Пожарная безопасность электрических изделий в свете требований Международной электротехнической комиссии

С 21 по 25 апреля с.г. в Берлине состоялось заседание рабочих групп ТК 89 Международной электротехнической комиссии (МЭК) «Испытания электрооборудования на пожарную безопасность», на котором были рассмотрены важные вопросы международной стандартизации противопожарных требований и методов испытания готовой электротехнической продукции при её обращении в рамках ВТО.

Актуальность проблемы подтверждается большим, имеющим ежегодную тенденцию прироста количеством пожаров от электрических изделий как в России, так и в большинстве зарубежных стран. Общие статистические данные по количеству пожаров в России от электрических изделий, ущербу от них и числу погибших на пожарах людей представлены в табл. 1, 2 и 3, в которых дана дифференциация этих данных по причинам пожаров и объектам их возникновения.

Табл. 1. Статистические данные по пожарам от электротехнических изделий за 2012 г. в России

Статистические материалы из табл. 2 более правильно считать как данные не по причинам, а по обстоятельствам возникновения пожаров, поскольку к причинам пожаров принято относить те явления и неисправности в электросетях или электроизделиях, которые непосредственно вызывают появление источника зажигания: короткие замыкания, перегрузки, «плохой контакт» и т.п. К сожалению, наши статистические отчёты сведения об истинных причинах пожаров не содержат.

Табл. 2. Статистические данные в России по причинам пожаров от электроизделий за 2012 г.

Пожары от электрических изделий чаще всего (74%) происходят в жилом секторе (табл. 3). Во многом это связано с самодельными электропроводками и неправильной эксплуатацией электроприборов, вследствие чего могут возникать аварийные режимы: короткие замыкания, перегрузки, перегрев контактных соединений и др. Это и приводит к возникновению пожаров.

Табл. 3. Статистические данные в России по количеству пожаров
от электроизделий на различных объектах за 2012 г.

Владение статистическими данными играет важную роль не только при анализе актуальности постановки научных исследований, но и в решении конкретных вопросов, например, оценки риска возникновения пожара на объектах. Поэтому понятен интерес, который российские специалисты (в том числе авторы данной статьи) проявляют к взаимному анализу и сравнению отечественных статистических материалов и зарубежных. Долгое время получить обобщённые зарубежные статистические данные по электрическим изделиям не удавалось.

В процессе работы сессии МЭК/ТК 89 такая возможность представилась. Состоялись встречи и переговоры с руководителем рабочей группы 12 (РГ 12) комитета, известным американским специалистом в области безопасности и стандартизации электротехнической продукции Даниэлем О'Ши (для простоты общения он просил называть его Дан), одновременно являющимся одним из руководящих сотрудников крупной страховой компании США Underwriters Laboratories Inc. (UL), о возможности подготовки совместной статьи, отражающей сравнительный анализ статистических данных США и России. Дан передал для включения в статью статистические материалы по пожарной опасности электрических изделий в жилом секторе США за период 2008-2010 гг., представленные Пожарным департаментом США (USFA), Национальной противопожарной системой (NFIRS) и Национальной ассоциацией противопожарной защиты (NFPA). К сожалению, несмотря на доброжелательность и полное единство взглядов в авторском коллективе в вопросах оценки пожарной опасности электрических изделий, разобраться в номенклатуре и точном совпадении в наименовании и видах однородной американской и российской продукции было трудно. Поэтому мы договорились, соблюдая уместную в данном случае осторожность, считать представленные в табл. 4 и 5 материалы на данном этапе информационными и рассматривать их как первую попытку дальнейшего научно-информационного сотрудничества.

Приводим лишь некоторые комментарии к табл. 4 и 5.

Из табл. 4 видно, что количество пожаров в электропроводках жилого сектора России во много раз превышает этот показатель для США, и это несмотря на существенное количественное превосходство общего числа пожаров в жилых объектах США (см. табл. 5). По нашему мнению, как уже отмечалось выше, это связано с «любовью» в России к самодельным электропроводкам и полным отсутствием в жилом секторе квалифицированного контроля за эксплуатацией электрических изделий (Госэнерго-надзор и Госпожнадзор по квартирам не ходят).

