SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
PRZEDMIOT: Energetyczne zagrożenie pożarowe.
TEMAT: Budowa i zasada działania oraz zagrożenie pożarowe urządzeń elektrycznych – transformator, silnik, urządzenia grzejne, urządzenia oświetleniowe.
TRANSFORMATOR.
Transformatorami nazywa się urządzenia przetwarzające energię elektryczna o danym napięciu na energię elektryczną o innym napięciu, przy czym przekazywanie energii z wejścia na wyjście transformatora odbywa się na drodze elektromagnetycznej, każdy transformator składa się z rdzenia wykonanego najczęściej ze stali o właściwościach ferromagnetycznych oraz dwóch uzwojeń nawiniętych przewodem miedzianym na rdzeniu. Uzwojenia te nie są ze sobą połączone elektrycznie, a także odizolowane są od rdzenia.
Rdzenie transformatorów wykonane są w postaci pakietów blach izolowanych pomiędzy sobą lakierem izolacyjnym lub papierem w celu zmniejszenia nagrzewania przez prądy wirowe . Transformatory małej mocy budowane są bez dodatkowej obudowy, jako tzw. suche. Transformatory dużej mocy umieszczane są w kadzi wypełnionej olejem i wyposażone w szereg dodatkowych urządzeń.
Cała energia elektryczna pobrana przez transformator ze źródła powinna być przekazywana na wyjście do odbiorników, również w postaci energii elektrycznej. Zatem w transformatorach nie powinna wydzielać się energia cieplna. Jednak we wszystkich urządzeniach rzeczywistych zawsze wydziela się pewna ilość ciepła, co obniża ich sprawność, a moc tracona na ciepło nazywana jest mocą strat lub krótko stratami. W transformatorach energia cieplna wydziela się zarówno w rdzeniu ( straty w stali ), jak i w uzwojeniach ( straty w miedzi ).
Straty w stali spowodowane są występowaniem prądów wirowych w materiale rdzenia oraz histerezą magnetyczną tego materiału. Praktycznie straty w stali nie zależą od obciążenia transformatora, a więc prądów, jakie płyną w uzwojeniach. Mogą natomiast znacznie wzrosnąć w miarę starzenia się izolacji międzyblachowej rdzenia, zanieczyszczenia oleju w transformatorach olejowych, mechanicznego uszkodzenia blach itp.
Przyczyną występowania strat w miedzi jest rezystancja uzwojeń. Jest to rezystancja bardzo mała, niemniej drut miedziany, którym nawinięte są uzwojenia ma zawsze pewną rezystancję, której nie można pominąć. Ilość ciepła wydzielonego w uzwojeniach zależy od rezystancji uzwojeń oraz wartości prądów, które w nich płyną podniesionej do kwadratu. Ponieważ wartości prądów w uzwojeniach zależą wyłącznie od obciążenia transformatora, stąd nazywa się te straty “stratami obciążeniowymi. Straty obciążeniowe rosną bardzo szybko wraz z przekroczeniem wartości znamionowych prądów (prądy występują w potędze drugiej), a więc przy przeciążeniach transformatorów ( w godzinach szczytu, w miesiącach zimowych, w
sytuacjach awaryjnych, gdy transformator przejmuje obciążenie innego, wyłączonego z ruchu itp.), a zwłaszcza osiągają wielkie wartości przy zwarciach.
Straty w stali dla transformatorów niewielkiej mocy wynoszą od 0,14 % do 0,75 % mocy znamionowej, a dla dużych transformatorów są mniejsze i wynoszą około 0,1 %. Straty w miedzi stanowią przy pracy normalnej od około 0,6 % mocy znamionowej dla transformatorów wielkiej mocy do około 3 % dla transformatorów mniejszych.
Ciepło strat jest odprowadzane do otoczenia albo w sposób naturalny, przez otaczające powietrze w transformatorach suchych albo za pośrednictwem oleju w transformatorach olejowych. Olej jest czynnikiem chłodzącym i jednocześnie izolującym elektrycznie, gdyż zwiększa wytrzymałość elektryczną izolacji uzwojeń względem siebie, względem rdzenia i ścian kadzi. Właściwości tego oleju decydują o ilości odprowadzanego ciepła.
