Во всем мире на сегодняшний день является актуальным вопрос сбережения энергоносителей. Ведущие страны мира, в том числе и Россия, включились в процесс перехода на энергосберегающие источники света. Применение люминесцентных и светодиодных энергосберегающих ламп в современных системах освещения дает определенный эффект в экономии электроэнергии, что подтверждается проведенными в общих чертах исследованиями. А вот вопросы экологической и пожарной безопасности требуют еще обсуждения...

 

Замена отечественных ламп накаливания на импортные энергосберегающие люминесцентные и светодиодные лампы порождает ряд технических и социально-экономических проблем в сфере безопасности, и в частности пожарной безопасности. Для обеспечения пожарной безопасности в нашей стране на федеральном и регионально-отраслевых уровнях действует целый ряд нормативных документов, в которых задаются требования к пожарным рискам и способам управления ими. В основе всех документов лежит ГОСТ 12.1.004-91 "Пожарная безопасность. Общие требования", который был введен в действие в 1992 г. Согласно данному документу, "объекты должны иметь системы пожарной безопасности, направленные на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара, в том числе их вторичных проявлений на требуемом уровне. Требуемый уровень обеспечения пожарной безопасности людей с помощью указанных систем должен быть не менее 0,999999 предотвращения воздействия опасных факторов в год в расчете на каждого человека, а допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10–6 воздействий опасных факторов пожара, превышающих предельно допустимые значения, в год в расчете на каждого человека".

Исходя из этих требований, было определено значение допустимой величины вероятности пожара при применении электротехнических изделий на объектах. Однако это было до 1992 г. , и тогда исходили из того, что на объектах (например, в жилом секторе) находится единичное количество электротехнических изделий, а освещение осуществляется простыми (несложными) лампами накаливания. В настоящее время общее количество электроламп по стране приближается к 1 млрд штук (по оценкам экспертов, в жилом секторе лампы накаливания составляют 97%, люминесцентные -2,8%, а компактные люминесцентные -0,03%).

Влияние энергосберегающих ламп на пожароопасность

При переходе на энергосберегающие технологии сложность осветительной системы объекта возрастает в десятки раз для частного дома, а для высотного дома -в сотни раз. Это обусловлено тем, что энергосберегающая лампочка в десятки раз сложнее лампы накаливания, так как для ее нормального функционирования необходимы электронные полупроводниковые блоки (электронный балласт или пускорегулирующий аппарат). Отсюда вопрос: как повлияют конструктивные особенности импортных энергосберегающих ламп и их массовое применение на статистику пожаров в России?

При переходе на энергосберегающие технологии сложность осветительной системы объекта возрастает в десятки раз для частного дома, а для высотного дома - в сотни раз Учитывая реалии массового перехода на сложные энергосберегающие лампы, возможно, требуется пересмотреть требования к вероятности возникновения пожара в одном электротехническом изделии в сторону ужесточения. Однако обеспечить такой высокий уровень требований, идя только по пути традиционных способов и методов обеспечения пожарной безопасности, - очень сложная и в ряде случаев невыполнимая задача.

На объектах для обеспечения надежного освещения все источники света в электрической схеме системы освещения включены параллельно, но с точки зрения пожарной опасности они и их провода в электросеть включены последовательно. Возгорание любого элемента может привести к пожару на объекте в целом.

Вероятность возникновения пожара в электрическом изделии или от электротехнического изделия согласно ГОСТ 12.1.004-91 "является интегральным показателем, учитывающим как надежность (интенсивность отказов) самого изделия и его защитной аппаратуры (тепловой и электрической), так и вероятность загорания (достижения критической температуры) частей изделия, поддерживающих конструкционных материалов или веществ и материалов, находящихся в зоне его радиационного излучения либо в зоне поражения электродугой или разлетающихся раскаленных (горящих) частей (частиц) изделия". В нем же определен порядок составляющих вероятностей для каждого i-го аварийного режима. Аварийный пожароопасный режим изделия характеризуется величиной пожароопасного диапазона электротехнического параметра, при котором возможно появление признаков загорания. Например, характерный пожароопасный режим – короткое замыкание (КЗ); характерный электрический параметр этого режима – ток КЗ.