Табл. 4. Данные о количестве пожаров в жилом секторе за период 2008-2010 гг.
по видам электрических изделий в России и США

Примечание. По принятым в США рекомендациям данные округлялись до 100.

Табл. 5. Потери от пожаров, связанных с электрическими изделиями, в жилом секторе за период 2008-2010 гг. в России и США

Примечания.
1. Верхние строчки цифр — данные США, нижние — России.
2. В полученной из США информации не уточняется вид ущерба; по России приведён прямой ущерб. При пересчёте ущерба по России на доллары США был принят курс 1 долл. = 30 руб.
3. Данные представлены Пожарным департаментом США (USFA), Национальной противопожарной системой (NFIRS), Национальной ассоциацией противопожарной защиты (NFPA).

В США такой контроль осуществляют страховые компании. Контроль жёсткий, долларом, и в случае обнаружения отступлений в устройстве электросетей от норм накладываются штрафные санкции и значительно увеличиваются коэффициенты страховых взносов.

Как видно из табл. 5, в жилых домах в США среднее количество пожаров за 3 года (2008-2010 гг.) в 11,5 раза превысило аналогичный показатель для России, что, очевидно, связано с огромным жилым фондом США и соответственно огромным количеством эксплуатирующихся в нём электрических изделий. Именно такое объяснение больших потерь в США по сравнению с Россией (а не более высокое, как хотелось бы считать, качество наших изделий) представляется наиболее корректным при анализе табл. 5.

Другим очень важным направлением нашей деятельности в МЭК/ТК 89 является участие в разработке международных стандартов.

По просьбе руководства комитета авторами для международного стандарта IEC 60695-1-12 [1] на базе ГОСТ 12.1.004-91 [2] была предложена методика вероятностной оценки пожарной опасности электрических изделий и дан пример расчёта для люминесцентного светильника при различных аварийных режимах его работы. В настоящее время стандарт прошёл необходимую процедуру рассмотрения в группах ТК и разослан членам ТК — национальным комитетам — на голосование (стадия CDV). Авторы сочли целесообразным ознакомить читателей журнала с одним разделом нового международного стандарта, который после его утверждения станет обязательным и для российских производителей, желающих выйти со своей электротехнической продукцией на международный рынок в рамках ВТО.

Оценка пожарного риска в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 отражает комплексный подход, который включает использование вероятностно-статистических методов, учитывающих стохастич-ность физико-химических явлений, вызывающих отказ электрических изделий, и детерминистических методов экспертной оценки возможности их возгорания при этих отказах.

Допустимая вероятность возникновения пожара Q_п определена в ГОСТ 12.1.004-91 и составляет 1•10_-6 на одно изделие в год. Если в результате проверки Q_п окажется больше, чем 1•10^-6, то принимается решение о доработке изделия и доведения его до безопасного уровня.

Методы оценки риска возникновения пожара от электротехнических изделий, определённые в ГОСТ 12.1.004, разработаны на основании многолетних исследований и апробации в течение 20 лет расчёта вероятности и на сегодняшний день официально утверждены для использования в тринадцати национальных стандартах РФ и более чем в двадцати спецификациях на различные электротехнические изделия, включая электронагреватели, лампы и электрические звонки.

Применяется следующая формула:

Q_п = Q_п.р. Q_п.з. • Q_н.з. • Q_в ,      (1)

где:
Q_п.р. — вероятность (на единицу изделия в год) возникновения характерного аварийного режима (неисправности) в составной части изделия (рассчитывается статистически на основе накопленных данных);
Q_п.з. — вероятность того, что значение характеристического электротехнического параметра характерного аварийного режима (например, ток короткого замыкания, ток перегрузки или переходное сопротивление) лежит в диапазоне пожароопасных значений;
Q_н.з. — вероятность несрабатывания (аппарата) защиты (электротехнической, тепловой и т.п.);
Q_в — вероятность того, что горючий материал (изоляционный или конструкционный) достигает критической температуры либо загорается (на основе экспериментальных данных).

Если существует k (количество) определённых пожароопасных режимов, характерных для функционирования электротехнического изделия, то:

Вероятность Q_п.р.
Вероятность возникновения характерного пожароопасного режима Q_п.р. определяют путём статистического анализа накопленных данных испытательных лабораторий предприятий-изготовителей и эксплуатационных служб.

