Физические основы обеспечения взрывозащиты электрооборудования в популярном изложении

Как мы выяснили ранее, горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешивание горючего газа с воздухом, подогрев этой смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое образованием факела (пламени) с интенсивным тепловыделением.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры самовоспламенения.

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

– нагревом всего объема газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. В этом случае газовоздушная смесь воспламеняется и горит без постороннего источника зажигания;

– применением сторонних источников зажигания (высоконагретых тел, запальников и т. д.). В этом случае до температуры воспламенения нагревается не вся газовоздушная смесь, а ее часть;

– существующим и непрерывно горящим факелом (или каким-то иным источником открытого огня).

Теплота, необходимая для нагрева до температуры самовоспламенения, сообщается веществу от источника зажигания (пламя от постороннего источника, электрический разряд, тепло от нагретых токоведущих частей, искры удара или трения, тепло механической работы или химической реакции и пр.).

Не всякую холодную газовоздушную смесь можно поджечь внешним (сторонним) источником зажигания. Чтобы смесь воспламенилась и продолжала сгорать, нужны определенные соотношения объемов сжигаемого газа и подаваемого воздуха.

Если газа в газовоздушной смеси мало, а воздуха много, то смесь гореть самостоятельно не может и горение такой смеси через определенное время прекратится, т. к. выделяющейся теплоты будет недостаточно для продолжения дальнейшего нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения.

Если в смеси недостаточно воздуха, то при воспламенении может сгореть ограниченное количество газа, но выделяемой химической энергии будет недостаточно для поддержания температуры не ниже температуры воспламенения газовоздушной смеси.

2.2. Тепловое проявление механического воздействия

Тепловое проявление механического воздействия – это явление тепловыделения при трении, ударе и интенсивной турбулизации. При механическом воздействии на материалы выделяется тепловая энергия, которая может привести к возникновению тления или даже горения этих материалов вследствие их трения или удара.

На величину трения влияют: нагрузка; скорость перемещения тел, шероховатость их поверхностей; температура на момент начала трения, наличие смазки. Количество выделяющегося тепла при трении зависит от химического состава трущихся материалов, наличия примесей, строения материала.

Сила трения превращает механическую энергию движения во внутреннюю энергию системы, которая проявляется в виде тепла. Когда два тела соприкасаются и начинают двигаться друг по отношению к другу, между ними возникает трение. Это трение приводит к перемещению атомов и молекул тела, что приводит к их колебаниям и увеличению кинетической энергии. В конечном итоге с высокой степенью вероятности это приводит к повышению температуры механически взаимодействующих тел до величины воспламенения горючей газовой среды, в которой они находятся.

2.3. Причины воспламенения горючих газовых смесей, связанные с эксплуатацией электрооборудования

Рассмотрим причины воспламенения горючих газовых смесей, связанные с эксплуатацией электрооборудования во взрывоопасных газовых средах.

Взрывоопасные смеси воспламеняются в случае, если в электроустановках находится источник зажигания в виде пламени или хотя бы нагретого тела.

Откуда может возникнуть при нормальных условиях работы электрооборудования нагретое тело?

В первую очередь, за счет нагревания проводников с током в электрических цепях в электрооборудовании.

Как это происходит?

При прохождении тока электроны протекают по металлическому проводнику. Поток электронов соударяется с кристаллической решеткой металла проводника. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия, что приводит к возрастанию сопротивления движению электронов и, в результате, нагреву металлического проводника. Это распространяется не только на металлические, но также и на другие проводники электрического тока.

Таким образом, при протекании электрического тока частицы, движущиеся в металлических или газообразных проводниках, взаимодействуют с окружающими частицами, у которых нет направленного и упорядоченного движения. Эти их взаимодействия и превращаются в тепло. Этот процесс отображают в виде закона Джоуля-Ленца, который гласит, что количество теплоты, которое выделяется в проводнике, равно произведению квадрата силы тока в этом проводнике, умноженному на сопротивление проводника и на время, в течение которого этот ток протекает по проводнику (математическую запись закона Джоуля-Ленца можно найти в любом учебнике физики и электротехники).

Для твердого (в т. ч. металлического) проводника температура нагрева зависит от величины тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. Температура нагрева проводника не зависит от его длины, т. к. чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.