 

 Технология изготовления ламп накаливания отработана и нормируется отечественными стандартами. Лампа накаливания является дешевым и неремонтопригодным изделием. Из анализа конструкции лампы видно, что она состоит из нити накала и патрона. При перегрузках нить накала лампочки перегорает как предохранитель. При включении лампы накаливания в электрической сети создается дополнительная импульсная токовая нагрузка. При параллельном включении ламп накаливания суммарные импульсные токи могут достигать значительной величины, что может приводить к импульсному разогреву проводов сети и переходных клемм выключателей. Это требует применения в сети дополнительных электромеханических или полупроводниковых автоматов защиты. Люминесцентная энергосберегающая лампа имеет более сложную конструкцию. В ее патроне спрятано целое электронное устройство с повышенным напряжением от 300 до 1000 В. На рис. 1 приведена типичная конструкция люминесцентной энергосберегающей лампы и указано функциональное назначение примененных комплектующих изделий.

Наиболее типичными отказами энергосберегающих ламп являются:

-перегорание нити накала и взрыв баллона;

-тепловые и электрические виды пробоев диодов, транзисторов и конденсаторов и т.п.;

-обрывы проводников и т.п.

Неприменение или удаление плавкого предохранителя делает лампу пожароопасной. В случае перегрузок в сети, а также коротких замыканий отсутствие предохранителя, обеспечивающего экстренное отключение лампы от питающей сети, может привести к воспламенению.

Интенсивность отказов полупроводниковых структур резко возрастает при перегреве энергосберегающих ламп и низком качестве электроэнергии в первичной сети. Это неуправляемые факторы риска, так как всецело зависят от технической грамотности потребителя. В энергосберегающих лампах (рис. 2) конкретных производителей в электрической схеме может быть больше или меньше элементов, но во всех отсутствует их резервирование.

 

 Структура надежности этой схемы представляет собой цепочку последовательно соединенных элементов и надежность ее зависит от величины интенсивности отказов элементов схемы и элементов защиты. Типичные отказы – короткое замыкание (КЗ) или "обрыв". Отказ "обрыв" для элементов защиты (кроме предохранителя) является пожароопасным отказом для изделия в целом.

Истинную статистику отказов энергосберегающих ламп знают люди, которые занимаются их ремонтом и восстановлением. Для службы МЧС эпоха "электрических жучков" возвращается, но только на уровне узлов энергосберегающих ламп.(!!!) Анализ имеющихся данных об отказах этих ламп показывает, что отказывают все типы энергосберегающих ламп любых производителей. Полноценных отечественных производителей энергосберегающих ламп просто не существует в природе. Поэтому доминирующее положение на российском рынке занимают зарубежные производители, в первую очередь представители Китайской Народной Республики. Немудрено, что 100% энергосберегающих ламп бытового назначения (примерно 40 млн штук в год) на сегодняшний день импортируется в Россию из разных стран, большая часть – это лампы низкого качества неизвестных производителей. Причем русскоязычное название продукта совсем не является показателем отечественного производства. Положение с надежностью энергосберегающих ламп усугубляется потерей контроля над системой обеспечения их качества у производителей, а также человеческим фактором и социально-экономическими причинами.

Низкая надежность энергосберегающих ламп при их ремонтопригодности, высокая цена при переходе на эти лампы создают условия для теневого оборота на рынке отремонтированных и контрафактных энергосберегающих ламп. Такие лампы легко найдут своего бережливого покупателя в небогатых и деревянных домах частного сектора обширных просторов России. Эти лампы имеют высокую степень пожарной опасности, которая резко возрастает при низком качестве электроэнергии в сети и низкой культуре ее эксплуатации. Это тоже неуправляемые пожарные риски.