Olej stosowany najczęściej w transformatorach jest to olej mineralny, palny i stanowi główne zagrożenie pożarowe i wybuchowe. Jego temperatura zapłonu wynosi około 140 st. C, a temperatura zapalenia około 300 st. C i zależy od gatunku, składu chemicznego. Stosunkowo niska temperatura zapłonu oleju nie ma większego znaczenia, gdyż przy zwarciach i łuku elektrycznym występują temperatury znacznie wyższe. W temperaturze powyżej 600 st. C. z oleju wydziela się wodór, metan, acetylen, etylen i inne silnie wybuchowe gazy. Podczas palenia się łuku wytworzone gazy powodują wzrost ciśnienia do około 20000 hPa, stąd w praktyce częściej zdarzają się wybuchy kadzi olejowej niż tylko zapalenia oleju.
Olej transformatorowy ulega także procesowi starzenia. Proces ten polega na tym, że pod wpływem tlenu z powietrza następuje utlenianie oleju i wytwarzanie szeregu produktów starzenia, jak kwasy, szlamy i para wodna. Proces starzenia oleju przebiega znacznie szybciej w podwyższonych temperaturach. Produkty starzenia osiadają na uzwojeniach i niszczą izolację ( kwasy ) oraz zakłócają oddawanie ciepła ( szlamy ). Na skutek starzenia olej traci właściwości izolacyjne . Proces starzenia przyspiesza, oprócz podwyższonej temperatury, także woda znajdująca się w oleju ( olej jest bardzo higroskopijny ) oraz zanieczyszczenia mechaniczne.
Przyczyną pożaru transformatora może być wzrost ciepła wytworzonego w nim, tj. strat w miedzi i stali albo zmniejszenie ilości ciepła oddawanego do otoczenia, na skutek pogorszenia warunków chłodzenia. Bezpośrednią przyczyną są zwykle różnego rodzaju niekorzystne zjawiska występujące w czasie eksploatacji transformatora. Najczęściej występujące w praktyce przyczyny pożarów i wybuchów transformatorów są następujące:
¨ uszkodzenie uzwojeń czyli zniszczenie izolacji, powodujące przepływ bardzo dużego prądu zwarciowego i związane z tym wydzielanie wielkich ilości ciepła,
¨ przepięcia, tzn. pojawienie się napięcia znacznie wyższego od znamionowego, np. na skutek wyładowania atmosferycznego w linii,
¨ prądy wirowe i pasożytnicze w rdzeniu przy złym stanie izolacji między blachami rdzenia,
¨ uszkodzenie izolatorów doprowadzających przewody zasilające do transformatora ( jest przyczyną zwarcia i łuku elektrycznego ),
¨ pogorszenie właściwości izolacyjnych oleju ( również może prowadzić do zwarcia i łuku ).
Wszystkie te zjawiska powodują podniesienie temperatury wewnątrz transformatora lub zapalenie łuku elektrycznego. Jeżeli nie zadziałają urządzenia zabezpieczające , pod wpływem podwyższonej temperatury lub palącego się łuku wydzielają się z oleju znaczne ilości gazów palnych. W efekcie może nastąpić wybuch lub wytrysk oleju. W przypadku wybuchu siła eksplozji jest tak wielka, że kadź transformatora ulega rozerwaniu, przy czym olej zaczyna się natychmiast palić. Wydobywające się z oleju gazy mogą osiągnąć tak duże ciśnienie, że powstający wybuch czyni znaczne spustoszenie w stacji. Wytrysk oleju charakteryzuje się dużym rozrzutem plam występujących niekiedy z dala od miejsca wypadku. Przy zetknięciu się gorącego oleju z powietrzem następuje gwałtowne utlenianie, co w konsekwencji powoduje zapalenie. Wytrysk oleju i oblanie kadzi może nastąpić wtedy, gdy ciśnienie gazów spowoduje rozerwanie przesłony zaworu bezpieczeństwa, wyrwanie izolatorów i przewodów olejowych, rozerwanie miejsc połączeń izolatorów z kadzią. Zdarzają się również pożary oleju na pokrywie transformatora. Olej przedostaje się na pokrywę przez uszkodzony izolator pod wpływem ciśnienia gazów.