Само вещество, из которого сделан проводник, тоже влияет на тепловыделение в нём, т. к. от вида материала зависит сопротивление проводника.

В результате нагревающийся от протекания электрического тока проводник начинает отдавать тепло окружающей среде, если температура среды ниже температуры нагрева проводника, иными словами – проводник нагревает окружающую газовую среду.

В аварийных ситуациях при эксплуатации электрооборудования могут возникнуть иные условия воспламенения окружающей его горючей газовой среды.

Так, электрическая энергия, перешедшая в тепловую, может явиться импульсом воспламенения в случае перегрузок электрических цепей, короткого замыкания, больших переходных сопротивлений, возникновения токов Фуко, искр и электрических дуг.

Основные виды неисправностей, вызывающих перегрев токоведущих частей или приводящих к дуговому замыканию (сам процесс дугообразования мы позже рассмотрим отдельно):

1. Ухудшение качественного состояния электрической изоляции из-за поверхностного увлажнения, поверхностного загрязнения или объемного увлажнения.

2. Механическое ослабление контактных соединений из-за дефектов монтажа, вибрации, коррозии, различной температурной деформации деталей соединения. Причиной ослабления контактных связей также могут быть динамические усилия, возникающие в соединении при коротких замыканиях, циклическое изменение размеров деталей вследствие периодического их нагрева и охлаждения при включении и отключении нагрузки, изменение (уменьшение) толщины изоляционной панели в процессе теплового старения и т. д.

3. Механические повреждения в электроприводе и аппаратуре защиты: выход из строя подшипников, неисправности и перегрузки приводного механизма, работа асинхронных двигателей на двух фазах и пр.

К основным факторам, приводящим к возгоранию электротехнических изделий, относятся либо чрезмерный нагрев электрическим током отдельных деталей, либо появление открытого огня в результате возникновения неуправляемой электрической дуги. Дуга чаще всего является следствием различного рода замыканий из-за повреждения электрической изоляции или при неудовлетворительном состоянии контактов. Дуга воспламеняет горючие изоляционные материалы; она может разрушить металлический корпус электротехнического изделия, и после этого создается возможность распространения огня на окружающие предметы. Перегрев током нагрузки обычно приводит к тепловому пробою электрической изоляции и также возможному последующему формированию электрической дуги.

Поэтому рассмотрим подробнее такое физическое явление, как дуговой электрический ток.

2.4. Дуговой электрический ток

Электрическую дугу можно получить, раздвигая два токонесущих, первоначально соприкасавшихся электрода, например, при разрыве до этого целого проводника. В таких случаях для возникновения дуги нет нужды в пробое газа между электродами (концами разорванного проводника).

Дуговые замыкания, происходящие в электрооборудовании под рабочим напряжением, не требуют присутствия окислителя.

Введем следующие электротехнические термины:

Разряд – процесс протекания электрического тока через ионизированный газ (непосредственно об ионизации речь пойдет ниже).

Пробой – формирование ионизированного газа или переход диэлектрика в проводящее состояние.

Диэлектрик – вакуумный промежуток, газ (может быть нормального давления = 1 МПа, пониженного давления < 1 МПа и повышенного давления > 1 МПа), жидкость, твердое тело. В нашем случае – только газ.

Рисунок 2.1

Рисунок 2.2

В резистивных цепях (см. Рисунок 2.1) при разрыве (размыкании) (см. Рисунок 2.2) образуется дуговой разряд при соблюдении условия:

(Е – 25)/R > Imin (при Е > 25 В),

где Imin – минимальный протекающий в резистивной цепи ток.

Разряд прекращается при увеличении разрыва (расстояния в размыкании), так как при этом увеличивается напряжение горения дуги и, следовательно, снижается ток, и заканчивается только при завершении физического контакта между проводниками.

Образование токопроводящей перемычки между разорванными контактами электрической цепи может происходить в зависимости от напряженности электрического поля и величины произведения давления на длину разрядного промежутка: по классическому механизму развития лавины в разряде Таунсенда.

Примечание: Та́унсендовский разря́д – квазистационарный электрический разряд в газе. Характеризуется малым током разряда: от 10–18 до 10–5 А. Разряд может быть как несамостоятельным, так и самостоятельным. В последнем случае он носит название тёмного разряда. Таунсендовский разряд назван по имени Джона Таунсенда, построившего его теорию в 1900 году.