автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Выявление следов больших переходных сопротивлений после пожара на строящихся и эксплуатируемых объектах

Введение.

Глава 1. Пожароопасные аварийные режимы в электросетях; механизм возникновения и методы установления причастности к возникновению пожара. (Аналитический обзор.)

1.1 Пожарная опасность электроустановок. Классификация аварийных режимов.

1.2 Короткое замыкание и методы установления причастности его к возникновению пожара.

1.2.1 Рентгеноструктурный анализ металлических проводников.

1.2.2 Металлографический анализ медных и алюминиевых проводников.

1.2.3 Неполное КЗ как разновидность коротких замыканий.

1.3 Перегрузка и методы установления причастности её к возникновению пожара.

1.4 Большие переходные сопротивления.

1.5 Применение растровой электронной микроскопии в научных исследованиях и криминалистике

1.5.1 Основы процесса формирования изображения в РЭМ.

1.5.2. Формирование увеличения в РЭМ.

1.5.3. Элемент изображения и глубина фокуса в РЭМ 31 1.5.4 Исследование на РЭМ объектов с различными физическими свойствами. 33 1.5.5. Применение РЭМ в пожарно-технической экспертизе и криминалистике.

Глава 2 Моделирование больших переходных сопротивлений

2.1 Классификация БПС и обоснование выбора экспериментальных установок.

2.2 Лабораторные установки, моделирующие БПС и методика проведения экспериментов.

2.2.1 Лабораторная установка для моделирования локального нагрева при БПС.

2.2.2 Установка для моделирования искрения при БПС.

2.2.3 Моделирование БПС, возникающего в контактах при вибрации.

2.2.4 Исследования БПС, возникающих при некачественном монтаже и пайке электронных компонентов печатных плат радиоэлектронной аппаратуры.

2.3 Образцы, полученные при моделировании БПС

2.4 Инструментальные исследования следов БПС на проводах, конструктивных элементах электропотребителей и коммутационных устройствах.

2.4.1 Выбор методов исследования.

2.4.2 Микроскопическое исследование. Морфологический анализ.

2.4.3 Металлографическое исследование.

2.4.4 Морфологическое исследование образцов на электронном микроскопе.

2.4.4.1 Морфологическое исследование образцов, подвергшихся искрению.

2.4.4.2 Морфологическое исследование образцов, подвергшихся воздействию локального нагрева при БПС.

Глава Э. Исследование зависимости следов БПС на контактирующих элементах от температуры контакта.

3.1 Описание лабораторной установки.

3.2 Исследование следов БПС, возникающих на начальной стадии высокотемпературного нагрева.

3.3 Исследование алюминиевых образцов, подвергшихся воздействию процессов, возникающих при БПС.

3.4 Исследование медных образцов, подвергшихся воздействию процессов, возникающих при БПС.

Глава 4 Образование и сохранность следов БПС в условиях, характерных для пожара. Решение задачи дифференциации следов БПС и механических повреждений на медных образцах при высоких температурах.

4.1 Исследование сохранности следов БПС в условиях, характерных для пожара.

4-2. Решение задачи дифференциации следов БПС и механических повреждений на медных образцах при высоких температурах.

Глава 5. Основы методики экспертного исследования БПС и примеры их практического использования.

Во всем мире 20- 40 % пожаров в зданиях и сооружениях различного назначения связаны с аварийными режимами в электросетях и электропотребителях [1-3]. Один из наиболее распространенных пожароопасных режимов такого рода - большие переходные сопротивления (БПС).

На строящихся и реконструируемых объектах БПС возникает прежде всего во временных электросетях, проложенных на время проведения строительно-монтажных работ - в местах скрутки проводов, изломов жил и т.д. Возникновению БПС способствует вибрация работающей строительной техники и оборудования, приводящая к ослаблению контактов.

На введенных в эксплуатацию объектах данный режим через определенное время проявляется в местах некачественного монтажа электрооборудования и это особенно опасно при контакте со сгораемыми конструкционными и отделочными материалами.

