О БЛАГОПРИЯТНОМ ВЛИЯНИИ НПА В ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ AFCI ТЕХНОЛОГИЙ НА ПОЗИТИВНЫЙ ТРЕНД ПО БОРЬБЕ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЖАРАМИ

АННОТАЦИЯ

Статья будет интересна специалистам в области электробезопасности. В ней рассматривается опыт применения AFCI устройств в борьбе с электрическими пожарами, вызванными дуговыми пробоями в сетях до 0,4 кВ. Анализ проведен по официальным данным департаментов США, связанных с пожарной защитой. Сделано сравнение показателей по электрическим пожарам в США, где применяют AFCI с аналогичными показателями по РФ, где их не применяют. Сделано предположение об эффективности использовании данных устройств, исходя из этого сравнения. Замечена корреляция положительных трендов по данной проблеме в США благодаря внедрению НПА. Данные наблюдения и анализ предлагают России новый способ по борьбе с пожарами.

Ключевые слова: AFCI, УОДП, УЗДП, УЗДЗ, модульная микропроцессорная релейная техника, электробезопасность, электрические пожары, дуговой пробой.

ВВЕДЕНИЕ

История развития устройств определения дуговых пробоев берет свое начало в США. В 1992 году комиссия по безопасности потребительских товаров в США (CPSC) озаботилась проблемами снижения числа пожаров, связанных с неисправностями электрооборудования, так называемых «электрических» пожаров». Решение было обусловлено тем, что в то время сильно расширялся набор электроприборов у среднестатистического потребителя, тем самым создавались новые предпосылки к возникновению таких электрических пожаров, и для их уменьшения необходимо было проводить новые исследования и применять новые меры.

Таким образом, данная организация (CPSC) заказала исследования на анализ данной проблемы у Underwriters Laboratories Inc. — у компании по стандартизации и сертификации в области техники безопасности в США.

В итоге уже эта организация, проведя свои исследования и испытания, установила, что дуговые пробои являются в жилом секторе важнейшим фактором возникновения электрических пожаров.

В результате в 1997 году появился первый коммерческий продукт по обнаружению дуговых пробоев. В последствие на все это обратила внимание National Fire Protection Association (Национальная ассоциация по пожарной защите) и в 1999 году была подготовлена новая редакция свода правил по безопасному устройству электроустановок - National Electrical Code (NEC 1999) в котором начало лоббироваться применение устройств определения дуговых пробоев.

СТАТИСТИКА ПО ДУГОВЫМ ПРОБОЯМ В ЦЕПЯХ 0,4 КВ

Почему же так получилось, что дуговые пробои оказались столь значимой проблемой, что ей занимаются на столь серьезном уровне уже более чем 20 лет? Чтобы ответить на этот вопрос, стоит взглянуть на статистику, представленную все той же NFPA, за период 2010-2014 годов. Данные значения являются средним арифметическим за этот период. И мы видим, что по вине дугового пробоя только лишь из тех случаев, которые были однозначно классифицированы (а это значит, что по вине дуговых пробоев в реальности было больше пожаров) мы наблюдаем ситуацию, представленную на Рис.1:

Рисунок 1. Статистика по дуговым пожарам в США [1, c. 3,20]

Важно еще отметить то, что статистика взята за период 2010-2014 года, и по заявлению CPSC – порядка 50% пожаров, которые могли произойти за то время, были предотвращены именно AFCI. Это все указывает на два факта: 1. Актуальность и эффективность применения данных устройств в США, 2. Проблема является крайне серьезной до сих пор судя по статистике ущерба, смертей и травм по этим причинам.

НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СЕТИ

В данном разделе вкратце расскажем о тех элементах энергосистемы в квартире, которые чаще всего являлись причиной той самой негативной статистики, упомянутой чуть ранее. Видим, что в США почти половина случаев электрических пожаров в целом и дуговых в частности, приходится на розеточную группу, как раз туда, куда нужно устанавливать AFCI. В России же эта проблема по данным ВНИИПО МЧС РФ еще более глобальна, и AFCI могло бы кардинальным образом поменять ситуацию, ибо 85 % электрическом пожаров происходило по вине розеточной группы.

