SIGNS OF MALFUNCTION OF HOUSEHOLD ELECTRIC FAN HEATERS

ПРИЗНАКИ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЕНТИЛЯТОРОВ

Научная статья

Парийская А.Ю.¹, Мокряк А.В.^2, *

^{1, 2} Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (mokryakanna[at]mail.ru)

Аннотация

В настоящее время в быту и в промышленности широко распространено использование электрических тепловентиляторов для обогрева помещения. Нарушение правил эксплуатации, таких как близкое расположение, к легко воспламеняющим материалам, может привести к воспламенению и последующему за ним пожару.

В данной статье рассмотрена пожарная опасность бытовых электрических тепловентиляторов, нагревательными элементами которых является спираль и посвящена морфологическим признакам, формирующимся на тепловентиляторах и позволяющим при оценке их в комплексе установить и обосновать причину пожара.

Приведены характерные морфологические признаки аварийного режима работы тепловентиляторов, которые могут быть использованы при экспертном исследовании после пожара

Ключевые слова: тепловентилятор, нагревательная спираль, пожарно-техническая экспертиза, сканирующая электронная микроскопия, морфология, пожар.

SIGNS OF MALFUNCTION OF HOUSEHOLD ELECTRIC FAN HEATERS

Research article

Pariyskaya A.Yu.¹, Mokryak A.V.^2, *

Saint-Petersburg University of the State Fire Service of the EMERCOM of Russia, Saint-Petersburg, Russia

* Corresponding author (mokryakanna[at]mail.ru)

Abstract

The use of electric fan heaters is currently very widespread both in everyday life and in workplace. Improper handling of these devices, such as close proximity to highly flammable materials, can lead to ignition and subsequent fire.

The current article examines the fire hazard of household electric fan heaters, the heating elements of which are a coil, and discusses the morphological features of fan heaters that, when examined, allow to fully determine the cause of the fire.

The study provides distinct morphological characteristics of the malfunction of fan heaters, which can be used in the expert study after a fire.

Keywords: fan heater, heating coil, fire investigation, scanning electron microscopy, morphology, fire.

По статистике пожаров (рисунок 1), как в РФ, так и за рубежом, пожары, вызванные нарушением правил устройства и эксплуатации (НПУиЭ) электрооборудования, составляют 30% от общего числа [1].

 

Рис. 1 – Распределение количества пожаров, произошедших в Российской Федерации в 2019г., по причинам их возникновения

 

Использование электроэнергии в быту и на производстве вполне закономерно связано с риском возникновения пожара. Задача пожарно-технического эксперта – реконструировать процесс возникновения и развития горения или доказать отсутствие в рассматриваемом случае взаимосвязи (причинно-следственной связи) в системе «электрооборудование – пожар».

В экспертных заключениях любое оплавление или разрыв провода трактуется как след короткого замыкания (КЗ). Короткое замыкание часто предшествуют утечки тока через поврежденную изоляцию, постепенно развивающиеся в неметаллическое КЗ и сверхтоки. КЗ формируют режим перегрузки и загораются не окружающие объекты, вещества и материалы, а собственная изоляция провода. Свой вклад в формирующуюся суммарную морфологическую картину вносят режимы большого переходного сопротивления (БПС), последовательный и параллельный дуговой пробой и др. [2].

Пожарная опасность увеличивается при препятствовании свободному выходу тепловых потоков из тепловентилятора.

Как известно, тепловентилятор — это электронагревательное устройство, создающее направленный поток теплого воздуха. Принцип его действия заключается в создании воздушного потока, который поступает к нагревательному элементу, в результате чего он нагревается и далее выдувается через решетку в окружающую среду.

Нагревательные элементы бывают спиральными, трубчатыми и керамическими. Тепловентиляторы с нагревательной спиралью отличаются высокой пожароопасностью, по нескольким причинам. Во-первых, это высокая температура нагрева спирали порядка 1000° С. Во-вторых, особенности конструкции тепловентилятора представляет открытый тип спирали. В-третьих, близость ее расположения с горючими элементами корпуса прибора, а также изоляции токоведущих проводников. При этом часто конструкция тепловентилятора не предполагает защиту спирали [3].