В эксплуатируемых зданиях и сооружениях БПС чаще всего возникает в электрических щитах, в электроустановочной и коммутационной аппаратуре, а также в самых различных электропотребителях.

БПС , как пожароопасный аварийный режим, достаточно часто упоминается в специальной литературе по пожарной безопасности и электротехнике. Однако основная масса публикаций посвящена вопросам профилактики этого явления. Механизм его возникновения и протекания изучен достаточно плохо. Еще менее изучены следы, которые оставляет этот процесс, методы их выявления и фиксации при исследовании и экспертизе пожаров.

В отдельных случаях разрушения электрических проводников и деталей в зоне действия БПС столь велики, что они без труда обнаруживаются при визуальном осмотре и фиксируются обычной фотосъемкой. Однако в большинстве случаев следы БПС не видны невооруженным глазом и их выявление и фиксация после пожара представляет нелегкую задачу. Экспертам при поисках следов БПС (если такие поиски проводятся вообще) приходится действовать интуитивно, т.к. непонятно, что собственно необходимо искать, какими методами и техническими средствами. Непонятно, какие выявленные следы могут рассматриваться в качестве квалификационных признаков БПС, насколько они способны сохраняться и видоизменяться в ходе пожара. Это приводит к тому, что на практике следы данного пожароопасного режима, как правило, не выявляются, его причастность к возникновению пожара не доказывается. А ведь по мнению специалистов, БПС - одна из наиболее распространенных «электротехнических» причин пожаров, гораздо более частая, нежели другие.

Необходимость научно-методического обеспечения экспертного исследования пожаров вообще и следов БПС, в частности, становится особо актуальной в настоящее время, в условиях проходящей в стране правовой реформы. В суде свое мнение о причине пожара экспертам все чаще приходится не декларировать, а доказывать, часто в условиях достаточно жесткой дискуссии с противоположной стороной. В такой ситуации сомнениям подвергается наличие и причинная связь с возникновением пожара не только скрытых, но и явных следов возникновения пожара. Выявить истинную причину пожара и отстоять ее в суде может помочь только научно- обоснованная и безупречная с технической и правовой точки зрения экспертная методика.

Целью данной работы является изучение следов БПС, возникающих на контактных элементах электрических сетей и электроустановок и разработка научных основ их экспертного исследования при установлении причины пожара.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- Провести анализ известных методов и методик экспертного исследования после пожара следов основных пожароопасных процессов, которые возникают в электросетях (в том числе БПС), а также принципов работы и аналитических возможностей инструментальных методов, которые могут оказаться пригодны для исследования следов БПС.

- Проанализировать механизмы возникновения БПС в различных ситуациях, изготовить лабораторные установки, моделирующие соответствующие режимы возникновения БПС, провести на них эксперименты с получением образцов для дальнейших исследований.

- Выбрать инструментальные методы и провести с их помощью исследование полученных образцов, установить квалификационные признаки протекания процесса БПС.

- Исследовать зависимость формирующихся признаков от условий протекания процесса (контактирующие материалы, температура в зоне контакта и др.).

- Исследовать устойчивость выявленных квалификационных признаков в характерных для пожара температурных условиях, в задымленной атмосфере, при резком охлаждении при тушении.

- Разработать аналитическую схему и научные основы методики экспертного исследования следов БПС при экспертизе пожаров и провести их апробацию на реальных пожарах.

На защиту выносятся:

- Результаты исследования инструментальными методами следов БПС, их образования и трансформации в характерных для пожара условиях.

- Аналитическая схема й научные основы методики выявления следов БПС на контактных соединениях, изъятых с места пожара.

