Исследование автомобильных предохранителей после пожара

ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ПОСЛЕ ПОЖАРА

С.В. Скодтаев; А.Ю. Парийская;

Ю.Н. Елисеев, кандидат технических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Проведены экспериментальные исследования, связанные с моделированием токовой перегрузки и короткого замыкания в электросети постоянного тока напряжением 12 В. Установлены характерные признаки протекания в автомобильной электросети режимов токовой перегрузки и короткого замыкания путем исследования перегоревших автомобильных предохранителей методом рентгеновской интроскопии, морфологического анализа и сканирующей электронной микроскопии.

Ключевые слова: судебная пожарно-техническая экспертиза, экспертиза пожаров автомобилей, токовая перегрузка, короткое замыкание, электропроводка, автомобильный предохранитель, рентгеновская интроскопия, морфологический анализ, сканирующая электронная микроскопия

INVESTIGATION OF AUTOMOTIVE FUSES AFTER FIRE S.V. Skodtaev; A.Yu. Parijskaya; Yu.N. Eliseev.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

Experimental researches were made related with modeling of amperage overload and short circuit in high voltage circuit of constant amperage in 12v DC. Main characteristics in a car wiring voltage overload and short circuit are established by testing burnt fuses(preventers) using by X-ray introscopy, morphological analysis, and scanning electron microscopy.

Keywords: forensic fire investigation, car fires investigation, current overload, short circuit, wiring, car fuse, X-ray introscopy, morphological analysis, scanning electron microscopy

С развитием и совершенствованием автомобильной техники задача установления очага и причины пожара все более усложняется. Существует множество различных марок и моделей автомобилей, имеющих определенные особенности устройства технических систем, компоновки и других факторов, влияющих на возникновение и распространение пожаров, и затрудняющих процесс их экспертного исследования.

Одной из наиболее распространенных причин возникновения пожара является аварийный режим работы в электросети автомобиля [1]. Аварийные режимы работы в электросети автомобиля связанны, как правило, с техническими неисправностями (заводской брак, некачественное сервисное обслуживание и т.п.), эксплуатационными особенностями (естественное старение изоляции, окисление соединительных

контактов и т.п.) и дорожно-транспортными происшествиями (обрыв проводки, повреждение электрооборудования и т.п.).

Основными аварийными режимами, приводящими к возникновению возгорания проводов, являются электродуговые режимы, а также режимы сверхтоков, которые могут иметь место при коротких замыканиях (КЗ) или перегрузках [2, 3]. Для предотвращения возникновения данных аварийных режимов работы в электросети автомобиля предусматриваются предохранители.

При рассмотрении версии возникновения пожара на транспорте по электротехническим причинам важную криминалистическую информацию можно получить при исследовании сохранившихся после пожара предохранителей.

Автомобильный предохранитель - устройство, предназначенное для размыкания защищаемой методом разрушения специально предусмотренной для этого токопроводящей части [4]. Разрушение происходит при превышении номинального тока, на который рассчитан предохранитель. Номинальная сила тока плавкой вставки предохранителя подбирается в соответствии с допустимой нагрузкой на защищаемую цепь, а также с учетом расчетного потребления тока электроприборами, включенными в цепь.

Несмотря на то, что функция автомобильных предохранителей довольно проста, они делятся на несколько видов [4]:

- предохранители в виде пластмассового цилиндра (одноразовые, имеют пластмассовую оболочку, при скачке напряжения разрывает электрическую цепь);

- предохранители ножевого (штекерного) типа (одноразовые, в пластиковый держатель помещены два плоских контакта, при скачке напряжения разрывает электрическую цепь, по цвету штекера легко определить номинальное значение тока).

На сегодняшний день в 90 % автомобилей используются цинковые предохранители штекерного типа.

Основной задачей проведенных экспериментальных опытов было выявление характерных признаков токовой перегрузки и КЗ на штекерных автомобильных предохранителях.