Рисунок 2. Сравнительная статистика по наиболее опасному электрооборудованию в США и РФ [2, c. 12, 13; 3, c. 27]

ПОЗИТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ НПА КАСАТЕЛЬНО AFCI ТЕХНОЛОГИЙ НА СТАТИСТИКУ ПО ПОЖАРАМ

Как же в Америке решали данную проблему? Как улучшали статистику по дуговым пожарам? Как мы сказали в самом начале, в 1999 году была подготовлена редакция NEC, в котором впервые была поддержка AFCI. Он предписывал, что с 1 января 2002 года все розетки спальни должны быть защищены Branch Feeder AFCI. Эта технология подразумевала определение лишь параллельных дуг, на последовательные реагировать она не могла. Таким образом защита от пожаров существенно повышалась, но не была максимальной. По причине стремления повысить электробезопасность, впоследствии NEC каждые 3 года выпускал новые стандарты: NEC 2002, NEC 2005, NEC 2008, NEC 2011, NEC 2014, NEC 2017 [5, c. 129].

NEC 2002 расширил применение AFCI для защиты не только розеток, но и всей электропроводки спальни. Затем NEC 2005 разрешает использование Branch Feeder AFCI только до 1 января 2008 года, после чего требовалась установка уже Сombination AFCI для возможности обнаружения не только параллельных дуг, но и последовательных. NEC 2008 расширила защиту AFCI для более широкого спектра помещений: жилые строения, столовые, гостиные, кабинеты, библиотеки, кладовки, спальни, солярии, комнаты отдыха, шкафы-купе, прихожие, и так далее. С этого года применение только лишь Branch Feeder AFCI уже становится недопустимым. NEC 2011 еще более расширил требование AFCI к различным видам помещений [5, c. 129].

NEC в настоящее время требует установки Сombination AFCI во всех новых домах, а также в существующих домах, где необходим ремонт или замена электропроводки.

Рисунок 3. Хронология изменений положений об AFCI в НПА США (в NEC)

Почему последние редакции NEC стали делать упор именно на это? Потому что многие дуговые пожары происходят из-за плохого контакта, вызванного зачастую некачественным монтажом электроаппаратуры при ремонте или замены проводки. Данную проблему озвучивал также и Международный Фонд Электробезопасности (ESFI), который заявлял, что многие электрические пожары произошли в процессе старения домов [6, с. 2,14]. Исследования, проведенные BSRIA (Building Services Research and Information Association) и CFRL в Великобритании в конце 90-х годов, показали, что в 25 % случаев реновации, модернизация проводки в зданиях была проведена ненадлежащим образом, что увеличивало риск искрения из-за плохого контакта или повреждения.

Данная проблема усугубляется еще и тем, что проводящим материалом электропроводки старых домов часто является алюминий, а не медь. Его состояние в домах старше 1970 года, не прошедших модернизацию или прошедших некачественную модернизацию, является плохим. Он окисляется до оксида алюминия, образующего на его поверхности оксидную пленку, таким образом уменьшая сечение провода. С годами этот эффект проявляется все заметнее, в итоге он может привести к тому, что сечение проводника перестанет выдерживать номинальную нагрузку, произойдет его перегрев и возгорание. Еще одна опасность старой алюминиевой проводки в том, что алюминий - ломкий и текучий материал. В итоге это может привести к трещинам в проводнике или зазорам в местах креплений или контакта. В таких трещинах и зазорах будут наблюдаться местные превышения напряженности электрического поля, что приведет к процессу ионизации в них и как следствие к образованию дугового канала или искрения, что увеличивает шанс возникновения пожара.