При наличии соответствующих справочных данных Q_п.р. может быть определена через общую интенсивность отказов изделия с введением коэффициента, учитывающего долю пожароопасных отказов.

Вероятность Q_п.з.
Вероятность Q_п.з. рассчитывается следующим образом. Характерный пожароопасный режим изделия определяется соответствующим характеристическим электротехническим параметром. Например, пожароопасный режим может быть обусловлен коротким замыканием, тогда характерным пожароопасным значением является ток короткого замыкания. Но только в определённом диапазоне токов короткого замыкания возможен пожароопасный режим (возможно загорание).

Пожароопасные диапазоны для данного параметра определяются в ходе экспериментальных исследований, связанных с оценкой Q_п.з. При этом определяются максимальное и минимальное пожароопасные значения характерного электротехнического параметра.

В общем случае это:

Q_п.з. = N_п / N_э = [X_по(max) — Х_по(min)] / [X_раб.(max) — X_раб.(min)] ,      (3)

где:
N_п — диапазон пожароопасных значений выбранного характеристического электротехнического параметра;
N_э — диапазон рабочих значений выбранного характеристического электротехнического параметра;
X_по (max) и X_по (min) — максимальное и минимальное пожароопасные значения выбранного характеристического электротехнического параметра;
X_раб. (max) и X_раб. (min) — максимальное и минимальное рабочие значения параметра.

Вероятность Q_н.з.
Вероятность несрабатывания электрической защиты Q_н.з. определяется на основании данных по её надёжности. При отсутствии электрической или другой защиты, предотвращающей загорание, значение Q_н.з. принимается равным единице.

Вероятность Q_в
Это вероятность того, что горючий материал достигает критической температуры либо загорается (на основании экспериментальных данных).

В зависимости от типа электротехнического изделия критический режим может определяться разными условиями, например, появлением дыма или достижением критической температуры.

Расчет Q_в при использовании дискретного критерия пожарной опасности
При использовании в качестве пожароопасного критерия дискретного показателя (воспламенение, появление дыма и др.) выполняются лабораторные испытания для определения Q_в.

Q_в — это вероятность, что дискретный показатель отказа будет получен в условиях равенства:

Q_п.р. = Q_п.э. = Q_н.э. = 1.      (4)

И рассчитывается по следующей формуле:

Q_в = m / n ,       (5)

где:
m — количество испытаний, в которых наблюдался положительный исход;
n — общее количество испытаний.

Q_в как функция непрерывного аргумента (непрерывная функция)
В случае если вероятность отказа определяется как непрерывная функция (например, температуры) вместо критерия «да/нет» (прошёл/отказал), вклад этой вероятности принимается как:

Q_в = ф(h) ,       (6)

где:
ф(h) — вероятность;
h — аргумент функции выбранной плотности вероятности.

Например, в случае температурного критерия

где Т_ср — среднее арифметическое значение температур, т.е.

где:
Т_i — максимальное измеренное значение температуры изделия в i-м испытании;
Т_к — критическая температура испытываемого горючего материала;
N — общее количество испытаний;
σ — стандартное отклонение экспериментальных данных.

Примечание. Критическая температура Т_к принимается равной 80% от термодинамического значения температуры воспламенения конструкционных или изоляционных материалов изделия.

Пример. Приводится пример оценки вероятности возникновения пожара от ёмкостного пускорегули-рующего аппарата (ПРА) для люминесцентных ламп (40 Вт и 220 В).

Вероятность того, что в ПРА произойдёт сбой, который приведёт к возникновению опасного электрического режима, выражается произведением Q_п.р. и Q_п.э. Принимаем, что здесь не используется система защиты, следовательно, Q_н.э. = 1.

Следовательно, имеем: Q_п = Q_п.р. х Q_п.э. х Q_в .

В данном примере Q_в рассчитывается как вероятность достижения или превышения критической температуры Т_к.

Здесь Q_в — это вероятность того, что на поверхности ПРА достигается или превышается пожароопасная температура в наиболее нагретом месте (пожароопасная температура равна температуре воспламенения изоляционного материала ПРА). Она рассчитывается путём сравнения среднеарифметических измеренных температур положительного исхода со средней измеренной температурой в наиболее нагретой точке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Рассмотрим три аномальных режима, каждый из которых может представлять пожарную опасность.

