Электроиндукционный метод контроля параметров аэродисперсной системы и раннего обнаружения термического разложения кабельной продукции и других материалов

И. В. ГРИГОРЬЕВ, магистр информационных систем, автор изобретения, главный конструктор, ведущий разработчик изделия

В. А. БЕЗРУКОВ, канд. техн. наук, доцент, доцент факультета безопасности информационных технологий, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

А. П. КОРОЛЬКОВ, канд. техн. наук, профессор кафедры системного анализа и антикризисного управления, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

УДК 614.842.435

ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЭРОДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ И РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ КАБЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ

Обоснована необходимость применения электроиндукционного метода контроля параметров аэродисперсной системы среды для решения задач раннего обнаружения пожароопасной ситуации. Предложено для решения задачи раннего обнаружения потенциального загорания обеспечить круглосуточный мониторинг наличия (появления) в воздухе аэродисперсной системы -газодымовых аэрозолей электроиндукционным методом контроля ее параметров, который позволяет анализировать изменения в широком диапазоне фракций аэрозольных частиц. Подтвержден факт обнаружения извещателем ИП 216-М5 газодымовых аэрозолей в аэродисперсной системе при нагреве среды и конструктивных элементов в районе возможного очага пожара.

Ключевые слова: термическое разложение; газодымовая аэрозоль; аспирационный пожарный извещатель; предотвращение загорания; датчик "запаха гари"; частицы дыма; анализ дисперсной среды.

DOI: 10.18322/PVB.2018.27.12.37-48

Введение

Раннее обнаружение потенциального очага загорания дает возможность предотвратить пожар, а в случае его возникновения ликвидировать его последствия с минимальными затратами. Это возможно, если признаки горения обнаруживаются автоматическими системами пожарной сигнализации на стадии начального термического разложения горючих материалов. Известно, что основными информационными характеристиками пожара являются такие параметры, как температура, электромагнитное излучение пламени, дымообразование и выделение токсичных газов. Задача обнаружения перегрева

электроизоляционных материалов, возникающего вследствие перегрузки оборудования при температурах менее 200 °С (т. е. задолго до температуры их самовоспламенения), может быть решена с помощью пожарных извещателей, работающих на принципе электроиндукционного метода обнаружения частиц дыма. К таким приборам относится извещатель пожарный ИП 216-М5, селективная чувствительность которого к высокодисперсным частицам дыма позволяет сократить время обнаружения медленно развивающегося загорания и принять необходимые меры по его предупреждению на самом раннем этапе развития пожароопасной ситуации [1].

© Григорьев И. В., Кутузов В. В., Безруков В. А., Корольков А. П., Османов Ш. А., 2018

Этот метод ориентирован, в первую очередь, на работу в системах предупреждения аварий электротехнического и энергетического оборудования, так как он дает возможность обнаружить потенциальный очаг загорания до возникновения открытого пламени и перехода процесса загорания в первую стадию пожара.

Основная цель применения электроиндукционного метода обнаружения частиц дыма с использованием извещателя ИП 216-М5 — дополнить набор существующих средств пожарной автоматики высокочувствительными извещателями раннего обнаружения пожароопасной ситуации и обеспечить импортозамещение дорогостоящего оборудования иностранных производителей.

Электроиндукционный метод исследования параметров аэродисперсной системы и обнаружения пожароопасной ситуации

Постановка задачи

Анализ процесса, приводящего к возгоранию, показывает, что развитие пожара зачастую начинается с появления слабых изменений физических характеристик среды рядом с местом возгорания.

Полагается, что для раннего обнаружения потенциального пожара на объекте защиты, где в качестве основной пожарной нагрузки выступают материалы с высокой дымообразующей способностью, достаточно контролировать состояние воздушной среды на предмет наличия в ней аэрозольных продуктов термоокислительной деструкции — частиц дыма, появляющихся при низкотемпературном термическом разложении различных горючих материалов, в том числе полимеров. Эти продукты достаточно быстро распространяются воздушными потоками и могут быть зарегистрированы пожарными извещателями, установленными на защищаемом объекте [1-5].

