Обоснование выбора средства пожаротушения для электрических кабелей

Д. Г. ЛАНИН, инженер-эксперт, ООО "Авантаж"

Д. В. ПОЛЯКОВ, заместитель начальника кафедры пожарной автоматики,

Академия Государственной противопожарной службы МЧС России

С. Г. ЦАРИЧЕНКО, д-р техн. наук, заместитель начальника института -начальник НИЦ робототехники, ФГБУ ВНИИПО МЧС России

УДК 614.844

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СРЕДСТВА ПОЖАРОТУШЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Представлена общая концепция выбора средств тушения пожаров электрических кабелей. Дано описание экспериментального стенда и единой методики проведения испытаний. Для обоснования выбора оптимальных и наиболее эффективных средств пожаротушения кабелей проведено экспериментальное исследование процессов тушения с учетом процесса охлаждения аварийных жил кабеля после ликвидации пламенного горения различными огнетушащими веществами. Дано описание экспериментального стенда и единой методики проведения испытаний. Описана математическая модель процесса остывания кабеля в различных огнетушащих средах. Приведены выводы по результатам работы и рейтинг эффективности различных огнетушащих веществ для каждой стадии пожаротушения. Описана автоматическая установка комбинированного пожаротушения для кабельных сооружений.

Ключевые слова: пожаротушение; кабель; огнетушащие вещества; токопроводящая жила; повторное воспламенение; модель; установка пожаротушения; эффективность.

Пожары в кабельных сооружениях сопровождаются крупным материальным ущербом (не столько прямым, сколько косвенным), а тушение кабельных сооружений представляет собой сложную тактическую задачу для подразделений пожарной охраны. Отсюда вытекает необходимость их защиты автоматическими установками пожаротушения либо устройствами для подачи огнетушащих веществ (ОТВ), обеспечивающими безопасность личного состава пожарной охраны. Необходимость работы по исследованию эффективности различных средств пожаротушения электрических кабелей объясняется тем, что на данный момент не существует нормативных документов по защите кабельных сооружений автоматическими установками пожаротушения, которые достаточно полно отражали бы все вопросы, связанные с этой проблемой. В связи с этим возникают различные споры и разногласия по поводу эффективности использования тех или иных установок пожаротушения в кабельных сооружениях.

Данная ситуация скорее всего обусловлена тем, что на протяжении многих лет в данном направлении исследований решались частные вопросы, в том числе чем защищать конкретный объект (сооружение). При отсутствии общей концепции выбора ог-нетушащего вещества и обоснования нормативных показателей его подачи проблема решалась экспери-

© ЛанинД. Г., Поляков Д. В., Цариченко С. Г., 2013

ментальным путем, что, естественно, давало частные результаты, которые нельзя напрямую использовать при решении подобных задач. В связи с этим на базе ФГБУ ВНИИПО МЧС России были проведены исследования эффективности различных средств пожаротушения электрических кабелей в кабельных сооружениях. Цель работы — исследование процессов горения и тушения кабелей для всех огнетушащих веществ и по единой методике для получения общих закономерностей.

До настоящего времени горение кабельной продукции рассматривалось как горение полимера, на основании чего и определялись нормы подачи огне-тушащего вещества. В данной работе пожаротушение кабелей рассматривается как двустадийный процесс: первая стадия — ликвидация пламенного горения, вторая — охлаждение токопроводящей жилы, являющейся, как правило, источником возникновения пожара кабелей и возможным источником повторного воспламенения.

В настоящей работе все огнетушащие вещества разделены на две группы в зависимости от способа тушения — объемного или поверхностного. При поверхностном способе используются порошковые огнетушащие составы и вода с различной дисперсностью распыления, при объемном — газовые и аэрозольные огнетушащие составы. Воздушно-механическая пена рассматривается отдельно, так как

7, кгДс-м2) Т, °С

Л ш Вода А ш Порошок То

\\ч\ ^ Ч\<ч т, Э \ 4 Ч \ ❖ ч б V \ \ N Ч Ч ^ / / / V 4 / / Г Ч \ N N \\ ^^ 2 1 тв

\2 \ N \ 2 з N ^ ч и п ---- ш

х2 -н Дт2 1-> <- Дт3 — -^ т,

Рис. 1. Зависимость интенсивности подачи ОТВ (-) и

температуры жилы (---) от времени при поверхностном

способе тушения: 1, 2,3..., п — интенсивности подачи ОТВ, соответствующие точкам 1, 2, 3., п; Т0 — температура жилы в момент начала подачи ОТВ; Тв — температура воспламенения изоляции; т — время, необходимое для тушения изоляции при соответствующей интенсивности подачи ОТВ; Дт — время, в течение которого возможно повторное воспламенение изоляции при соответствующей интенсивности подачи ОТВ

в зависимости от кратности она может использоваться для тушения как поверхностным способом, так и объемным.

