Разработка электронного каталога макро- и микроструктур оплавлений токоведущих электротехнических изделий, изымаемых с мест пожаров

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО КАТАЛОГА МАКРО- И МИКРОСТРУКТУР ОПЛАВЛЕНИЙ ТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, ИЗЫМАЕМЫХ С МЕСТ ПОЖАРОВ

А.Ю. Мокряк, кандидат технических наук; А. А. Тумановский, кандидат технических наук; А.Ю. Парийская.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Разработана электронная оболочка каталога макро- и микроструктур оплавлений токоведущих электротехнических изделий, изымаемых с мест пожаров. Сформирована структура электронного каталога, а также определены ключевые слова (фразы), по которым будет осуществляться поиск оплавлений и их микроструктур. Разработан пользовательский интерфейс каталога микроструктур. Осуществлено наполнение базы тестовыми примерами фотографий внешнего вида оплавлений, их микроструктур, а также дано их подробное описание.

Ключевые слова: пожар, экспертиза, оплавления, металлография, короткое замыкание, сверхток, токовая перегрузка, база данных, каталог

THE DEVELOPMENT OF AN ELECTRONIC CATALOG

OF MACRO- AND MICROSTRUCTURES OF REFLOWS OF CURRENT-

CARRYING ELECTRICAL PRODUCTS TAKEN FROM THE FIRES

A.Yu. Mokryak; A.A. Tumanovskiy; A.Yu. Pariyskaya. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The electronic shell of the catalog of macro- and microstructures of reflows of current-carrying electrical products taken from the fires has been developed. The structure of the electronic catalog has been formed, and the key words (phrases) have been identified, along which melts and their microstructures will be searched. The user interface of the microstructure catalog has been developed. The database is filled with test examples of photographs of the appearance of reflows, their microstructures, as well as their detailed description.

Keywords: fire, expertise, reflows, metallography, short circuit, over-current, overload, database, catalog

В настоящее время в России при пожарах гибнет намного больше людей, чем при стихийных бедствиях, техногенных катастрофах, действиях террористов, что уступает только потерям от дорожно-транспортных происшествий. При этом пожары приносят огромный материальный ущерб. По статистике Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) за первый квартал 2016 г. в Российской Федерации произошло более 67 тыс. пожаров, в результате которых погибло более 4 500 человек. Прямой материальный ущерб причинен в размере более 5,2 млрд руб. [1]. По статистике каждый пятый пожар на территории России происходит по причине неисправности или неправильной эксплуатации электрооборудования [2]. При этом по частоте возникновения данная причина стоит на втором месте, уступая только неосторожному обращению с огнем. Провода и кабели занимают первое место по всем видам электротехнической продукции в качестве объектов, становящихся источниками возникновения пожаров [2]. Основными

аварийными электрическими режимами, приводящими к их загоранию, являются режимы коротких замыканий (КЗ) и перегрузки, при которых по токопроводящим жилам и токоведущим частям электрооборудования начинают протекать сверхтоки [2]. Методики анализа следов протекания аварийных режимов работы электросети [3, 4] являются самыми востребованными в лабораториях экспертных подразделений МЧС и МВД России, поскольку версия о причастности к возникновению горения аварийных процессов в электропроводке отрабатывается практически на каждом пожаре.

В Исследовательском центре экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России (ИЦЭП) была разработана усовершенствованная методика экспертного исследования после пожара оплавлений медных проводников. Несмотря на широкий спектр практического фотоматериала, представленного в разработанной методике, требуется разработка наглядного пособия, в котором был бы приведен гораздо больший объем различных макро-и микроструктур оплавлений проводников тока. В настоящее время в литературных источниках, посвященных пожарно-технической экспертизе, отсутствует современный инструментарий - электронная справочная система, позволяющая эксперту анализировать микроструктуру оплавлений токоведущих электротехнических изделий и, таким образом, устанавливать или опровергать «электротехническую» версию причины пожаров. Существующий в настоящее время «бумажный» атлас микроструктур [5] не удовлетворяет современным потребностям пожарно-технического эксперта.

Для восполнения этого пробела сделан первый шаг на пути решения поставленной задачи - в ИЦЭП была разработана программная оболочка для электронного каталога макро-и микроструктур оплавлений токоведущих электротехнических изделий, изымаемых с мест пожаров (электронный каталог), который может применяться для ввода, просмотра и поиска объектов для решения задач пожарно-технической экспертизы. Осуществлено тестовое наполнение электронного каталога макро- и микроструктурами оплавлений проводников тока. Исходными данными для выполнения этой работы являлись исследования, проводимые ранее в Санкт-Петербургском филиале ВНИИПО МЧС России и ИЦЭП [6-9].