Аэрозоль (дым) — это аэродисперсная система, представляющая собой совокупность твердых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде. Дисперсионные аэрозоли образуются в результате измельчения или распыления исходного материала и перевода его во взвешенное состояние, конденсационные аэрозоли — вследствие объемной конденсации насыщенных паров либо газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов. Дисперсионные аэрозоли содержат значительно более крупные частицы, чем конденсационные, и в силу особенностей образования представляют собой полидисперсные системы. В конденсационных аэрозолях твердые частицы состоят из большого количества первичных частиц шарообразной или правильной кристаллической формы. Для аэродис-

персных систем характерен процесс коагуляции, под которым понимается объединение мелких частиц в более крупные под влиянием сил сцепления. При коагуляции жидких капелек образуются капли с шарообразной или эллипсоидной формой. В случае коагуляции твердых частиц образуются различные агрегаты неправильных форм с сильно развитой поверхностью, иногда их называют кластерами. В атмосфере встречаются как конденсационные, так и дисперсионные аэрозоли [1-4, 6-8].

Аэродисперсная система никогда не бывает устойчивой, поскольку в ней протекают процессы переноса воздушных масс, дисперсионные и конденсационные процессы, возникают вихревые потоки, происходит коагуляция частиц, седиментация под действием силы тяжести, испарение и пр. Все это приводит к тому, что аэрозольные измерения носят статистический характер.

Для раннего обнаружения продуктов термоокислительной деструкции наиболее перспективны дымовые пожарные извещатели, поскольку выход дымового аэрозоля на ранней стадии термического разложения материалов (до воспламенения) в 2-5 раз превышает по массе выход газообразных продуктов, а химический состав аэрозольных (дымовых) частиц не влияет наработу извещателей [1-4,7,9].

Газовые пожарные извещатели также могут оказаться весьма эффективным средством для раннего обнаружения пожароопасной ситуации. Однако они имеют существенный недостаток: они в состоянии зарегистрировать в воздушной среде лишь один или несколько конкретных газов, выделяющихся при термическом разложении материалов. Вместе с тем нет никакой гарантии, что термоокислительная деструкция в начальной стадии будет сопровождаться выделением именно тех газов, на которые реагирует конкретный газовый пожарный извещатель [1]. В связи с отсутствием выверенной методики применения газовых пожарных извещателей возникают проблемы при их эксплуатации, в частности большое количество ложных срабатываний.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили оптические дымовые пожарные извещатели [1-3, 6-8, 10]. Однако их технические характеристики не позволяют обнаружить дымовые частицы размером менее 0,2 мкм (из-за дифракции), в результате чего из анализа выпадает более 95 % аэрозольных частиц из диапазона от 0,01 до 1 мкм. Именно поэтому применение оптических пожарных извещателей для обнаружения потенциальных загораний на ранней стадии развития, а также для идентификации пожароопасной ситуации не представляется возможным [1].

Для раннего обнаружения пожароопасной ситуации можно использовать ионизационные дымовые

пожарные извещатели, так как они способны анализировать широкий спектр частиц дыма. Их действие основано на том, что дым, попадая в ионизационную камеру, уменьшает электрическую проводимость газов за счет осаждения части легких газовых ионов на частицы дыма, электрическая подвижность которых значительно меньше, чем у первых [4,6,11]. Однако они имеют ограничения по чувствительности и возможности регистрации субмикронных частиц дыма, которые по подвижности близки к газовым ионам. Кроме того, применение закрытых радиоактивных источников требует контроля радиационной безопасности и учета радиоактивных веществ. В связи с этим использование этих извещателей существенно ограничено [1].

Применение аспирационных систем обнаружения пожаров, несомненно, показало их высокую эффективность, однако их чувствительным элементом является оптопара. Кроме того, эти системы в основном зарубежного производства либо большинство их компонентов изготовлены за рубежом, что обуславливает их высокую стоимость. Исходя из взятого нашей страной курса на импортозамещение в секторе промышленности и экономики, применение данных систем в настоящее время неэффективно.