На рис. 1 и 2 представлены зависимости параметров подачи ОТВ (интенсивность и огнетушащая концентрация) и температуры жилы от времени пожаротушения при поверхностном и объемном способах тушения соответственно.

Как видно из рис. 1, время подачи порошка (например, для точки 3), необходимое для ликвидации пламенного горения т3, может быть значительно меньше времени, необходимого для снижения температуры жилы Дт3 ниже температуры воспламенения изоляции. Следовательно, для обеспечения надежного тушения пожаров кабелей время подачи ОТВ должно приниматься с учетом времени остывания токопроводящей жилы.

Как видно из рис. 2, концентрация ОТВ опускается ниже значения огнетушащей концентрации быстрее, чем температура жилы снижается до значения ниже температуры воспламенения изоляции, что может повлечь за собой повторное возгорание. В связи с этим необходимо либо подавать заведомо большую концентрацию ОТВ, либо поддерживать

Тт <-— Дт <-

Рис. 2. Зависимость концентрации огнетушащих веществ (1) и температуры жилы (2) от времени при объемном способе тушения: фогн — нормативная минимальная огнетушащая концентрация ОТВ; тт — время, необходимое для тушения изоляции; Дт — время, в течение которого возможно повторное воспламенение изоляции

его концентрацию многократной подачей вещества через определенные интервалы времени.

Для обоснования выбора оптимальных и наиболее эффективных средств тушения пожаров кабелей были проведены экспериментальные исследования процессов тушения с учетом охлаждения аварийных жил кабеля после ликвидации пламенного горения различными огнетушащими веществами [1,2].

Целью экспериментов являлось определение интенсивности подачи (огнетушащей концентрации), времени подачи (времени удержания огнетушащей концентрации) для различных огнетушащих веществ, необходимых для ликвидации горения и исключения возможности повторного воспламенения кабелей.

В основе эксперимента лежит имитация возгорания и тушения кабеля в результате его энергетической перегрузки. Для этого была разработана модель — имитатор кабеля, которая является частью модельного очага. Для имитации использовались:

• жилы кабеля — трубчатый электронагреватель (ТЭН) с максимальной температурой нагрева 500 °С;

• остальных конструктивных элементов кабеля — отрезок реального кабеля, из которого извлекается одна или несколько токопроводящих жил;

• прокладки кабелей пучком — отрезки кабеля, который моделируется;

• нескольких перегруженных кабелей в пучке — аналогичные модели.

Модельный очаг представляет собой стойку с полками (ярусами), на которых располагаются отрезки кабелей, а также модель, имитирующая аварийный кабель (рис. 3). Размеры стойки 300x300x800 мм. Расстояние между кабелями, а также способ прокладки и расположение кабелей определяются в соответствии с ПУЭ [3]. Стойка с отрезками кабелей размещается в противне с горючей жидкостью. На стойке предусматриваются три уровня (яруса), на каждом из которых укладывается не менее трех кабелей,

74

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №2

900 800 700 600 500

Отрезки кабелей Регистрация

Модельный кабель температуры

Н-Противень

^^^^^^^^^^^ с горючей жидкостью

Рис. 3. Модельный очаг

причем модельный кабель располагается в центре модельного очага. Это является необходимым и достаточным условием для обеспечения воздействия тепловых потоков на модельный кабель со всех сторон, а также воздействия горящих полимерных материалов на модельный кабель при расплавлении и стекании с верхнего уровня укладки.

В качестве дополнительной горючей нагрузки к модели, имитирующей аварийный кабель, использовались кабели различных марок с поливинилхло-ридной, полиэтиленовой, резиновой и пропитанной бумажной изоляцией, такие как АВВГ, ВВГ, АСБл, КВБбШв, КГ и т. п.

Сначала производилась подача напряжения на ТЭНы и зажигание горючей жидкости, а затем, по истечении заданного времени, — огнетушащего вещества. Основными данными, получаемыми в результате экспериментов, являются значения интенсивности подачи (объемной концентрации) ОТВ, время ликвидации пламенного горения и время остывания ТЭНов до 250 °С.

При проведении экспериментов исследованы широко применяемые в практике пожаротушения Российской Федерации и других стран огнетушащие вещества с усредненными нормативными показателями подачи: распыленная вода с диаметром капель 300-500 мкм, тонкораспыленная вода с диаметром капель 100-150 мкм, тонкораспыленная вода с диаметром капель до 70 мкм (водяной туман), газовый огнетушащий состав — хладон 23, аэрозольный ог-нетушащий состав, высокократная пена (кратностью 400-600), порошок.