Моделирование токовой перегрузки

Для проведения экспериментов по моделированию перегрузки была изготовлена экспериментальная установка, показанная на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - реостат; 2 - держатель для плавкого штекерного предохранителя; 3 - плавкий штекерный предохранитель; 4 - коммутатор; 5 - источник питания постоянного тока напряжением 12 В (автомобильная аккумуляторная батарея); 6 - амперметр

В качестве образцов для исследования были выбраны автомобильные штекерные предохранители номиналом от 5 до 30 А. Перед началом экспериментов при помощи реостата и мультиметра выставлялось требуемое значение электрического тока с определенной кратностью перегрузки. В держатель для плавкого штекерного предохранителя устанавливался автомобильный предохранитель и при помощи коммутатора пускался электрический ток по цепи. Время с момента начала каждого из экспериментов до перегорания плавкой вставки автомобильного штекерного предохранителя определялось с помощью секундомера. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты моделирования токовой перегрузки

п/п Ток в цепи, А Номинальный ток предохранителя, А Результаты эксперимента

1 6 5 Плавкая вставка перегорела через 30 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,3 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

2 6,2 5 Плавкая вставка перегорела через 26 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,7 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

3 7,5 5 Плавкая вставка перегорела через 1,5 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,4 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

4 9 7,5 Плавкая вставка перегорела через 26,9 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,3 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

5 10 7,5 Плавкая вставка перегорела через 1,9 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,5 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

6 25,6 7,5 Плавкая вставка перегорела через 0,7 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,6 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

7 42,1 10 Плавкая вставка перегорела через 0,4 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,8 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

8 52 20 Плавкая вставка перегорела через 0,4 сек. после начала опыта. Участок плавкой вставки длиной 0,6 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса имеются следы термического воздействия в виде закопчения в форме овала

Из табл. 1 следует, что чем больше кратность перегрузки, тем быстрее перегорает плавкая вставка предохранителя.

Моделирование КЗ

Для моделирования КЗ в электросети автомобиля разработан экспериментальный электротехнический стенд (ЭЭС).

Данная установка позволяет моделировать аварийные электрические режимы работы электросети транспортных средств напряжением 12 В, воспроизводить условия пожара -задымленную атмосферу, внешнее тепловое воздействие на образец до 800 °С, контролировать газовый состав атмосферы газоанализатором. Принципиальная схема стенда представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема автомобильного электротехнического стенда:

ПВВ - приточно-вытяжная вентиляция; Э - электроды с зажимными контактами;

МРО - малый рабочий объём; БРО - большой рабочий объём; ПУ - панель управления;

КИП - контрольно-измерительные приборы; СОГ - система охлаждения газов; образец - медный проводник, а также иные детали электрооборудования

Для экспериментов были взяты автомобильные штекерные предохранители номиналом 15, 20, 25 и 30 А.

Автомобильный штекерный предохранитель устанавливался в держатель для автомобильного штекерного предохранителя. Пластина автомобильного корпуса с помощью провода соединялась с отрицательным контактом установки, затем проводник, закрепленный на плюсовом контакте установки, перемыкали на пластину и пускали постоянный ток - 12 В (рис. 3). В результате чего цепь замыкалась и возникала дуга КЗ, соответственно из-за большого скачка тока происходил разрыв плавкой вставки предохранителя. Результаты моделирования отражены в табл. 2.

Корпус

0-1

Проводник

- 12 В Проводник

Рис. 3. Схема проведения эксперимента

Таблица 2. Результаты моделирования КЗ

Номинальный ток, А Результаты эксперимента

15 Участок плавкой вставки длиной 3,5 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса следы термического воздействия отсутствуют

20 Участок плавкой вставки длиной 2 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса следы термического воздействия отсутствуют

25 Участок плавкой вставки длиной 1,8 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса следы термического воздействия отсутствуют

30 Участок плавкой вставки длиной 1,5 мм отсутствует, на внутренней поверхности корпуса следы термического воздействия отсутствуют

Таким образом, при КЗ происходит практически мгновенное срабатывание предохранителя, и, в отличие от перегрузки, на внутренней поверхности корпуса отсутствуют следы термического воздействия.