Материалы и методы

Выбор материалов для проведения экспериментов по применению электроиндукционного метода для обнаружения начала их термического разложения проводился исходя из того, что изоляция электротехнических материалов может подвергаться перегреву в связи с увеличением силы тока, протекающего по жилам кабельной продукции, из-за аварийной ситуации, возникшей при работе электрооборудования.

Электроиндукционный метод контроля параметров аэродисперсной системы позволяет непрерывно анализировать изменения в широком диапазоне спектра аэрозольных частиц и обладает высокой чувствительностью.

Электроиндукционный метод обнаружения пожароопасной ситуации заключается в том, что измеряется объемный электрический заряд исследуемого аэрозоля, который прокачивается побудителем расхода через измерительную линию, состоящую из зарядной и измерительной камер. В зарядной камере аэрозольные частицы получают электрический заряд, пропорциональный их размеру. В дальнейшем заряженные частицы, проходя через измерительную камеру, наводят на нее заряд, величина которого зависит от их размера и счетной концентрации. Величина заряда, получаемого в измерительной камере, усиливается и подвергается последу-

2 3

16 5

Рис. 1. Конструкция электроиндукционного автоматического пожарного извещателя ИП 216-М5: 1 — вентилятор; 2 — измерительная камера; 3 — высоковольтная плата; 4 — штуцер забора воздуха; 5 — зарядная камера; 6 — плата обработки

Fig. 1. Schematic of an electro-inductive automated fire detector IP 216-M5: 1 — fan; 2 — metering chamber; 3 — high voltage board; 4 — air inlet fitting; 5 — charging chamber; 6 — processing board

ющей обработке. В результате формируется тот или иной полезный сигнал.

Конструкция пожарного извещателя ИП 216-М5, реализующего электроиндукционный метод обнаружения загораний, приведена на рис. 1.

Достоверность контролируемых параметров аэродисперсной системы тем выше, чем шире диапазон размеров анализируемых аэрозольных частиц и больше объем анализируемой пробы. Эти два критерия являются очень важными для аэрозольных (дымовых) пожарных извещателей, так как они напрямую влияют на помехозащищенность от случайных сигналов и на время обнаружения пожароопасной ситуации.

Исследования естественных фоновых изменений спектров распределения аэрозольных частиц по размеру показали, что в воздушной среде постоянно присутствуют мельчайшие аэрозольные частицы размером от 0,01 мкм и менее до единиц мкм [1-3, 6,12-15]. В 1 дм3 атмосферы может находиться около 2 миллионов таких частиц (табл. 1).

Естественные изменения фоновых фракционных концентраций незначительны и представлены в табл. 2 и 3.

В случае нестандартных (нештатных) ситуаций (дым от сигареты, перегоревшего двигателя и т. п.) изменения фракционных концентраций начинают проявляться сначала в области высокодисперсных (из самых мелких фракций) аэрозолей, а затем плавно (в течение десятков минут) сдвигаются к фракциям с размером частиц 1 мкм [1].

Таким образом, для раннего обнаружения нештатной или пожароопасной ситуации необходимо следить за высокодисперсной (с размером частиц менее 0,1 мкм) частью спектра распределения частиц. Это позволит на десятки минут и более сократить

Таблица 1. Распределение аэрозольных частиц, содержащихся в 1 дм3 воздушной среды, по 8 фракциям в диапазоне от 0,01 до 1 мкм

Table 1. The distribution of aerosol particles in 8 fractions within the range of 0,01 to 1 contained within 1 dm3 cubic decimeter

Параметр Номер фракции / Fraction number

1 2 3 4 5 6 7 8

Parameter Средний диаметр частиц, мкм / Average particle diameter, p,m

0,0133 0,0237 0,0422 0,075 0,133 0,237 0,422 0,75

Среднее число частиц в 1 дм3 Average particle amount within 1 dm3 556000 556000 450000 262000 148000 60000 12000 2000

Доля фракции в общем объеме частиц, % масс. Proportion of fraction in total volume, % by mass 27 27 22 12,8 7,2 2,9 0,58 0,1

Таблица 2. Собственные колебания фоновых фракционных концентраций при отсутствии источников, выделяющих аэрозоль