Структура и формирование электронного каталога

На первом этапе были определены все максимально возможные ключевые слова (фразы), то есть, фактически, признаки, которые могут исчерпывающе характеризовать повреждения проводников тока, выявляемые при визуальном и металлографическом исследованиях. Ключевые слова выбирались, исходя из специальной технической литературы [2-4], посвященной экспертному анализу оплавлений токоведущих изделий, а также с учетом новых данных, полученных в работах [6-8]. Список выбранных ключевых слов (фраз) приведен ниже:

Тип оплавления

- Экспериментальное

- Изъятое с места пожара

Параметры снимка

- Внешний вид

- Микроструктура

- Панорамный снимок

- Увеличение 100х

- Увеличение 200х

- Увеличение 500х

Материал проводника тока

- Медь

- Медь луженая

- Алюминий

- Сталь

- Латунь

Причина плавления проводника тока

- Токовая перегрузка

- Короткое замыкание

- Большое переходное сопротивление

- Внешнее тепловое воздействие

- Химическое растворение Температура отжига

- до 500 °С

- 800 °С

- 900 °С

- 1 000 °С Внешний вид

- Изоляция обуглена или оплавлена изнутри со стороны проводника на локальном участке, прилегающем к зоне оплавления

- Изоляция обуглена или оплавлена со стороны проводника на протяженном участке

- Правильная форма оплавления в виде косого или поперечного среза, вырыва

- Правильная форма оплавления в виде шара или капли

- Неправильная произвольная форма оплавления

- Протяженное поверхностное оплавление

- Рядом расположенные два и более оплавлений

- Локальное сплавление проводников

- Протяженное сплавление проводников

- Цвет оплавления не характерен для меди

- Наплав «постороннего» металла

- Пластичность проводника на расстоянии до 5-10 см от оплавления

- Вздутие

- Утолщение

- Шейка

- Фрагментация Микроструктура

- Вытянутая или столбчатая форма зерен

- Дендритная форма зерен

- Равноосная форма зерен

- Концентрация кислорода более 0,05 %

- Концентрация кислорода 0,05 %

- Поверхностное оплавление

- Межпроволочное оплавление

- Оплавление границ зерен в приповерхностном слое

- Граница между проводником и оплавлением прямая

- Граница между проводником и оплавлением вытянутая

- Граница между проводником и оплавлением отсутствует

- Наличие пор

- Микроструктура, не характерная для меди.

Комментируя ключевые слова, следует обратить внимание на то, что на первой позиции указан тип оплавления - экспериментальное и изъятое с места пожара. Разрабатываемый электронный каталог будет содержать фотографии внешнего вида и микроструктуры оплавлений, которые были получены в ходе проведения экспериментальных исследований. Наличие такой информации крайне необходимо, поскольку это позволит продемонстрировать весь спектр характерных микроструктур оплавлений токоведущих изделий, образовавшихся при заведомо известных условиях, режимах и воздействиях (температура, газовый состав окружающей среды, напряжение, токи КЗ, вторичный отжиг и т. д.).

Предложена наиболее информативная структура базы данных по объектам металлографии. Электронный каталог состоит из набора карточек, каждая из которых включает в себя несколько фотографий внешнего вида оплавления, его микроструктуры, а также набор ключевых слов (фраз), которые исчерпывающе характеризуют объект исследования. Пример одной из таких карточек приведен в виде скриншота на рис. 1. Карточки содержат миниатюрные изображения фотографий, которые открываются в полном размере при нажатии на них. На рис. 2 показаны фотографии оплавления и его микроструктуры в полном размере.

В целях исключения недобросовестного использования данных, которые будут приведены в электронном каталоге, каждый снимок должен быть защищен от копирования путем нанесения на него прозрачной надписи или рисунка («водяного знака»), при этом, не снижая его информативности (рис. 2).

Для работы с электронным каталогом на основе системы управления содержимым Бгира1 6.0 была создана оболочка, позволяющая просматривать карточки объектов металлографических исследований и формировать базу данных [10-11].