Опасности массового перехода на энергосберегающие лампы

Электронное пускорегулирующее устройство, интегрированное в цоколь каждой энергосберегающей лампы, является источником нелинейных гармонических искажений. Некоторые балласты, особенно несложные (дешевые) электронные, могут вызвать нежелательные эффекты в электрической цепи, которые при массовом применении на объекте могут суммироваться на нулевом проводе. При переходе на энергосберегающие лампы может обостриться новая серьезная проблема. Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях с массовым применением импульсных источников питания уже заражены высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками. Проблема не уникальна. Все страны на определенном этапе концентрации внешних источников питания (ВИПов) компьютерной техники сталкиваются с ней и вынуждены кардинально менять технические регламенты эксплуатации, нормы проектирования, разрабатывать соответствующую базу стандартов. В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10–15%, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу. При массовом переходе на энергосберегающие лампы не останется линейных активных нагрузок. Токи 3-й и 5-й гармоник газоразрядных ламп составляют 10 и 3% от тока 1-й гармоники. Эти токи, совпадающие по фазе в соответствующих проводах сети, складываясь в нулевом проводе сети 380/220 В, обуславливают ток в нем, почти равный току в фазном проводе, что может привести к перегреву и разрушению нулевых рабочих проводников вследствие перегрузки токами 3-й и 5-й гармоник.

Положение с надежностью энергосберегающих ламп усугубляется потерей контроля над системой обеспечения их качества у производителей, а также человеческим фактором и социально-экономическими причинами "Старые" системы электроснабжения (системы освещения) проектировались только под линейную нагрузку (лампы накаливания), то есть потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом рабочем проводнике не мог превосходить ток в наиболее нагруженной фазе, то есть защита на фазных проводниках одновременно защищала от перегрева и нулевой рабочий проводник. Кроме того, в процессе эксплуатации неравномерность распределения токов по фазам должна быть не более 10% . Поэтому при определении длительно допустимых токов по условиям нагрева проводов и кабелей нулевой рабочий проводник чеырехпроводной системы трехфазного тока, заземляющие и нулевые защитные проводники в расчет не принимаются, поскольку ток в этих проводниках при наличии линейных электропотребителей существенно меньше токов в фазных проводниках. В случае нелинейных электропотребителей токи в нулевых рабочих проводниках превышают фазные (предельно – в 1,73 раза, когда ширина импульса тока равна 60 электрическим градусам).

Массовое применение ВИПов в осветительных светодиодных системах обостряет проблему влияния их работы на техническое состояние первичной сети, на ее пожаробезопасность и на вероятность возгорания в целом. При совместной параллельной работе ВИПов светодиодных светильников возможна ситуация, когда суммирующиеся значения тока на той или иной гармонике превысят допустимое значение,    которое    указано    в    ГОСТ Р 51317.3.2–99 "Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе)". В нем указаны пределы для каждой из гармоник вплоть до 2 кГц, превышение которых является недопустимым.

Основными формами воздействия высших гармоник на электросеть являются:

увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов;

снижение эффективности процессов передачи и использования электроэнергии;

снижение cosΦ;

завышение требуемой мощности электрических установок;

старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;

ложное срабатывание автоматических выключателей и УЗО.

С    точки    зрения обеспечения пожарной безопасности важно решение проблемы (cosΦ) и старения изоляции проводов. В большинстве стран Европы действуют законы, предписывающие обязательное использование корректоров коэффициента мощности (cosΦ) на входе импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) с выходной мощностью свыше 300 Вт (в США и Канаде – свыше 75 Вт). Новый европейский стандарт ЕN 61000-3-2 требует, чтобы любое оборудование, имеющее входную мощность от 55 до 75 Вт и выше, соответствовало требованиям низкого уровня гармонических составляющих входного тока от второй до сороковой. Введение подобных законов объясняется не столько стремлением улучшить гармонический состав потребляемого напряжения промышленной сети, сколько требованиями пожаро-безопасности. Существенная нелинейность тока потребления импульсных ИВЭП приводит к увеличению тока в нейтральном проводе до уровня, превышающего действующее значение токов в линейных проводах. Учитывая, что, как правило, нулевой провод имеет меньшее сечение, чем линейные, а также то, что эту нагрузку по току никто "не заметит", так как на нейтральном проводе не устанавливают измерительных приборов и его по правилам техники безопасности запрещено защищать плавкими или автоматическими предохранителями, становится очевидной возможность возникновения пожара. Указанные пожарные риски относятся к управляемым, если о них знает разработчик системы освещения объекта. Риски возникновения и развития "электропожаров", безусловно, поддаются управлению. Целый комплекс методов и устройств, включая специальные системы защиты от коротких замыканий (пожары от которых составляют значительную часть всех "электропожаров"), смогут существенно снизить значения пожарных рисков для всей этой группы пожаров, но не исключить полностью.