После великой рецессии 2008 года сильно вырос медианный год жилого дома в США. Более половины домохозяйств США были построены до 1980 года (а в Европе – 85 %), из этого числа около 38 % были построены до 1970 года. Проводка изношена и требует ремонта, а как было сказано, при ремонте велика вероятность того, что будут ошибки в монтаже, повреждения изоляции проводников и так далее, что приведет к дуге. Для защиты от этого и были предприняты NEC 2014 и NEC 2017. По той же причине это касается и новых построек.

Рисунок 4. Статистика по возрасту жилищного фонда в США (на 2015 год) [7]

Рисунок 5. Динамика изменения медианного возраста домохозяйств в США (2005 - 2015) [8]

Недаром на Рис.3 Мы выделили NEC 2005 и NEC 2008 жирным шрифтом. Это были самые значимые изменения в законодательстве касательно AFCI, ибо после 2008 года должно было резко возрасти применение AFCI с функцией последовательного обнаружения дугового пробоя наряду с увеличением списка помещений, где предписывается их применение после 2008 года и после 2011 года. Для обоснования эффективности этих устройств, мы провели анализ по снижению числа электрических пожаров и ущерба от них на базе данных USFA (отдела управления пожарной безопасностью в США) и заметил следующую закономерность. Ровно в течение года после того, как были введены в силу положения NEC 2005 и NEC 2008, на графиках за 2006-2015 года видны резкие провалы по числу пожаров в жилом секторе, по материальному ущербу и числу жертв. А общий уровень тренда благодаря в особенности конкретно этим двум важнейшим редакциям NEC вдобавок к другим его редакциям, менее значимым, но все же полезным, является стойко направленным на снижение данных значений. Особенно это заметно в сравнении с аналогичными данными по РФ, где данные технологии не применяются.

Рисунок 6. Сравнительный анализ по числу и динамике «электрических пожаров» в США и РФ за период 2006 - 2015 гг. [3, с. 27; 4, c. 27, 34; 9, c. 3-5]

Стоит отметить, что в период с 2012 года и далее виден значительный рост этих параметров. Он вызван не тем, что AFCI перестали справляться со своей задачей, а с тем, что был улучшен алгоритм определения причин возникновения пожаров и как следствие алгоритм отнесения их к определенной классификации. То есть число не определяющихся ранее пожаров, стало теперь с 2012 года определяться как «электрические» благодаря улучшению в алгоритме со стороны отдела Федерального агентства по управлению в чрезвычайных ситуациях (FEMA), который называется NFIRS - Национальная система отчетов по пожарным происшествиям.

Рисунок 7. Сравнительный анализ по величине материального ущерба от «электрических пожаров» и по его динамике в США и РФ за период 2006 – 2015 гг. [3, с. 27; 4, c. 27, 34; 9, c. 3-5]

Рисунок 8. Сравнительный анализ по числу смертей от «электрических пожаров» и по их динамике в США и РФ за период 2006 – 2015 гг. [3, с. 27; 4, c. 27, 34; 9, c. 3-5]

Мы привели эти графики в сравнении с данными по РФ, представленными ВНИИПО МЧС РФ, чтобы продемонстрировать как велик разрыв и дополнительно подтвердить тот факт, что наша страна нуждается в применении таких высокотехнологичных устройствах, направленных на борьбу с электрическими пожарами.

УТОЧНЕНИЕ ПОЗИТИВНОГО ТРЕНДА

Для уточнения положительного тренда в США мы применили к анализу дополнительную модель. Суть ее в том, что любое оборудование, в том числе и электротехническое, подвергается графику потока отказов. Согласно нему, наибольшие значения наблюдаются в начале жизненного цикла устройства по причине ошибок монтажа и в конце по причине износа.