На основании анализа результатов экспериментов по тушению модельного очага различными ог-нетушащими веществами была разработана методика и проведен ряд испытаний на специальных стендах, имитирующих фрагмент кабельного тоннеля. В общей сложности было выполнено 48 лабораторных и 5 крупномасштабных экспериментов,

400 300 200 100

о

Рис. 4. Зависимость температуры пламени и ТЭНов (в различных точках измерения) от времени при тушении модельного очага тонкораспыленной водой с интенсивностью подачи 0,04 л/(с-м2) (опыт № 1): 1 — нижний уровень; 2 — средний уровень; 3 — верхний уровень; 4 — ТЭН 1; 5 — ТЭН 2

а также 19 экспериментов для подготовки и отработки методик.

Характерная типичная зависимость температуры в точках установки термопар (термопары на ТЭНы — 2 шт., термопары в зоне горения — 3 шт.) от времени тушения тонкораспыленной водой, полученная экспериментально на модельном очаге, представлена на рис. 4.

На основании анализа полученных экспериментальных данных в рамках исследования было выполнено математическое моделирование процесса охлаждения кабеля после ликвидации пламенного горения различными огнетушащими веществами.

Как показали эксперименты, время остывания кабеля в различных условиях (огнетушащих средах) до безопасной температуры значительно превышает время ликвидации горения. Интенсивность подачи и нормативные огнетушащие концентрации различных огнетушащих веществ при тушении кабелей сопоставимы с аналогичными значениями данных показателей при тушении других полимерных материалов. В связи с этим именно процесс охлаждения кабеля в различных огнетушащих средах требует особого рассмотрения и выбран в качестве критического параметра для оценки эффективности тушения.

При моделировании были учтены процессы охлаждения промышленных кабелей, содержащих жилы двух базовых проводников (медь и алюминий), под влиянием следующих охлаждающих факторов:

• естественной конвекции холодного воздуха;

• естественной конвекции смеси хладон 23 - воздух при различных концентрациях хладагента;

• водяного орошения кабелей различной интенсивности и гранулометрического состава.

Исследования были выполнены посредством численного решения сопряженной задачи теплообмена кабель - окружающая среда с учетом компонентного состава окружающего газа, многофазно-сти и теплообмена излучением.

В результате численного моделирования получены зависимости времени остывания кабеля в различных огнетушащих средах, которые имеют хорошую сходимость с экспериментальными значениями (рис. 5).

Исходя из результатов экспериментальной работы и математического моделирования, а также имеющегося опыта по тушению кабелей следует, что процесс тушения кабелей различными огнетуша-щими веществами должен включать две стадии: ликвидацию пламенного горения и охлаждение перегретого кабеля.

По результатам работы была проведена оценка эффективности различных огнетушащих веществ и получен рейтинг их эффективности для каждой стадии пожаротушения. При оценке эффективности различных огнетушащих веществ учитывалось время ликвидации пламенного горения, время остывания жилы до безопасной температуры и суммарный удельный расход огнетушащего вещества, требуемый для обеспечения ликвидации пламенного горения и охлаждения кабеля.

В соответствии с данным рейтингом наиболее эффективным средством на стадии ликвидации пламенного горения является порошок, а на стадии охлаждения — тонкораспыленная вода или водяной туман, в связи с чем целесообразно использовать в качестве системы пожаротушения комбинированную установку пожаротушения с последовательной

Г," с

Рис. 5. Сопоставление экспериментальных результатов

и данных моделирования (-) по остыванию кабеля в воздухе

подачей порошка и воды. После ликвидации горения порошком мелкие капли воды могут свободно достигать поверхности кабеля из-за отсутствия мощной конвективной колонки, что позволяет до минимума снизить интенсивность подачи воды. Это решение даст возможность существенно сократить удельный расход огнетушащих веществ.

На основании данного заключения и результатов исследований Научно-техническим объединением "Пламя" (ООО "НТО Пламя") в сотрудничестве с ФГБУ ВНИИПО МЧС России на базе существующих порошковых и водяных модулей пожаротушения была разработана автоматическая установка комбинированного пожаротушения в кабельных сооружениях АУПТ КС "Туман", успешно прошедшая натурные испытания на экспериментальном стенде ФГБУ ВНИИПО МЧС России, а также разработаны технические условия и рекомендации по проектированию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белоусов Л. И., Былинкин В. А., ЛанинД. Г., Первых А. В., Поляков Д. В., Цариченко С. Г. Системы пожаротушения в кабельных сооружениях // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений : матер. 19-й науч.-практ. конф. — Ч. 2. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2005. — С. 26-27.