Дальнейшее исследование разрушенных автомобильных предохранителей производилось с помощью рентгеновской интроскопии, морфологического анализа и сканирующей электронной микроскопии.

Исследование методом рентгеновской интроскопии

Исследование объектов проводилось без их разрушения при помощи рентгеновского просвечивающего комплекса КРП - 01 «Сатурн» и программного обеспечения «Saturn».

В ходе проведения исследования каждый из перегоревших предохранителей был поочередно помещен в рабочую камеру комплекса КРП - 01 «Сатурн» на предварительно установленный предметный столик. После этого при помощи программного обеспечения «Saturn» в камере было включено рентгеновское излучение с одновременным отображением и записью результатов исследования на персональный компьютер.

Съемка при необходимости проводилась в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

При исследовании предохранителей, полученных в результате моделирования токовой перегрузки, установлено, что целостность плавкой вставки у всех предохранителей нарушена. Металлических частиц на внутренней поверхности корпусов предохранителей не обнаружено (рис. 4).

11 Н и м и

Рис. 4. Рентгеновский снимок фрагментов предохранителей, полученных в результате моделирования токовой перегрузки

При исследовании фрагментов предохранителей, полученных в результате моделирования КЗ, было установлено, что целостность плавкой вставки у всех фрагментов предохранителей нарушена. На внутренней поверхности корпуса большинства предохранителей были обнаружены следы шарообразных металлических частиц (рис. 5).

I I у ¡1 II

Рис. 5. Рентгеновский снимок фрагментов предохранителей, полученных в результате моделирования КЗ

Таким образом, при проведении исследования автомобильных штекерных предохранителей методом рентгеновской интроскопии было установлено, что данный метод не позволяет дифференцировать кратность токовой перегрузки. Однако при обнаружении данным методом на внутренней поверхности автомобильного штекерного предохранителя шарообразных металлических частиц можно предполагать о протекании в сети автомобиля сверхтоков КЗ.

Морфологический анализ разрушенных предохранителей

Наиболее распространенными методами морфологического анализа являются методы оптической микроскопии - совокупность методов наблюдения и исследования с помощью оптического микроскопа.

Исследование объектов проводилось без их разрушения, при помощи оптического микроскопа МЕТАМ РВ-21-1, с использованием оптической головки ОГМЭ-ПЗ и программного обеспечения ImageExpertPro 3.4.

В ходе проведения исследования каждый из объектов был поочередно помещен на предметный столик оптического микроскопа МЕТАМ РВ-21-1. После этого при помощи программного обеспечения ImageExpertPro 3.4 на персональном компьютере были установлены параметры исследования, выставлено оптимальное освещение при помощи трех прикрепленных к микроскопу ламп накаливания с одновременным отображением и записью результатов исследования на персональный компьютер.

Съемка при необходимости проводилась в двух взаимно противоположных направлениях при различном увеличении.

При исследовании металлических частей предохранителей, полученных в результате моделирования токовой перегрузки от 1,2 до 1,4 крат, было установлено, что в большинстве случаев на объектах исследования имеются шарообразные оплавления на концах плавкой вставки в месте ее разрушения.

Оплавления данных объектов исследования имеют форму шара и, по сравнению с образцами, полученными в результате моделирования токовой перегрузки от 2,5 до 4 крат, больший размер. Также в большинстве объектов исследования, полученных в результате моделирования токовой перегрузки от 1,2 до 1,4 крат, наблюдается закручивание участка плавкой вставки на одном из контактов с образованием неполного круга (рис. 6). Участок перегорания плавкой вставки составляет менее 1 мм.

При исследовании металлических частей предохранителей, полученных в результате моделирования токовой перегрузки от 2,5 до 4 крат, было установлено, что целостность плавкой вставки нарушена у всех объектов. Поверхность металла на концах плавкой вставки в месте ее разрушения в большинстве случаев, с одной стороны, (в месте примыкания к одному из контактов) шероховатая, а с другой стороны (в месте примыкания ко второму контакту) - гладкая (рис. 7). Участок перегорания плавкой вставки составляет менее 1 мм.

