевом проводе. Ключевым фактором является суммирование в нулевом проводе токов третьей гармоники и других гармоник, кратных трем, генерируемых однофазными нелинейными электроприемниками.
С точки зрения пожарной безопасности данное явление представляет серьезную угрозу. Превышение допустимой токовой нагрузки на нулевой провод, часто не контролируемое стандартными средствами защиты, ведет к его перегреву. Длительный перегрев вызывает деградацию изоляции проводов, что значительно увеличивает риск короткого замыкания и возгорания.
Для повышения селективности и надежности систем электроснабжения в условиях нелинейных нагрузок целесообразно применение реле тока с контролем гармонического состава, многофункциональных блоков защиты нейтрали с уставкой, адаптированной к токам высших гармоник. Снижение термической нагрузки на нулевой провод может обеспечиваться интеграцией активных гармонических фильтров и систем температурного мониторинга контактных соединений, что позволит превентивно отключать поврежденные участки до наступления аварийного режима.
Полученные результаты указывают на необходимость учета гармонического состава токов при эксплуатации электрических сетей жилых зданий, в частности, расширения нормируемых критериев оценки соответствия электроустановок требованиям пожарной безопасности (коэффициент несинусоидальности тока и тока в нейтральном проводнике). Данный контроль должен осуществляться не на границе балансовой принадлежности, а внутри объекта – на вводах в здание и распределительных щитах. Таким образом, смещение акцента контроля с исключительно сетевых параметров на режимные внутри объекта четко разграничит ответственность, что создаст правовую основу для обязательства потребителей эксплуатировать совместимое с сетью оборудование и применять необходимые фильтрующие устройства.
1. Пожары и пожарная безопасность в 2024 г. Статистика пожаров и их последствия: информационно-аналитический сборник. Балашиха: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2025. 80 с.
2. Папков Б.В., Осокин В.Л., Дулепов Д.Е. Оценка вероятностей несимметричных режимов систем электроснабжения / Б.В. Папков, В.Л. Осокин, Д.Е. Дулепов // Вестник НГИЭИ. 2021. №4 (119). – С.31–41. DOI: https://doi.org/10.24412/2227-9407-2021-4-31-41; EDN: https://elibrary.ru/SQNJRC
3. Косоухов, Ф.Д. Снижение потерь от несимметрии токов и повышение качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками / Ф.Д. Косоухов, Н.В. Васильев, А.О. Филиппов // Электротехника. – 2014. – №6. – С. 8–12. EDN: https://elibrary.ru/QHPIGD
4. Авербух, М.А., Жилин Е.В. Влияние нелинейной и несимметричной нагрузки на систему электроснабжения жилых микрорайонов / М.А. Авербух, Е.В. Жилин // Промышленная энергетика, 2017, № 12, с. 40–45. EDN: https://elibrary.ru/YMSEMB
5. Костюков Д.А. Оценка вклада потребителя в несимметрию напряжения вдоль нулевой последовательности в точке общего подключения // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2018. – № 6 (69). – С. 24–34. DOI: https://doi.org/10.37493/2307-907X-2018-69-6-24-34; EDN: https://elibrary.ru/YWPRNJ
6. Anu, G. Identification of Harmonic Injection and Distortion Power at Customer Location / G. Anu, F.M. Fernandez // Proceedings of International Conference on Harmonics and Quality of Power, ICHQP. – 2020. – № 4. – P. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/ICHQP46026.2020.9177869
7. Наумов И.В., Ямщикова И.В. О снижении пожарной опасности при эксплуатации индивидуальных домовладений // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2024. Т. 14. № 2. С. 326–339. DOI: https://doi.org/10.21285/2227-2917-2024-2-326-339; EDN: https://elibrary.ru/JQCROG
8. Боков Г. В., Рябиков А. И., Кузнецова Е. В. Пожарная опасность электрооборудования жилых и общественных зданий, обусловленная появлением в электрической сети высших гармоник //Пожарная безопасность. – 2014. – №. 4. – С. 73–77. EDN: https://elibrary.ru/TAJDGR
9. Козлова Ю.С., Ниязов А.Р. Влияние параметров высших гармоник на пожарную опасность низковольтных электроустановок производственных зданий // Безопасность труда в промышленности. 2025. № 9. С. 72–77. DOI: https://doi.org/10.24000/0409-2961-2025-9-72-77; EDN: https://elibrary.ru/MJZYMJ
10. Правила устройства электроустановок [Текст]: 7-е изд. / утв. Минэнерго России. – М.: НЦ ЭНАС, 2022. – 488 с.
11. СП 256.1325800.2016 Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа [Текст]: свод правил / утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 29.08.2016 № 602/пр ; введ. 01.01.2017. – М. : Минстрой России, 2016. – 215 с.
12. Семичевский П. И., Еремина Т. В. Проблемы и основные направления совершенствования системы защитного отключения в электроустановках зданий // Ползуновский вестник. 2009. №4. – С. 45–50. EDN: https://elibrary.ru/OBOESN
13. Геркусов А.А, Грачева Е.И., Шумихина О.А. Влияние несимметричной нагрузки на потери электроэнергии в распределительных сетях 0,4-20 КВ / А.А. Геркусов, Е.И. Грачева, О.А. Шумихина // Вестник КГЭУ. 2022. №2 (54). – С.15–28. EDN: https://elibrary.ru/MEYUIW
14. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
15. Kosoukhov, F.D. Reduction of losses from asymmetry F.D. Kosoukhov, N.V. Vasiliev, A.O. Filippov // Electrical Engineering // Improving the quality of electrical energy in 0.38 kV networks with household loads. - 2014. – No. 6. – pp. 8–12.