Это:

• длительный пусковой режим;
• режим с короткозамкнутым конденсатором;
• длительный пусковой режим с короткозамкнутым конденсатором.

В табл. 6 приведены данные по температуре десяти испытаний, включая один из аварийных (аномальных) режимов, а именно — длительный пусковой режим.

Табл. 6. Длительный пусковой режим: температуры оболочки в наиболее нагретом месте

Расчёт. Среднее арифметическое этих температур, Т_ср = 375 K (θ_ср = 102°С).

Стандартное отклонение, σ = 3,13 K.

Примечание. T — термодинамическая температура, θ — °С.

Для расчёта Q_в прежде всего необходимо определить критическую опасную температуру, Т_к, и затем вероятность того, будет ли она достигнута или превышена.

Т_к определяют по следующей формуле:

где:
T_D — температура при появлении первого дыма;
Т_А — температура, при которой ПРА «выходит из строя».

В данном примере Т_к равно 442,1 K (θ_К = 169°С).

Определяем критерий Стьюдента t, распределение вероятности, рассчитываем параметр h:

Имеется 9 степеней свободы (n-1), и критерий Стьюдента даёт практически ноль (8,34 х 10^-14) для ф(h) при h, равном 67,8.

Следовательно, в данном случае Q_в = 0 и, таким образом, Q_п = 0.

В табл. 7 приведены экспериментальные данные для двух других аварийных режимов работы, расчёт значений h и Q_в осуществляется аналогичным образом.

Табл. 7. Температура корпуса в наиболее нагретом месте при работе в аномальных режимах

Полученные данные по опасности для всех трёх аварийных режимов суммированы в табл. 8.

Табл. 8. Данные характеризующие опасность аварийных (аномальных) режимов

* Статистические данные из лабораторий предприятий-изготовителей.

Вероятность возникновения пожара от устройства ПРА, следовательно, рассчитывается так:

Q_п = 1 — (1 — 0,06 x 0) х (1 — 0,1 x 0) х (1 — 0,006 x 0,000290) = 1,74 x 10^-6.

Это значение больше 10^-6, следовательно, прибор не может считаться безопасным (не удовлетворяет требованиям безопасности).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение несколько слов о Международной электротехнической комиссии (МЭК), объединяющей в настоящее время учёных и специалистов более 170 стран, которые участвуют в работе 118 технических комитетов (ТК).

ВНИИПО МЧС России участвует в работе МЭК около 30 лет, возглавляя российскую часть ТК 89 «Испытания электрооборудования на пожарную опасность».

Основными задачами международного научно-технического сотрудничества в области стандартизации, как определяют №184-ФЗ от 27.12.2002 [3] и Правила по стандартизации (ПР 50.1.074-2004) [4], а также Концепция развития национальной системы стандартизации, являются:

• гармонизация международных и отечественных стандартов;
• содействие повышению качества и конкурентоспособности отечественной продукции на мировом рынке;
• защита экономических интересов России при разработке и внедрении международных и национальных стандартов;
• содействие взаимному признанию результатов сертификации продукции и услуг на международном и региональном уровнях.

Участие института в работе МЭК, как постоянного члена ТК 89, заключается в разработке международных требований и методов испытаний электрических изделий, а также в рассмотрении направляемых в наш адрес ежегодно более 30 нормативных международных документов и выдаче заключений по ним в качестве международных экспертов. При этом в своих заключениях мы стремимся отражать и поддерживать основные идеи разработанных в институте норм. В свою очередь, требования стандартов МЭК, которые можно будет рассматривать как рекомендации международного электротехнического сообщества, мы стараемся использовать при разработке НТД в рамках плановой тематики.

ЛИТЕРАТУРА
1. IEC 60695-1-12. Руководство по оценке пожарной опасности электротехнической продукции. — Техника пожарной безопасности.
2. ГОСТ Р 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
3. Федеральный закон №184-ФЗ от 27 декабря 2002 «О техническом регулировании».
4. ПР 50.1.074-2004 «Подготовка проектов национальных государственных стандартов Российской Федерации и проектов изменений к ним к утверждению, регистрации и опубликованию. Внесение поправок в стандарты и подготовка документов для их отмены».