Рис. 6. Фрагмент плавкой вставки предохранителя на 5 А, подвергнутого воздействию токовой перегрузки 1,2 крат

Рис. 7. Фрагмент плавкой вставки предохранителя на 7,5 А, подвергнутого воздействию токовой перегрузки 3 крат

При исследовании металлических частей предохранителей, полученных в результате моделирования КЗ, было установлено, что участок перегорания плавкой вставки составляет от 1,5 до 3,5 мм. На некоторых объектах исследования наблюдается изменение цвета металла на участке плавкой вставки вблизи места ее разрушения. Кроме того, на данном объекте исследования наблюдается изменение цвета металла на одном из контактов (рис. 8).

Рис. 8. Фрагмент предохранителя на 15 А, подвергнутого воздействию КЗ

При исследовании фрагментов корпусов предохранителей, подвергшихся КЗ, было установлено, что на внутренней поверхности, в месте нахождения плавкой вставки следы термического воздействия отсутствуют. В то время как у предохранителей, подвергшихся перегрузке, данные следы присутствуют - в виде оплавления и копоти, имеющих форму овала (рис. 9, 10).

Рис. 9. Фрагмент внутренней поверхности корпуса предохранителя на 5 А,

подвергнутого воздействию токовой перегрузки 1,2 крат

/

Рис. 10. Фрагмент внутренней поверхности корпуса предохранителя на 20 А, подвергнутого воздействию токовой перегрузки 3 крат

Таким образом, в ходе исследования автомобильных штекерных предохранителей методом морфологического анализа были получены следующие результаты:

- дифференцировать токовую перегрузку различной кратности и КЗ по форме оплавлений на автомобильных штекерных предохранителях не представляется возможным;

- при воздействии на предохранители токовой перегрузки на внутренней поверхности их корпусов, в месте нахождения плавкой вставки, в большинстве случаев образуются следы термического воздействия в виде оплавления и копоти, имеющей форму овала. При этом данные следы не образуются при протекании режима КЗ;

- на предохранителях, подвергавшихся воздействию КЗ, отсутствует участок плавкой вставки длиной от 1,5 до 3,5 мм (у предохранителей, подвергавшихся воздействию токовой перегрузки - менее 1 мм), а в некоторых случаях изменяется цвет металла в месте перегорания плавкой вставки или на основании контакта предохранителя.

Исследование методом сканирующей электронной микроскопии

Анализ проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа ТеБеап УЕОА\\ХМи с вольфрамовым катодом и высоким вакуумом в камере при увеличениях 10^3 000х.

Образцы помещали в рабочую камеру микроскопа, предварительно протерев ватным тампоном, смоченным в этиловом спирте, для удаления загрязнений.

При исследовании методом сканирующей электронной микроскопии на поверхности оплавлений, возникших при КЗ, обнаружены зоны с каплевидными металлическими частицами шарообразной формы (рис. 11 б). При перегрузке в независимости от кратности на поверхности оплавлений такого рода частицы не образуются. В тоже время при токовой перегрузке на поверхности оплавлений предохранителей формируются участки с плотной «зернистой» структурой (рис. 11 а), которая отсутствует при КЗ. В остальном структура и рельеф поверхности оплавлений предохранителей схожи (лунки, кратеры и т.п.).

а б

Рис. 11. Вид поверхности оплавленной части предохранителя: а) при перегрузке; б) при КЗ

Также в ходе исследовании были произведены замеры данных шарообразных металлических частиц, образованных при КЗ, и зерен металла, образованных при токовой перегрузке (рис. 12). Размер металлических частиц при КЗ в среднем составляет 2-5 мкм, а при токовой перегрузке до 1 мкм.