Мы узнали сколько в год с 2006 по 2015 (те года, по которым представлена статистика, что на графиках ранее) в США было введено новых построек, потенциально усиливающих риск возникновения пожаров [7, 10], и на основе этих данных мы рассчитали некий уточняющий тренд коэффициент, равный отношению числа пожаров на количество пожаров на расчетный год и проанализировал эту коррекцию тренда по всем годам с 2006 по 2015 год, что выражено в его изменении в расчетный год к изначальному состоянию в 2006 году. Аналогичное было проделано и для РФ. Можем видеть это на рисунке ниже:

Рисунок 9. Вывод об эффективности применения AFCI технологий на базе сравнений двух трендовых линий: США (прим. AFCI) и РФ (не применяет AFCI)

Таким образом мы смогли сопоставить два уточненных тренда между собой в одном графике для наглядности эффективности AFCI в США. Видим, что к 2015 году тренд на снижение числа пожаров с учетом новых построек и выводом старых, в США на 15 % более благоприятен, чем в РФ. И данный % очень хорошо коррелирует с тем, что 11 % электрических пожаров по данным NFPA приходятся как раз-таки на дуговые пробои.

ВЫВОДЫ

Был проведен анализ эффективности применения AFCI технологии в США по снижению негативной статистике по пожарам. Можно с уверенностью утверждать, что данные технологии эффективно, и РФ стоит обратить на них внимание. Для начала необходимо заняться разработкой НПА по обязательному применению AFCI технологий в нашей стране по аналогии с регламентами NEC в США. Это должно создать рынок данных устройств в стране и обозначить на них спрос, а значит и их установку в жилом и частном секторе, что согласно анализу по данным департаментов США должно также помочь и нашей стране в борьбе с электрическими пожарами.

Список литературы:

1. Forum for European Electrical Safety (FEEDS). White paper: Residential electrical safety. How to ensure progress// FEEDS, 2017, ECI Publication № Cu0246, pp.2, 14.
2. Number of households in the U.S. 1960-2017 // statista – The Statistic Portal URL: http://cs-cs.net/meandr-teryaem-kachestvo https://www.statista.com/statistics/183635/number-of-households-in-the-us/ (Дата обращения: 26.02.2018).
3. Residential Building Fire Trends (2007-2016) // FEMA, U.S. Fire Administration National Fire Data Center, U.S. Department of Homeland Security, pp.3,4,5.
4. Richard Campbell. NFPA RESEARCH – Electrical fires // NFPA, 2017, pp.3, 20.
5. Richard Campbell. NFPA RESEARCH – Electrical fires // NFPA, 2017, pp.5, 12, 13.
6. The Aging Housing Stock (by NA ZHAO on january 5, 2017) // NAHB – «Eye On Housing» - National Association of Home Builders Discusses Economics and Housing Policy/ URL: http://eyeonhousing.org/2017/01/the-aging-housing-stock-3/ (Дата обращения: 26.02.2018).
7. И.Г. Андросова, Н.А. Зуева, С.А. Лупанов, В.И. Сибирко, А.Г. Фирсов, Н.Г. Чабан, Т.А. Чечетина. - Пожары и пожарная безопасность в 2015 году: Статистический сборник. Под общей редакцией А.В. Матюшина. - М.: ВНИИПО, 2016, С.27, 34.
8. Королев И.В., Кондратьева О.Е., Валуев П.В., Локтионов О.А., “Анализ целесообразности применения устройств обнаружения дугового пробоя для комплексной защиты от пожаров, вызванных неисправностями электрооборудования” // Электроэнергия. Передача и распределение, №47(2), Москва, 2018, p.108.
9. Основные показатели жилищных условий населения // Федеральная служба государственной статистики // РОССТАТ
10. С.А. Лупанов, А.Г. Фирсов, Н.А. Зуева, В.И. Сибирко, Т.А. Чечетина, Н.Г. Чабан - Пожары и пожарная безопасность в 2010 году: Статистический сборник. Под общей редакцией В.И. Климкина. - М.:  ВНИИПО, 2011, С.27.