Авторы статьи участвовали в выполнении пожарно-технической экспертизы по пожару, в которой объектами исследования были, в частности тепловентиляторы. Они были установлены в нескольких различных туристских палатках с примерно одинаковой пожарной нагрузкой. Один из тепловентиляторов (обозначим его объект №1) располагался в зоне, которая по показаниям свидетелей уверенно определялась, как очаг пожара. У экспертов была возможность сравнить термические поражения тепловентиляторов, изъятых с разных мест, выделив специфические для очага пожара морфологические признаки [4].

Исследования проводили визуально, а также с использованием инструментальных методов – сканирующая электронная микроскопия и рентгенофлуоресцентный элементный анализ.

На исследование были представлены остатки тепловентиляторов – один из очага пожара объект №1 (рисунок 2) и три из зоны горения (объекты сравнения), объект №2 (рисунок 3).

 

Рис. 2 – Фото остатков тепловентилятора (объекта №1), изъятого с места пожара

Рис. 3 – Фото остатков тепловентилятора (объекта № 2), изъятого с места пожара

 

Для исследования был отобран фрагмент нагревательной спирали с объекта № 1.

При визуальном исследовании было обнаружено, что спираль с объекта № 1 фрагментирована на множество частей (рисунок 4). У тепловентилятора с объекта №2 спираль в целом сохранилась (рисунок 3).

Рис. 4 – Фото фрагментированных частей нагревательной спирали

 

При этом спираль имеет локальные повреждения в виде уменьшения ее сечения (рисунок 5 и 6), которые отсутствуют на аналогичной спирали, объектов сравнения (рисунок 7).

Уменьшение сечения спирали может происходить либо в результате плавления металла, либо за счет окалинообразовании вроде коррозии при повышенных температурах.

Пожарная нагрузка в зонах установки всех тепловентиляторов была примерно одинакова, тепловыделение, соответственно, тоже. Поэтому причиной локального температурного максимума, вероятнее всего являются, меньшие теплопотери работающего вентилятора. Такое могло произойти, если, например, вентилятор оказался теплоизолирован от окружающей среды упавшим на него предметом одежды, постельной принадлежностью, или он опрокинулся набок и перекрылся канал подачи холодного или выхода горячего воздуха [5].

Рис. 5 – Локальные повреждения нагревательной спирали тепловентилятора, СЭМ

Примечание: пунктиром выделены поврежденные участки

 

Рис. 6.1 – Крупный план повреждений нагревательной спирали тепловентилятора, СЭМ

 

Рис. 6.2 – Крупный план повреждений нагревательной спирали тепловентилятора, СЭМ

 

Рис. 7 – Участок нагревательной спирали тепловентилятора, изъятого с места пожара (объект сравнения)

 

Также по поверхности спирали наблюдались множественные кратеры и лунки. Кратеры представляют собой многоступенчатые углубления округлой формы на поверхности оплавления (рисунок 6). Лунки представляют собой более мелкие, по сравнению с кратерами, углубления округлой формы, которые могут располагаться как внутри кратеров, так и вне их (рисунок 6).

Наличие на поверхности металла кратеров и лунок может являться следами воздействия на металл электродуговых разрядов [6].

Кроме того, на отдельных витках нагревательной спирали тепловентилятора были обнаружены наплавы шарообразной формы (рисунок 8, 9).

Рис. 8 – Фрагмент нагревательной спирали тепловентилятора с наплавами, СЭМ

Рис. 9 – Крупный план наплавов нагревательной спирали, СЭМ

 

Для определения природы образования данных наплавов, был проведен элементный анализ наплавов и спирали.

Анализ проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA\\XMU при высоком вакууме в камере при увеличениях до 1600^х [7], [8].