а б

Рис. 12. Замеры металлических частиц, образованных на поверхности оплавленных частей предохранителей: а) при перегрузке

Таким образом, при проведении исследования автомобильных штекерных предохранителей методом сканирующей электронной микроскопии были выявлены следующие признаки:

- на поверхности оплавленной части предохранителей, при протекании КЗ формируются участки с каплевидными металлическими частицами шарообразной формы. Размер данных частиц в среднем составляет 2-5 мкм. При токовой перегрузке каплевидные частицы металла на поверхности предохранителей не образуются;

- на поверхности оплавленной части предохранителей, при протекании токовой перегрузки формируются участки с плотной «зернистой» структурой. Размер зерен, как правило, менее 1 мкм. Участки с такого рода структурой на поверхности оплавленной части предохранителей при КЗ отсутствуют.

Таким образом, исследование автомобильных предохранителей, разрушенных в характерных для пожара ситуациях, показало возможность получения криминалистически значимой информации, а именно:

1. При исследовании перегоревших автомобильных предохранителей методом рентгеновской интроскопии было установлено, что обнаружение на внутренней поверхности корпуса предохранителя шарообразных металлических частиц свидетельствует о протекании в защищаемой цепи сверхтоков КЗ.

2. При проведении морфологического анализа было выявлено следующее:

- при воздействии на автомобильные штекерные предохранители токовой перегрузки на внутренней поверхности их корпусов в месте перегорания плавкой вставки в большинстве случаев образуются следы термического воздействия в виде оплавления и копоти, имеющей форму овала. При этом данные следы не образуются на предохранителях при КЗ;

- при КЗ в большинстве случаев у предохранителей перегорает участок плавкой вставки длиной от 1,5 до 3,5 мм, а в некоторых случаях наблюдается изменение цвета металла в месте перегорания плавкой вставки или на основании контакта предохранителя, в то время как у предохранителей, подвергавшихся воздействию токовой перегрузки протяженность разрушения плавкой вставки, как правило, составляет менее 1 мм.

3. При исследовании методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что:

- на поверхности оплавленной части предохранителей при протекании в защищаемой цепи КЗ формируются участки с каплевидными металлическими частицами шарообразной формы. Размер данных частиц в среднем составляет 2-5 мкм. При токовой перегрузке каплевидные частицы металла на поверхности предохранителей не образуются;

- на поверхности оплавленной части предохранителей при протекании в защищаемой цепи токовой перегрузки формируются участки с плотной «зернистой» структурой. Размер зерен, как правило, менее 1 мкм. Участки с такого рода структурой на поверхности оплавленной части предохранителей при КЗ отсутствуют.

Литература

1. Скодтаев С.В., Копкин Е.В., Бардулин Е.Н. Анализ практики исследования пожаров автомобилей судебно-экспертными учреждениями федеральной противопожарной службы МЧС России // Проблемы управления рисками в техносфере. 2017. № 2 (42). С. 117-124.

2. Чешко И.Д. Технические основы расследования пожаров: метод. пособие. М.: ВНИИПО, 2002. 303 с.

3. Экспертное исследование после пожара медных проводников: метод. рекомендации / А.Ю. Мокряк [и др.]. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2016. 127 с.

4. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей: учеб. для вузов. М.: ООО «Книжное изд-во «За рулем»», 2005.

References

1. Skodtaev S.V., Kopkin E.V., Bardulin E.N. Analiz praktiki issledovaniya pozharov avtomobilej sudebno-ehkspertnymi uchrezhdeniyami federal'noj protivopozharnoj sluzhby MCHS Rossii // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2017. № 2 (42). S. 117-124.

2. Cheshko I.D. Tekhnicheskie osnovy rassledovaniya pozharov: metod. posobie. M.: VNIIPO, 2002. 303 s.

3. Ehkspertnoe issledovanie posle pozhara mednyh provodnikov: metod. rekomendacii / A.Yu. Mokryak [i dr.]. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2016. 127 s.

4. Akimov S.V., Chizhkov Yu.P. Ehlektrooborudovanie avtomobilej: ucheb. dlya vuzov. M.: OOO «Knizhnoe izd-vo «Za rulem»», 2005.