Исследование методом оптической микроскопии, РЭМ, РСА, металлографии следов БИС, возникающих и обнаруживаемых на поверхности контактных элементов из меди, алюминия, латуни, стали в условиях лабораторного моделирования, а также непосредственно на объектах, изьпиаемых с мест пожаров, показало следующее:

1. Явление БИС возникает в случае недостаточной площади контакта или неплотного соединения между контактирующими соединениями (что также приводит к недостаточной площади контакта) и сопровождается множественными искровыми микроразрядами, и (либо) локальньпли проплавлениями поверхности.2. Наиболее информативным методом выявления характерных для БПС следов является растровая электронная микроскопия.3. Микроразряды оставляют на поверхности контактируюпщх проводников следы в виде «впадины», «кратеров», «хребтов», микрооплавлений различной формы и размеров, лучще всего выявляемых методом РЭМ. По мере удаления от центра впадины плотность расположения характерных следов БПС уменьщается.4. При безыскровом характере БПС следы этого режима гфедставляют собой локальные «проплавления» - округлую, без граней и кромок структуру, напоминающую при увеличениях 300"^ -

1200 «волны».5. Проведённые исследования позволяют предположить следующий механизм протекания БПС следующий: при недостаточной площади контакта между проводниками в местах контакта вследствие повьппения температуры начинается локальное подплавление поверхности контактов. Если площадь контакта меньще некоторого критического значения, в зоне БПС начинается прохождение многочисленных электрических разрядов.6. Размер следов, оставленных искрами, зависит не только от мощности искры, но и от природы контактирующих материалов.Установлена корреляция между мощностью искр, температурой плавления материала и размером возникающих на поверхности дефектов - чем больще мощность искры и ниже температура плавления металла, тем крупнее дефекты, и наоборот.7. Выявлена зависимость формирующихся на контактах морфологических признаков от температуры их нагрева - при относительно нгоких температурах наблюдаются волнообразные проплавления, при более высоких - искровые следах. При искровом характере БПС с увеличением температуры возрастают и геометрические размеры следов искрения - размер впадины, кратеров и микрооплавлений

8. Установленный характер следов БПС не зависит от материала контакта (исследовано для алюминия, меди, стали,

латуни).9. Площадь дефектного участка, по-видимому, совпадает с площадью контактирующих площадок.10. Следы, выявляемые методом РЭМ, сохраняются в характерных для пожара условиях (вторичный нагрев теплом пожара, в задымлённой атмосфере, при резком охлаждении водой) вплоть до достижения температуры плавления алюминия и меди. На медных образцах при нагреве свыше ЗОО^С возникают трудности дифференциации следов искровой эрозии и механических повреждений, но они могут быть преодолены дополнительном исследовании образцов методом металлографии или РСА. Последние методы позволяют выявить дополнительный признак БПС - локальный нагрев.11. Апробация разработанной аналитической схемы выявления следов БПС в экспертных исследованиях вещественных доказательств, изъятых с реальных пожаров, показало её работоспособность и эффективность в решении задачи установлении причины пожара.

1. Четко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). Под ред. юр. наук Н. А. Андреева. - СПб.: СПб ИПБ МВД России, 1997 г. - 560 с.

2. Смелков Г.И. Пожарная опасность электропроводок приаварийных режимах.- М.:Энергоатомиздат, 1984-184 с.

3. Мыльников М.Т. Общая электротехника и пожарная профилактика в электроустановках: Учебник для пожарно-технических училищ. М.: Стройиздат, 1985.- 311 с., ил.

4. Reporting of electrical fire hides true picture.Twibel J. D. // Fire Prev.-1995, №282

5. Смелков Г.И., Пехотников В.А. Пожарная безопасность светотехнических изделий.- М.: Энергоатомиздат, 1991.-160 е.: ил.

6. Теоретическое обоснование минимальных токов утечки, вызывающих зажигание элементов конструкций электроустановок в сетях с изолированной нейтралью. Технический отчёт по теме «Везувий», научный руководитель Иванов Е. А.-Ленинград, 1990г

7. Исследование медных и алюминиевых проводников зонах короткого замыкания и термического воздействия./ методические рекомендации. / JI.C. Митричев, А.И. Колмаков, Б.В.Степанов, Е.Р. Российская, Э.В. Вртанесьян, С.И. Зернов./М 1986г -40 с.