Table 2. Background fractional concentrations' fluctuation when aerosol-distribution sources are absent (values are normalized

by No. 8

Параметр Номер фракции Ni Fraction number N

Parameter 1 2 3 4 5 6 7 8

Ni min /^8ср / Ni min /N8avg 139 168 136 95 59 17 2 0,26

N ср /^8ср / N avg /N8avg 278 278 225 131 74 30 6 1

Ni max /^8ср / Ni max /N8avg 537 377 317 160 103 50 11,2 2,6

Таблица 3. Собственные колебания фоновых фракционных концентраций в относительных значениях при отсутствии источников, выделяющих аэрозоль

Table 3. Relative values of background fractional concentrations' fluctuation when aerosol-distribution sources are absent

Параметр Номер фракции Nt nber N

Parameter 1 2 3 4 5 6 7 8

N /N / N /N i min i ср i min i avg 0,5 0,6 0,6 0,7 0,79 0,57 0,33 0,26

N /N / N /N i ср i ср i avg i avg 1 1 1 1 1 1 1 1

Ni max /Ni ср / Ni max /Ni avg 1,93 1,35 1,4 1,21 1,38 1,66 1,86 2,6

время обнаружения загорания дымовыми пожарными извещателями [1-3, 6, 16, 17].

Дымовые извещатели, работающие на основе электроиндукционного метода, обладают повышенной чувствительностью к высокодисперсным частицам. Это обусловлено тем, что мелкие частицы вносят самый значительный вклад в увеличение объемного суммарного электрического заряда при нестандартных или нештатных ситуациях за счет своего количества. Помимо этого, в увеличение заряда вносят свою долю и те частицы, размеры которых близки к размерам отдельных молекул. Правда, следует отметить, что зарядка их носит случайный характер, тем не менее их доля все равно значительна.

Социальный и экономический эффект от производства и внедрения электроиндукционного извеща-теля ИП 216-М5 обуславливается:

• невысокой стоимостью извещателя, которая в 5 раз ниже по сравнению с аспирационными извещателями аналогичного функционала;

• отечественным происхождением комплектующих извещателя.

Определение начальных температур термического разложения изоляционных материалов

Результаты и их обсуждение

Для решения задачи обнаружения перегрева изоляционных материалов, возникающего вследствие перегрузки оборудования, и определения температуры, при которой начинается их термическое разложение, сопровождающееся выделением аэрозоля, проведена серия экспериментов с использованием электроиндукционного пожарного извещателя.

Граничные условия эксперимента:

• помещение площадью 120 м2, с высотой потолка 3,5 м;

• температура воздуха в помещении 22 °С, атмосферное давление 754 мм рт. ст.;

• работа с выделением аэрозоля в помещении не проводится;

• в помещении работает система очистки воздуха, ведется постоянный контроль за его чистотой. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.

Нагрев образцов осуществляется в паяльной ванночке СТ-11С (рис. 3), которая на рис. 2 обозначена как плита. Перед каждым экспериментом паяльная ванночка прокаливается для выжигания случайно попавших в нее материалов. Испытуемые материалы укладываются в ванночку в предварительно прокаленной алюминиевой фольге. Максимальная температура нагрева паяльной ванночки 500 °С. Средняя скорость нагрева 45 °С/мин. Расстояние от дна ванночки до воздухозаборного отверстия извещате-ля ИП 216-М5 Н =7 см.

Масса испытуемых образцов лежит в пределах от 0,1 до 3 г. После окончания каждого эксперимента

л, <3

Аэрозоль Aerosol

Извещатель Detector

ъ

Аэрозоль Aerosol

Термопара Thermocouple

Плита Stove

С

Рис. 2. Схема размещения оборудования Fig. 2. Equipment placement scheme

остатки образца утилизируются вместе с фольгой. Массовая фоновая концентрация аэрозоля в помещении поддерживается на уровне 0,01 мг/м3.

Используемое оборудование и приборы

Контроль температуры нагрева проводится с помощью мультиметра с термопарой в режиме измерения температуры с шагом 1 °С.