Технические решения, снижающие пожарные риски

В общем плане способы влияния на пожарные риски оговорены в нормативных документах. Например, ГОСТ 12.2004-91 содержит общие рекомендации по обеспечению пожарной безопасности и в частности в п. 2.1: "Предотвращение пожара должно достигаться предотвращением образования горючей среды и (или) предотвращением образования в горючей среде (или внесения в нее) источников зажигания", а в НПБ 247-97 "Электронные изделия. Требования пожарной безопасности" в п.2.6: "Для ограничения распространения горения по конструкции и за пределы электронного изделия должны применяться противопожарные кожухи.

Допускается применять другие конструктивные решения, исключающие распространение горения".

  

Содержание этих пунктов говорит о том, что для высокого уровня пожарной безопасности необходимо создать условия, при которых вероятность достижения горючим материалом критической температуры или его воспламенение была бы равна нулю. Раньше реализовать это требование в малом, либо микрообъеме было невозможно. Сейчас это можно реализовать, если применить техническое решение, в основе которого лежит концепция самосрабатывающего "микроогнетушителя".

Проведенный выше анализ конструкций энергосберегающих ламп показал следующее:

у всех энергосберегающих лап и светильников пожароопасные электронные блоки имеют свой корпус;

корпуса электронных блоков имеют достаточно просторный подкорпусной объем.

Эта конструктивная особенность позволяет в подкорпусной объем электронных блоков энергосберегающих ламп устанавливать локальный "микроогнетушитель". При достижении в подкорпусном объеме температуры возгорания происходит его срабатывание. Самосрабатывающий "микроогнетушитель" – это микрокапсула с полимерной оболочкой микронных размеров, в которой находится высокоэффективный тушащий агент. На фото представлено изображение этих микрокапсул.

Для высокого уровня пожарной безопасности необходимо создать условия, при которых вероятность достижения горючим материалом критической температуры или его воспламенение была бы равна нулю При воздействии огня или температуры свыше 120 °С оболочки капсул разрушаются, активное вещество высвобождается и тушит огонь. Каждая микрокапсула является микросистемой хранения и определения момента подачи высокоэффективного тушащего агента. Микрокапсулы реагируют на огонь и тушат его – таким образом, миллионы капсул работают как интеллектуальная система пожаротушения. На основе микрокапсул можно создавать уникальные покрытия и материалы, обладающие свойствами активного огнетушения.

На сегодняшний день на основе вышеописанной технологии разработано средство активного тушения огня. Это принципиально новое средство разработано специально для защиты от возгораний на малогабаритных пожароопасных объектах, таких как объемы электронных блоков (изделий) и распределительные щиты, в которых могут устанавливаться вторичные блоки питания светодиодных светильников.

Оно работает полностью автономно, сочетая в себе функции датчика, системы хранения, подачи вещества и прочих элементов систем автоматического пожаротушения и обеспечивает эффективную защиту от возгораний в объектах объемом до 15 л. Срок годности – 5 лет с момента выпуска. Это около 45 тыс. часов хранения в составе энергосберегающего светильника. Такой срок годности удовлетворяет современным требованиям наработки энергосберегающих ламп и светильников и гарантированно будет обеспечивать высокие требования к их пожарной безопасности.