Формирование электронной базы данных, то есть ее пополнение, будет осуществляться следующим образом. На первом этапе электронный каталог будет наполнен информацией, имеющейся в распоряжении ИЦЭП - ее объем составляет порядка 1 500 фотоснимков. На следующем этапе каталог должен пополняться данными, предоставленными сотрудниками Судебно-экспертного учреждения федеральной противопожарной службы (СЭУ ФПС) МЧС России. Для сбора данных в электронной базе для каждого СЭУ ФПС МЧС России зарегистрирован личный аккаунт. Через этот аккаунт сотрудники СЭУ могут вносить в установленной форме необходимую информацию в базу данных. Информация, внесенная в базу данных, обрабатывается оператором (сотрудником ИЦЭП) и сохраняется для дальнейшего использования. В настоящее время электронный каталог содержит тестовые примеры и доступен для просмотра ограниченному кругу пользователей. При вводе в эксплуатацию полной рабочей версии электронного каталога этот ресурс будет доступен всем зарегистрированным пользователям интернет-сайта fire-expert.spb.ru и имеющим соответствующие права доступа.

Использование каталога и перспективы его развития

Алгоритм поиска необходимой информации заключается в следующем. Пользователь, обладающий базовыми знаниями в рамках специализации СПТЭ-2 «Металлографические и морфологические исследования металлических объектов СПТЭ», характеризует оплавленное токоведущее изделие, изъятое с места пожара, в соответствии с установленным набором ключевых слов. При их выборе следует руководствоваться данными, приведенными в литературе [3-8]. В окне поискового запроса (рис. 3) имеется возможность выбора ключевых слов по следующим параметрам: «Тип оплавления», «Причина плавления проводника тока», «Внешний вид оплавления», «Микроструктура оплавления». Последние два параметра обладают возможностью множественного выбора.

Пользователь может изменить критерии поиска по своему выбору, ужесточив или смягчив их, соответственно, уменьшая и увеличивая количество карточек, выдаваемых по поисковому запросу.

Основной целью поиска по базе данных является выбор оплавлений, максимально схожих по внешнему виду и микроструктуре с оплавлением, изъятым с места пожара. Результаты поискового запроса, во-первых, помогут эксперту определить причину плавления проводника тока, а, во-вторых, грамотно и квалифицированно описать внешний вид и микроструктуру зоны повреждения токоведущего изделия.

Полученные с помощью электронного каталога результаты используются при отработке «электротехнической» версии причины пожара в соответствии со специальной технической литературой [2-8].

Рис. 1. Скриншот карточки электронного каталога, содержащей информацию об оплавлении

Рис. 2. Скриншоты фотоснимков в полном размере, открывающихся в отдельном окне. Показан общий вид оплавления токоведущего проводника и его микроструктура при

различных увеличениях

Главная

Тип оплавления

Причина плавления проводника тока

Внешний вид оплавления

Изоляция обуглена или оплавлена изнутри со стороны проводника на локальном участке: прилегающем к зоне оплавления ^ Изоляция обуглена или оплавлена со стороны проводника на протяженном участке Правильная форма оплавления в виде косого или поперечного среза, вы рыв а Правильная форма оплавления в виде шара или капли Неправильная произвольная форма оплавления Протяженное поверхностное оплавление Рядом расположенные два и более оплавлений Локальное сплавление проводников

I

Микроструктура оплавлений

Вытянутая или столбчатая форма зерен

Дендритная форма зерен

Равноосная форма зерен

Концентрация кислорода более 0,05 %

Концентрация кислорода 0,05 %

Поверхностное оплавление

Межпроволочное оплавление

Оплавление границ зерен в приповерхностном слое

Apply

Порядковый номер Заготовок

1 ВТ Б

2 ВТВ 1

3 ВТВ2

4 КЗ 10

5 КЗ 9

В КЗ Эксперимент В

7 Сверсток 15

8 Сверсток 16

9 Сверсток 2

10 Сверсток Эксперимент 1

II 2 следующая > последняя»

Рис. 3. Скриншот окна поисковых запросов

В дальнейшем созданная электронная база данных оплавлений токоведущих изделий будет дополняться объектами исследования. Планируется, что при пополнении этой базы данных в нее будут включены не только образцы медных проводников, но и токоведущие электротехнические изделия из других материалов - алюминия, стали, латуни. Кроме того, развитием электронного каталога может быть его качественное расширение, которое заключается в наполнении информацией об объекте пожара, динамики развития горения, показаний очевидцев, описании термических повреждений и других данных по пожару. Предполагается, что этот инструмент при его умелом использовании минимизирует ошибочные выводы о причине пожара, значительно повысив их достоверность.

В результате разработана электронная оболочка каталога макро- и микроструктур оплавлений токоведущих электротехнических изделий, изымаемых с мест пожаров, и эталонных образцов, полученных в лабораторных условиях. Определена его структура, а также разработан пользовательский интерфейс базы данных. В настоящее время электронный каталог содержит тестовые примеры и доступен для просмотра ограниченному кругу пользователей.