Начало процесса термического разложения фиксируется электроиндукционным пожарным из-вещателем ИП 216-М5 (рис. 4).

Основные технические характеристики извеща-теля ИП 216-М5:

• размеры контролируемых частиц — от 0,01 до десятков мкм;

• рабочий диапазон по массовой концентрации аэрозоля — от 0,01 до десятков мг/м3, погрешность метода — 20 %.

В извещатель ИП 216-М5 введены следующие настройки:

• первый порог (Alarm) — 1,5 фоновых значения (0,015 мг/м3);

• второй порог (Fire) — 3 фоновых значения (0,03 мг/м3);

• временные задержки по первому порогу—3 с;

• временные задержки по второму порогу — 5 с. Температура разложения испытуемого материала определяется по показаниям термопары, чувствительный элемент которой соприкасается с нагреваемой поверхностью паяльной ванночки.

В ванночку кладется в алюминиевой фольге обезжиренный испытуемый образец материала и включается нагрев. В процессе разогрева материала наступает момент, когда начинается его термическое разложение, сопровождающееся выделением в атмосферный воздух частиц разлагающегося материала, увеличивающих массовую концентрацию аэрозоля. Когда в зоне контроля извещателя ИП 216-М5 массовая концентрация аэрозоля увеличится до

Рис. 3. Паяльная ванночка СТ-11С Fig. 3. Soldering pot ST-11S

Рис. 4. Электроиндукционный пожарный извещатель ИП216-М5

Fig. 4. Electrostatic induction fire detector IP 216-М5

Таблица 4. Температуры начала и стабилизации термического разложения материалов или образцов кабельной продукции, сопровождающегося выделением аэрозоля Table 4. Temperatures, at which thermal decomposition begins, followed by aerosol discharge

Окончание табл. 4 / End table 4

Диапазон

Группа температур Alarm-Fire, °С Образец

Group Temperature Sample

range of Alarm-Fire, °С

В C 180-190 Кабель ВВГнг(А)-Ь8 3x2,5 Cable VVGng(A)-LS 3х2.5

(180220 °С) 180-200 Пенопласт Styrofoam

180-207 Провод TELECOM CRTSE FTR 24AW3 TIA/EIA Wire TELECOM CRTSE FTR 24AW3 TIA/EIA

184-193 Полиэтилен, пленка Polyethylene

190-198 Кабель канал Cablechannel

190-205 Оргстекло Plexiglass

190-226 Труба металлопластиковая Metal-plasticpipe

194-200 Полипропилен Polypropylene

198-203 Провод Севкабель ПВС, изоляция на проводниках PVS Sevkabel wire, insulation on conductors

200-220 Кабель Транскаб КМЭПнг(А)-ОТ 3x0,5 Cable Transkab KMEPng(A)-HF 3x0.5

200-236 Кабель Транскаб DATABUSSF/ UTRh^A^HF 1x2x0,90 Cable Transkab DATABUSSF/ UTRng(A)-HF 1x2x0.90

202-212 Труба гофрированная, серая Corrugated pipe, grey

207-218 Труба ПВХ, прозрачная PVC pipe, transparent

217-220 Кабель Транскаб DATABUSSF/ UTRh^-HF 1x4x0,9 Cable Transkab DATABUSSF/ UTRng(A)-HF 1x4x0.9

Г D 230-243 Труба гофрированная, черная Corrugated pipe, black

(свыше 220 °С) 302-325 Провод МГТФ-0,2 Wire MGTF-0,2

1,5 фоновых значений в течение не менее 3 с, извеща-тель срабатывает по первому порогу (Alarm). В этот момент фиксируется начало термического разложения испытуемого образца, а по показаниям термопары определяется начальная температура разложения.