2. Агафонов В. В., Ланин Д. Г., Никонова Е. В., Цариченко С. Г. Исследование эффективности средств аэрозольного пожаротушения в кабельных сооружениях // Комплексная безопасность России — исследования, управление, опыт : матер. междунар. симпозиума. Секция "Технические средства и технологии борьбы с пожарами". — М. : ВНИИПО МЧС России, 2004.

3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) : утв. Минэнерго России; введ. 01.07.2000 г. — Изд. 7-е. — М. : НЦ ЭНАС, 1999.

Материал поступил в редакцию 15 декабря 2012 г.

= English

SUBSTANTIATION OF THE SELECTION

OF FIRE EXTINGUISHING AGENT FOR ELECTRIC CABLES

LANIN Dmitriy Gennadyevich, Engineer-Expert, ООО "Avantage" [Avantage, Ltd.]

76

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 TOM 22 №2

POLYAKOV Dmitriy Vitalyevich, Deputy Head of the Fire Automation Department, State Fire Academy of Emercom of Russia

TSARICHENKO Sergey Georgiyevich, Doctor of Technical Sciences, Deputy Head, Federal State Budgetary Establishment All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia

ABSTRACT

The fires in cable works are very dangerous and are accompanied by large material damage; therefore their protection by automatic fire suppression systems or by equipment for discharge of fire extinguishing agents is required. In this work the extinguishing process of cables is composed of two stages: the first one consists in the elimination of flaming burning, the second — in the cooling of conductor which usually presents a source of the cable fire and a possible reigniting source. To substantiate the choice of the best and most effective means for the cable extinguishment, the experimental investigation in extinguishment processes is performed, taking into account the emergency cooling process after elimination of the cable wires flaming by use of various fire extinguishing agents. The mathematical model of the conductor cooling in various fire extinguishing media is elaborated. On the base of obtained results, the effectiveness of various fire extinguishing agents are assessed and their efficiency rating for each fire extinguishing stage is obtained. The combined automatic fire suppression system for cable works is developed.

Keywords: fire extinguishing; cable; fire extinguishing agents; conductor; reignition; model; fire suppression system; efficiency.

REFERENCES

1. Belousov L. I., Bylinkin V. A., LaninD. G., Pervykh A. V., PolyakovD. V., Tsarichenko S. G. Sistemy pozharotusheniya v kabelnykh sooruzheniyakh [Fire suppression system for cable constructions]. Po-zharnaya bezopasnost mnogofunktsionalnykh i vysotnykh zdaniy i sooruzheniy: mater. 19-y nauch.-prakt. konf. [Proc. 19th Scientific and Practical Conference "Fire safety of multifunction and high-rise buildings"]. Moscow, VNIIPO of Emercom of Russia Publ., 2005, part 2, pp. 26-27.

2. Agafonov V. V., Lanin D. G., Nikonova Ye. V., Tsarichenko S. G. Issledovaniye effektivnosti sredstv aerozolnogo pozharotusheniya v kabelnykh sooruzheniyakh [Research the effectiveness of aerosol fire extinguishing in cable constructions]. Kompleksnaya bezopasnost Rossii — issledovaniya, upravle-niye, opyt: mater. mezhdunar. simpoziuma. Sektsiya "Tekhnicheskiye sredstva i tekhnologii borby spo-zharami" [Proc. International Symposium "Complex security in Russia: research, management, experience. Section "Technical means and technology on fire"]. Moscow, VNIIPO of Emercom of Russia Publ., 2004.

3. Pravila ustroystva elektroustanovok (PUE) [Electric Installation Code]. Moscow, NTs ENAS Publ., 1999.

Из пожарно-технического энциклопедического словаря

КАБЕЛЬНАЯ ПРОХОДКА — изделие или сборная конструкция, предназначенные для прохода электрических кабелей (кабельных линий) через стены, перегородки, перекрытия, включающие в себя заделочные материалы и (или) сборные элементы, закладные детали (трубы, короба, лотки) и кабельные изделия.

КАБЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ — линия для передачи электроэнергии или отдельных ее импульсов, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями, а для маслонаполненных линий, кроме того, с подпитывающими аппаратами и системой сигнализации давления масла. Пожарная опасность кабельных электрических линий характеризуется: пределами распространения горения и пределами пожаро-стойкости. Предел распространения горения — максимальное расстояние в любую сторону от зоны действия внутреннего или внешнего источника зажигания, на которое распространяется горение. Предел пожаростойкости — минимальное время, в течение которого кабельная линия выполняет свои функции в условиях пожара.