8. Модели пожароопасного проявления электрического тока. /Мисюкевич Н.С.// Материалы шестой международной конференции «Смстемы безопасности» СБ-97 /МИПБ МВД России-М., 1997,.-с. 144-146.

9. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Гоулстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., и др. М Мир, 1984г.

10. Влияние конструкции электропроводки на её пожарную опасность. Смелков Г.И., Смирнов В.В., Мисюкевич Н.С. //Материалы седьмой международной конференции «Системы безопасности» СБ-98 /МИПБ МВД России-М., 1998,

11. Исследование медных проводников с целью установления признаков очагов пожара. С.П. Воронов, Н.М. Булочников, Ю.И. Черничук, С.В.Москвич // Материалы восьмой международной конференции «Системы безопасности» СБ-99 /МИПБ МВД России-М., 1999г.

12. Анализ тепловыделения при коротких замыканиях в электропроводах. Н.С. Мисюкевич. //Материалы восьмой международной конференции «Системы безопасности» СБ-99 /МИПБ МВД России-М., 1999г.

13. Колмаков А.И. и др. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах): Учебное пособие./Под ред. А.И. Колмакова.-М.:ЭЩ МВД России. 1994г.-104 с.

14. Влияние нагрева электрическим током и внешнего нагрева на структуру алюминиевого провода./ Российская Е.Р., Степанов Б.В., Сандлер B.C. и др.// Металловедение и термическая обработка металлов.-l990.- №8. стр.61 -63

15. ГОСТ 27570.0 87. Безопасность бытовых и аналогичных приборов. Общие требования и методы испытаний.

16. ГОСТ 27924-88 (МЭК 695-2-3). Испытания на пожароопасность. Методы испытаний. Испытания на плохой контакт при помощи накальных элементов.

17. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела., М., Изд-во иностранной литературы, 1961 г.

18. Канн Э. Физическое металловедение. М., Наука, 1970.

19. Гинье А. Рентгенография кристаллов,, М., Гос. Издательство физико-математической литературы, 1961 г.

20. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М., Металлургия, 1967 г.

21. Хейкер Д.М., Зевин Л.С., Рентгеновская дифрактометрия., М., Физматгиз, 1963 г.

22. Иверова В.И., Ревкевич Г.П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., Издательство МГУ, 1978 г.

23. Шиврин О.Н., Фурье -преобразования и свертки. Методическое пособие. Петрозаводск, 1980 г.

24. Алешина Л.А., Кулмагин Э.В., Шиврин О.Н., Оптическая связь между блоками мозаики поликристалла и эффекты размытия рентгеновских интерференций., ФММ, тЛ8,1964 г.

25. Алешина JI.A., Шиврин О Н., Искаженные кристаллы. Анализ дифракционных линий., Учебное пособие, г. Петрозаводск, 2002 г.

26. Москвина Т.П. Использование растровой электронной микроскопии для дифференциации стандартных лакокрасочных покрытий транспортных средств по морфологии их нижней поверхности. М. ВНИИСЭД982 г.

27. Смирнов В.К. Гурова Р.П. Выявление признаков стирки хлопчатобумажных тканей методом растровой электронной микроскопии. -Экспертная практика и новые методы исследования. Вып. 10 М.; ВНИИСЭД 974

28. Вртанесьян Э.В., Савицкий А.Н. Чередниченко Л.А. Установление вида краски в печатных оттисках с помощью микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. ВНИИПО, М., 1983 г.

29. Мегорский Б.В. Методика установления причин пожаров. М., Стройиздат, 1966.

30. Драйздел Д. Введение в динамику пожаров/Пер. с англ. Под ред. Ю.А. Кошмарова и В.Е. Макарова -М.: Стройиздат, 1990.

31. Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Макарова В.И. и др. Основы материароведения. М.: Машиностроение. 1976.

32. И. Д. Чешко, К.Б. Лебедев. Следы процессов, происходящих в зонах больших переходных сопротивлений // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы XVI научно практической конференции, ч. 1, М., ФГУ ВНИИПО МВД России, 2001, 0,1 п.л.