Условия проведения анализа:

- ток зонда: 2 пА – 40 нА;

- режим высокого вакуума;

- ускоряющее напряжение: 20 кВ;

- рабочее расстояние: 27 - 47 мм.

Определение элементного состава осуществлялось безазотным рентгенофлюоресцентным энергодисперсионным детектором X–MAX 80 с площадью кристалла 80 мм².

Условия проведения исследования:

- ток зонда: 2 пА – 40 нА;

- режим высокого вакуума;

- ускоряющее напряжение: 20 – 30 кВ;

- рабочее расстояние: 27 мм.

Результаты элементного анализа (таблица № 1) показали, что основными элементами, из которого состоит спираль, являются: железо (Fe), хром (Cr), алюминий (Al), марганец (Mn) и кремний (Si). Судя по составу, она выполнена из сплава фехраль [9].

 

Таблица 1 – Элементный состав нагревательных спиралей

№ образца	Химический элемент и его концентрация, % (масс.)
	Mn	Al	Si	Cr	Fe
1	0.23	5.85	0.34	22.40	71.18

 

Результат элементного анализа наплава на витке нагревательной спирали тепловентилятора показал, что основным элементом является медь (> 97 %).

 

Таблица 2 – Элементный состав наплавов на нагревательной спирали

№ спектра	Химический элемент и его концентрация, % (масс.)
	Cu	O
1	97.99	2.01
2	97.61	2.39
3	97.25	2.75

 

По результатам проведенного элементного анализа, установлено, что наплавы, обнаруженные на фрагментах спирали не являются частью спирали, так как основным элементом, из которого состоят наплавы, является медь.

Таким образом, в результате проведенного исследования на фрагменте нагревательной спирали объекта № 1, являющейся частью тепловентилятора, были обнаружены следующие признаки:

- нарушение целостности спирали;

- утончение диаметра спирали, а также повреждения в виде утончения в местах разрушения спирали;

- наличие кратеров и лунок на поверхности;

- наличие наплавов постороннего металла на поверхности спирали.

Уяснив механизм образования комплекса описанных выше термических дефектов, эксперт может выйти на решение вопроса о причине пожара. Попытаемся выстроить для этого соответствующую логическую цепь.

1. Внутри объект №1 сильно разрушен вплоть до мелких оплавленных деталей. Имеются явные следы горения. Если бы горение распространялось на данный объект извне, его электропитание прекратилось по причине замыкания проводов на входе и степень термического поражения была бы другая.
2. Фрагменты спирали объекта № 1 хрупки и легко ломаются. Структура металла по местам излома характерна именно для излома. Стало ясно, что причина такой множественной фрагментации не токовая перегрузка или КЗ, а хрупкость перегретого металла спирали; отдельные её фрагменты рассыпались в руках уже при попытках в лаборатории их подсчитать.

Как известно, спирали такого рода в настоящее время изготавливаются из сплава Фехраль, содержащего 12-27% хрома; 3,5-5,5% алюминия; 1% кремния; 0,7% марганца (остальное железо). Аналогичный состав имеют, судя по приведенным в таблице данным, спираль объекта № 1.

Известно, что эти сплавы при температуре выше 350-400 °С подвергаются процессу рекристализации, становятся хрупкими. Таким образом, есть основания предполагать, что разрушение спирали является следствием её охрупчивания. Этого не наблюдается в других тепловентиляторах, надо полагать по причине более низкой температуры отжига.

3. Перегрев спирали, возможно, привел к ослаблению её натяжения. Ослабленная спираль свободно шевелилась в потоке воздуха, что способствовало множественным контактам спирали виток с витком и искрообразованию. Происходило это с образованием искр, а также кратеров, лунок и прочих вышеописанных дефектов. Образование медьсодержащих частиц могло стать следствием контакта наплавов с медным проводником.
4. Необходимо отметить, что данный аварийный режим не является, строго говоря, коротким замыканием (КЗ), поскольку нет прямого контакта между разнополярными проводниками или между различными фазами и тд. Искрение же возникает в результате последовательного электродугового пробоя. Здесь некорректно говорить о КЗ, и такая небрежность на суде может привести к нежеланным последствиям.