Создание полной версии электронного каталога позволит применять его ввод, просмотр и поиск оплавлений токоведущих электротехнических изделий и их микроструктур. Полученная информация может использоваться при анализе «электротехнической» версии возникновения горения при проведении судебных пожарно-технических экспертиз. Кроме того, электронный каталог может быть использован при обучении курсантов и слушателей учебных заведений МЧС России.

Литература

1. МЧС России. URL: http://www.mchs.gov.ru/activities/stats/Pozhari/2016_god (дата обращения: 27.02.2017).

2. Смелков Г. И. Пожарная безопасность электропроводок. М.: ООО «КАБЕЛЬ», 2009.

328 с.

3. Диагностика причин разрушения металлических проводников, изъятых с мест пожаров: метод. рекомендации / А.И. Колмаков [и др.]. М.: ЭКЦ МВД РФ, 1992. 32 с.

4. Исследование медных и алюминиевых проводников в зонах короткого замыкания и термического воздействия: метод. рекомендации / Л.С. Митричев [и др.]. М.: ВНИИ МВД СССР, 1986. 44 с.

5. Металлографический и морфологический атлас микроструктур объектов, изымаемых с мест пожаров / А.Ю. Мокряк [и др.]. М.: ВНИИПО, 2008. 186 с.

6. Мокряк А.Ю., Чешко И.Д. Металлографический анализ медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки, при экспертизе пожаров // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2014. № 4. С. 51-58.

7. Мокряк А.Ю., Чешко И.Д., Пеньков В.В. Морфологический анализ медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки, при экспертизе пожаров // Проблемы управления рисками в техносфере. 2014. № 4 (32). С. 41-49.

8. Чешко И.Д., Мокряк А.Ю., Скодтаев С.В. Механизм формирования следов протекания сверхтоков по медному проводнику // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2015. № 1. С. 41-46.

9. Автоматизированный комплекс для пожарно-технических экспертов «Экспотех». Программное средство. СПб.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2010.

10. The Drupal.org Community Documentation is maintained by the Drupal community. URL: https://www.drupal.org/documentation. (дата обращения: 27.02.2017).

11. Электронная база данных пожаров автомобилей / И.Д. Чешко [и др.] // Расследование пожаров: сб. статей. 2016. № 5. С. 99-102.

References

1. MCHS Rossii. URL: http://www.mchs.gov.ru/activities/stats/Pozhari/2016_god (data obrashcheniya: 27.02.2017).

2. Smelkov G.I. Pozharnaya bezopasnost' ehlektroprovodok. M.: OOO «KABEL'», 2009.

328 s.

3. Diagnostika prichin razrusheniya metallicheskih provodnikov, iz"yatyh s mest pozharov: metod. rekomendacii / A.I. Kolmakov [i dr.]. M.: EHKC MVD RF, 1992. 32 s.

4. Issledovanie mednyh i alyuminievyh provodnikov v zonah korotkogo zamykaniya i termicheskogo vozdejstviya: metod. rekomendacii / L.S. Mitrichev [i dr.]. M.: VNII MVD SSSR, 1986. 44 s.

5. Metallograficheskij i morfologicheskij atlas mikrostruktur ob"ektov, izymaemyh s mest pozharov / A.Yu. Mokryak [i dr.]. M.: VNIIPO, 2008. 186 s.

6. Mokryak A.Yu., CHeshko I.D. Metallograficheskij analiz mednyh provodnikov, podvergshihsya vozdejstviyu tokovoj peregruzki, pri ehkspertize pozharov // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2014. № 4. S. 51-58.

7. Mokryak A.Yu., Cheshko I.D., Pen'kov V.V. Morfologicheskij analiz mednyh provodnikov, podvergshihsya vozdejstviyu tokovoj peregruzki, pri ehkspertize pozharov // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2014. № 4 (32). S. 41-49.

8. Cheshko I.D., Mokryak A.Yu., Skodtaev S.V. Mekhanizm formirovaniya sledov protekaniya sverhtokov po mednomu provodniku // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2015. № 1. S. 41-46.

9. Avtomatizirovannyj kompleks dlya pozharno-tekhnicheskih ehkspertov «Ehkspotekh». Programmnoe sredstvo. SPb.: FGU VNIIPO MCHS Rossii, 2010.

10. The Drupal.org Community Documentation is maintained by the Drupal community. URL: https://www.drupal.org/documentation. (data obrashcheniya: 27.02.2017).

11. Ehlektronnaya baza dannyh pozharov avtomobilej / I.D. Cheshko [i dr.] // Rassledovanie pozharov: sb. statej. 2016. № 5. S. 99-102.