33. В.Г. Плотников, И.Д. Чешко, К.Б. Лебедев. О пожарной опасности бытовых электрогазовых плит. // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы ХУП научно -практической конференции, М., ФГУ ВНИИПО МВД России 2002, ОД п.л

34. К.Б. Лебедев, И.Д. Чешко. Большие переходные сопротивления в электрических сетях и установление их причастности к возникновению пожара. «Жизнь и безопасность». СПб.0,1 п.л. В печати.

35. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах): Учебное пособие / Под ред. Колмакова А.И. М.: ЭКЦ МВД России. 1993.

36. Мальцев М.А. Металлография промышленных цветных металлов.-М.: Металлургия, 1970.

37. Серебряков В.Г., Таубкин И.С. К методике определения температуры и продолжительности нагрева изделий из металла// Экспертная практика и новые методы исследования. Экспресс -информ. М.: ВНИИСЭД979. -Вып.19.

38. Зернов С.И. Степанов Б.В., Маковкин А.В. Термическое воздействие на металлоконструкции // Пожарное дело. 1985, №9. С.2745 .Металловедение алюминия и его сплавов.: Справ. изд./Беляев А.И., БочварО.С., Буйнов Н.Н. и др. Металлургия, 1983.

39. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978.

40. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978.

41. Полухин ГТ.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982.

42. Алюминий. Свойства и физическое металловедение: Справ.изд.: Пер. с англ. / Под ред. Хэтча Дж.Е. М: Металлургия, 1989. - 422с.

43. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебное пособие. -М.: Металлургия, 1981. 416с.

44. Anderson W.A. and Mehl RJF. Recristallization of Aluminium in Terms of the Rate of Nucleation and the Rate of Growth. Transactions of AIME. Vol. 161. 1945. P. 140-167.

45. Тихомиров В.И. Скорость окалинообразования на металлах и сплавах. Ч.П / Ученые записки ЛГУ , № 227, сер. хим. наук. 1957.

46. Бережной А. С. Многокомпонентные системы окислов. Киев.: Наукова думка. 1970. 59 с.

47. Акимов Г.В. Газовая коррозия углеродистых сталей при высоких температурах. М. - Л.: ОГИЗ, 1931,- 44 с.

48. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. М.: Мир, 1969.С.278-280.

49. Справочник химика. Т. JL: Химия, 1971.

50. Harmathy T.Z. Thermal properties of concrete at elevated temperature. National Research Council, Research paper n. 426, Ottawa, Canada.

51. A.C.538290 (СССР). Способ определения места возникновения пожара/ Макагонов В.А., Зайцев М.К., Павлов Г.П. и др. // Б.И. -1976, №45.

52. ИК спектроскопия в неорганической технологии / Зинюк Р.Ю., Балыков А.Г., Гавриленко И.Б. и др. Л.: Химия, 1983.-160с.

53. Чешко И.Д., Атрощенко Н.Н. Исследование неорганических строительных материалов с целью установления очага пожара // Теория и практика новых видов судебных экспертиз. М.: ВНИИСЭ, 1989.

54. Определение температуры нагрева медных проводников на пожаре / Граненков Н.М., Дюбаров Г.А.,Трутнев В.Ф., Чиликин М.В. // Пожаровзрывобезопасность. М.: ВНИИПО, 1993, №4. -С. 18-20.

55. И.Д. Чешко Технические основы расследования пожаров. Методическое пособие М., ВНИИПО,2002

56. Поль К.Д. Естественно-научная криминалистика (Опыт применения научно-технических средств при расследовании отдельных видов преступлений) /Пер. с нем. -М.:Юр. лит., 1985. -304 с.

57. Российская Е.Р. Судебная экспертиза в уголовном, гражданском, арбитражном суде. М., 1996. - 224 с.

58. Зернов С.И. Расчётные оценки при решении задач пожарно-технической экспертизы: Учебное пособие. М.:ЭКЦ МВД России,!992.- 88с.