Приведенные выше соображения объясняют, каким образом сформировалась наблюдаемая картина термических поражений, какие-то иные альтернативные механизмы не усматриваются. И это обстоятельство весьма существенно как основа выстроенного экспертом механизма возникновения горения.

5. Другие электротехнические приборы и устройства, в зависимости от своих конструктивных особенностей, при работе в аварийных режимах могут образовывать иные морфологические признаки (группы признаков). Они общеизвестны – это электродуговые локальные оплавления. В целом они должны обеспечивать поиски «недостающего звена» и формировать понятную с физической точки зрения картину возникновения и развития горения.

В рассматриваемом случае «недостающим звеном» было объяснение, каким образом горение вышло за пределы внутреннего объёма вентилятора?

Чтобы ответить на данный вопрос, у вентилятора «загрубили» терморегулятор, а сверху прибор прикрыли тканью и включили в электросеть. Через 1-2 мин, раньше, чем сработал аппарат защиты в электрощите, из-под тканевой накидки повалил дым, ткань затлела верхняя часть корпуса вентилятора расплавилась и потекла вниз, обеспечивая тем самым возможность дальнейшего развития горения.

В таком состоянии обогреватель представлял собой реальный тепловой источник, способный обеспечить загорание и развитие горения пожарной нагрузки в пределах установленного очага пожара.

Проведя экспертное исследование остатков спиралей бытовых тепловентиляторов, было установлено, что следы (шарообразные наплавы из меди и фехраля) и локальные повреждения, которые были обнаружены, характерны для разлета раскаленных металлических частиц (искр) при электродуговых процессах, протекающих при коротких замыканиях в электрооборудовании.

Огромную роль в возникновении пожара сыграл материал, из которого изготовлена спираль тепловентилятора - фехраль. Рабочая температуры, до которой может нагреваться фехраль – примерно 1200 °С. Температура плавления приблизительно 1450 С. Производство фехраля дешевле, чем производство нихрома. По этой причине именно фехраль чаще используют для создания нагревательных спиралей, например, в бытовых тепловентиляторах. Основным же недостатком фехраля является его неустойчивость к циклическим нагревам – со временем проволока из этого сплава становиться хрупкой, что может приводить к ее истончению и возникновению зон локальных перегревов.

Обнаруженные различные морфологические признаки на деталях вентилятора, необходимо использовать при решении вопроса о причине пожара, а также о причастности тепловентилятора к возникновению пожара. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Пожары и пожарная безопасность в 2019 году: статистический сборник / под общ. ред. Д.М. Гордиенко / М.: ВНИИПО /2020г./с – 82.
2. Колмаков А.И. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах) /Учебное пособие / А.И. Колмаков, Н.М. Граненков, С.И. Зернов и др. М. ЭКЦ МВД России, 1993 г. – с. – 104.
3. Струков В.М. Экспертное исследование изымаемых с мест пожаров электротехнических изделий с трубчатыми нагревательными элементами / В.М Струков, С.И. Зернов. М.:ЭКЦ МВД России/1996 г. / с – 56.
4. Маковкин А.В. Проведение экспертных исследований по установлению причинно-следственных связей аварийных процессов в электросети с возникновением пожара: Учебное пособие / А.В. Маковкин, В.И. Кабанов, В.М. Струков. М.: ВНИИ МВД СССР/ 1988 г. / с – 98.
5. МаковкинА.В. Изучение состояния электрооборудования при осмотре места пожара: учебное пособие / А.В. Маковкин, В.И. Кабанов М.: ВНИИПО МВД СССР/ 1988 г. /с – 48.
6. Металлографические и морфологические исследования металлических объектов судебной пожарно-технической экспертизы: учебное пособие / А.Ю. Мокряк, И.Д. Чешко, Ю.Н. Бельшина; под общ. ред. Э.Н. Чижикова. – СПб: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России»/ 2016 г./ – 160с., 117 ил., 16 табл., 52 библиогр.
7. Рид С.Дж.Б. Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия / С.Дж.Б. Рид: Техносфера/ 2008 г./ с – 232.
8. Уманский Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский. М.: Металлургия/ 1982 г. /с – 632.
9. ГОСТ 12766.1-90 Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия

Список литературы на английском языке / References in English

1. Pozhary i pozharnaja bezopasnost' v 2019 godu: statisticheskijj sbornik [Fires and Fire Safety in 2019: Statistical Collection] / Edited by D.M. Gordienko / M.: VNIIPO /2020./p – 82. [in Russian]
2. Kolmakov A.I. Ehkspertnoe issledovanie metallicheskikh izdelijj (po delam o pozharakh) [Expert Research of Metal Products (in Cases of Fires)] / A.I. Kolmakov, N.M. Granenkov, S.I. Zernov, V.V. Pen'kov, N.G. Sokolov et al. /M. EhKC MVD Rossii, 1993 / p. – 104. [in Russian]
3. Strukov V.M. Ehkspertnoe issledovanie izymaemykh s mest pozharov ehlektrotekhnicheskikh izdelijj s trubchatymi nagrevatel'nymi ehlementami [Expert Research of Electrical Products With Tubular Heating Elements Recovered From the Places of Fires] / V.M. Strukov, S.I. Zernov M.:EhKC MVD Rossii/1996 / p – 56. [in Russian]
4. Makovkin A.V. Provedenie ehkspertnykh issledovanijj po ustanovleniju prichinno-sledstvennykh svjazejj avarijjnykh processov v ehlektroseti s vozniknoveniem pozhara: Uchebnoe posobie [Conducting Expert Examinations to Establish the Causality of the Disturbance in the Mains With Fire: Textbook] / A.V. Makovkin, V.I. Kabanov, V.M. Strukov. M.: VNII MVD SSSR/ 1988 / p – 98. [in Russian]
5. Makovkin A.V. Izuchenie sostojanija ehlektrooborudovanija pri osmotre mesta pozhara: uchebnoe posobie [a Study of the Condition of Electrical Equipment During the Inspection of the Fire Scene: Textbook] / A.V. Makovkin, V.I. Kabanov / M.: VNIIPO MVD SSSR/ 1988 /p – 48. [in Russian]
6. Metallograficheskie i morfologicheskie issledovanija metallicheskikh ob"ektov sudebnojj pozharno-tekhnicheskojj ehkspertizy: uchebnoe posobie [Metallographic and Morphological Studies of Metal Objects of Forensic Fire and Technical Expertise: Textbook] / A.Ju. Mokrjak, I.D. Cheshko, Ju.N. Bel'shina; Edited by Eh.N. Chizhikov. – SPb: FGBOU VO «Sankt-Peterburgskijj universitet GPS MChS Rossii»/ 2016 / – 160p., pic. 117, table 16, bibliography 52. [in Russian]
7. Reed S.J.B. Ehlektronno-zondovyjj mikroanaliz i rastrovaja ehlektronnaja mikroskopija [Electron-Probe Microanalysis and Scanning Electron Microscopy] / S.J.B.. Reed: Tekhnosfera/ 2008 / p – 232. [in Russian]
8. Umanskijj Ja.S. Kristallografija, rentgenografija i ehlektronnaja mikroskopija [Crystallography, Radiography and Electron Microscopy] / Ja.S. Umanskijj M.: Metallurgija/ 1982 /p – 632. [in Russian]
9. GOST 12766.1-90 Provoloka iz precizionnykh splavov s vysokim ehlektricheskim soprotivleniem. Tekhnicheskie uslovija [Wire Made of Precision Alloys With High Electrical Resistance. Technical Specifications] [in Russian]