Transformatory obecnie produkowane i eksploatowane zabezpieczane są przed pożarem i wybuchem bardzo skutecznie różnego rodzaju urządzeniami. Należy także pamiętać, że wiele transformatorów, zwłaszcza napowietrznych musi pracować bez dozoru i konserwacji przez wiele miesięcy, a nawet lat. Praktycznie pożary i wybuch transformatorów zdarzają się bardzo rzadko, kilkanaście rocznie w kraju, ale jest to każdorazowo poważna awaria, powodująca znaczne straty materialne i bardzo duże zakłócenia w pracy sieci.
Gaszenie pożaru transformatora jest bardzo trudne dlatego, że w wielu zakładach przemysłowych w wyniku rozbudowy transformatory umieszczane są zbyt blisko siebie. Skutkiem tego transformatory sąsiadujące z płonącym pracują przy pełnym obciążeniu lub nawet przeciążone, gdyż stanowią rezerwę tego, który uległ awarii.
Podstawowym czynnikiem zabezpieczającym transformator jest jego właściwa budowa ( rdzeń wykonany z blach izolowanych od siebie i od siebie i nakrzemionych, faliste ściany kadzi dla lepszego chłodzenia itp. ). Każdy transformator wyposażony jest w elektryczne zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe. Ponadto transformatory olejowe mają zainstalowane dodatkowe urządzenia zabezpieczające:
ü konserwator oleju,
ü przekaźnik gazowo-podmuchowy,
ü rurę wydechową,
ü termometr,
ü olejowskaz.
Zamiast oleju z ropy naftowej mogą być użyte oleje syntetyczne, niepalne. Silna toksyczność i jak stwierdzono, niszczące działanie na izolację nie pozwala jednak na szersze ich stosowanie.
Ostatnio buduje się transformatory hermetyczne. W takim transformatorze pokrywa jest szczelnie dociśnięta do kadzi. Nad olejem, pod pokrywą jest przestrzeń wypełniona gazem obojętnym, np. azotem. Jest to tak zwana poduszka azotowa. Umożliwia ona rozszerzanie się i kurczenie oleju w czasie pracy transformatora, chroniąc olej przed wilgocią i tlenem zawartym w powietrzu.
Wreszcie ważniejsze dla pewności ruchu transformatory wielkich mocy można chronić stałą instalacją gaśniczą zraszaczową ( wodną ) lub dwutlenkiem węgla.
Stacje transformatorowe – wymagania ogólne.
Teren stacji napowietrznych, z wyjątkiem stacji słupowych z transformatorami umieszczonymi u góry, powinien posiadać ogrodzenie zewnętrzne. Stacja powinna mieć dojazd, zapewniający możliwość transportu instalowanych w niej urządzeń. W otoczeniu stacji nie powinny znajdować się obiekty, które mogłyby zagrażać urządzeniom stacji.
Ściany, stropy i podłogi budynków powinny być wykonane z materiałów niepalnych.
Stacje należy wyposażyć w oświetlenie elektryczne oraz w urządzenia przeciwpożarowe, zgodnie z odpowiednimi przepisami eksploatacji.
Transformatory powinny być w taki sposób ustawione, aby:
v wszystkie urządzenia zainstalowane na transformatorze były łatwo dostępne,
v wszystkie wskaźniki, kontrolowane podczas ruchu, dały się łatwo odczytać z poziomu obsługi,
v pobieranie próbek oleju było łatwe i bezpieczne,
v zapewnione były wystarczające warunki chłodzenia.
SILNIKI
Stan pracy normalnej jest stanem bezpiecznym pożarowo pod warunkiem właściwego chłodzenia. W uzwojeniach silnika płyną prądy znamionowe, silnik pobiera moc znamionową i jego straty nie przekraczają wartości dopuszczalnych. Jeżeli wytworzone ciepło jest w dostatecznej ilości odprowadzane do otoczenia to temperatura nie przekracza wartości dopuszczalnej. Temperatura dopuszczalna długotrwale i dopuszczalny przyrost powyżej temperatury otoczenia zależy od rodzaju izolacji.
Niewłaściwe chłodzenie i w konsekwencji przegrzanie silnika może nastąpić na skutek uszkodzenia wentylatora chłodzącego lub silnika napędzającego ten wentylator ( przy chłodzeniu obcym ), względnie gdy silnik ma przykryte otwory wlotu powietrza, jest brudny, silnie zapylony itp. Jeżeli temperatura otoczenia, w której pracuje silnik jest wyższa niż 40 st.C (najwyższa przewidziana przez przepisy ), nie wolno go obciążać prądem znamionowym, lecz mniejszym.
Rozruch , czyli uruchomienie silnika jest to przejście od postoju do pracy przy prędkości znamionowej. Silnik musi pokonać moment bezwładności własny i maszyny napędzanej. Prąd rozruchowy pobierany z sieci I r jest znaczny i wynosi od 1,2 do8 I n (znamionowego), najczęściej zaś od 4 do 8 I n . Czas trwania rozruchu większości maszyn jest krótki, wyjątek stanowią maszyny o dużym momencie bezwładności, w których czas ten jest rzędu minuty.
Przy ciężkim rozruchu silniki rozgrzewają się do znacznych temperatur, przy czym jest to wzrost bardzo szybki, przez co ogromnie szkodliwe dla silnika, znacznie osłabia izolację, narażając na zwarcie wewnętrzne. Z wyjątkiem silników małej mocy, które można bezpośrednio włączyć do sieci, stosuje się różne metody ułatwiające rozruch: oporniki rozruchowe, przełączniki gwiazda-trójkąt, sprzęgła i inne.
Przeciążenie robocze silnika jest to stan pracy, w którym silnik jest obciążony momentem hamującym, większym od znamionowego. Oddaje wtedy większą moc mechaniczną niż przewidziana dla jego konstrukcji, musi zatem pobrać z sieci większą moc elektryczną od swojej mocy znamionowej. Przy stałym napięciu zasilającym sieci i prawie stałym dla danego silnika współczynniku mocy cos φ, oznacza to zwiększenie prądu. Jak powiedziano wcześniej, straty w uzwojeniach silnika zależą od kwadratu prądu, stąd przy przeciążeniach zwłaszcza długotrwałych ciepło wydzielane w silniku znacznie rośnie i temperatura może osiągnąć wartości większe od dopuszczalnych.
Najczęściej występujące przyczyny przeciążeń silników to niewłaściwie dobrana maszyna napędzana do mocy znamionowej silnika, spadek napięcia w sieci, zły stan łożysk ( zapylenia, brak oleju ), wyboczenia wału, uszkodzenia maszyny napędzanej.
Przeciążenie silnika może być przyczyną pożaru, zwłaszcza silników małych od 0,5 do 10 kW, gdyż dla tych silników nie stosuje się zabezpieczeń przeciążeniowych.
Stan zwarcia silnika indukcyjnego występuje , gdy zwarte uzwojenie wirnika jest nieruchome ( silnik stoi ), a do uzwojenie stojana przyłożone jest napięcie. Jeżeli zahamowanie silnika nastąpiło przy pełnym napięciu sieci to w przybliżeniu można przyjąć, że cała moc znamionowa pobierana z sieci zmienia się na ciepło w uzwojeniach. Temperatura osiąga bardzo wysokie wartości co najczęściej powoduje zapalenie izolacji uzwojeń, a nawet może spowodować wytopienie metalu z wirnika.
...
rupson