Группа Диапазон температур Alarm-Fire, °С Образец

Group Temperature range of Alarm-Fire, °С Sample

A A (100140 °С) 100-134 Бумага термостойкая Heat resistant paper

113-127 Хлопчатобумажная ткань Cotton fabric

115-143 Древесина, сосна Wood, pine

134-140 Воздухозаборная труба аспираци-онных извещателей Aspiration detectors' intaketube

Б 140-170 Утеплитель ИЗОВЕР

B Heater IZOVER

(140180 °С) 146-180 Поролон Foam rubber

146-198 Провод KПСЗнг(A)-FRLS 2x2 Wire KPSZng(A)-FRLS 2x2

150-180 Древесина, дуб Wood, oak

154-187 Древесина, осина Wood, aspen

155-162 Провод ШВВП Wire ShVVP

156-190 Кабель KCPBm(A)-FRLSLTx 1x2x0,80 Cable KSRVng(A)-FRLSLTx 1x2x0.80

156-200 Кабель Parlans/ftrcat 6a 4x2x0,57 Cable Parlans/ftrcat 6a 4x2x0.57

164-170 Картон Cardboard

169-170 Резина Rubber

170-173 Труба ПВХ армированная, прозрачная PVC pipe reinforced, transparent

170-175 Провод Севкабель ПВС, внешняя изоляция PVS Sevkabel wire, external insulation

172-175 Винипласт Viniplast

179-187 Кабель KПKPBГнг(A)-FRLS 4x0,75 Cable KPKRVGng(A)-FRLS 4x0.75

Таблица 5. Температура начала термического разложения материалов tT р и температура их самовозгорания tc в Table 5. Temperatures, at which thermal decomposition begins thhdand auto ignition temperatures for following materials to!

№ п/п Alarm-Fire Образец гг.р, °С 'с.в> °С

1 Бумага термостойкая Heat resistant paper 100-134 230

2 Древесина, сосна Wood, pine 115-143 270

3 Поролон Foam rubber 146-180 450

4 Древесина, дуб Wood, oak 150-180 250-300

5 Древесина, осина Wood, aspen 154-187 275

6 Картон Cardboard 164-170 278

7 Резина Rubber 169-170 350

8 Винипласт Viniplast 172-175 >600

9 Пенопласт Styrofoam 180-200 491

10 Полиэтилен, пленка Polyethylene, film 184-193 350-422

11 Оргстекло Plexiglass 190-205 280-300

12 Полипропилен Polypropylene 194-200 350

13 Труба ПВХ, прозрачная PVC pipe, transparent 207-218 454

14 Провод МГТФ-0,2 Wire MGTF-0.2 302-325 537-600

Затем, если продолжается рост массовой концентрации аэрозоля и когда она достигает не менее 3 фоновых значений в течение не менее 5 с, извещатель срабатывает по второму порогу (Fire), подтверждая положительную динамику роста термического разложения испытуемого образца. По показаниям термопары определяется второе значение температуры, которое предопределяет наличие устойчивого процесса термического разложения.

Температуры, при которых начинается термическое разложение материалов и образцов кабельной продукции, приведены в табл. 4-6.

Медленно развивающаяся пожароопасная ситуация может нести достаточно серьезную опасность, поскольку "нагрев любых материалов ниже температур их самовозгорания сопровождается выделением токсичных газов и подготовкой этих материалов к последующему интенсивному горению" [18-20].

Испытуемые материалы в табл. 4 расположены в порядке возрастания их начальной температуры термического разложения, определяемой по срабатыванию первого порога (Alarm). Это означает увеличение массовой концентрации аэрозоля в зоне, контролируемой извещателем ИП 216-М5, до 0,015 мг/м3. Срабатывание второго порога (Fire) при массовой концентрации аэрозоля 0,03 мг/м3 определяет верхнюю границу начального температурного диапазона термического разложения.

Разница между этими температурами характеризует интенсивность термического разложения материала. Так, например, у образца воздухозаборной трубы аспирационных пожарных извещателей эта разница составляет 6 °С, резины — 1 °С, кабеля Транскаб PATCHSF/UTRCATSE 4x2x0.78 — почти 100 °С.

Это говорит о том, что одни материалы при нагреве сразу начинают интенсивно разлагаться, а у других интенсивность термического разложения растет только при значительном увеличении температуры нагрева [10, 21].

Анализируя данные, приведенные в табл. 5, приходим к следующему заключению: практически у всех материалов разница между температурой самовоспламенения и начальной температурой термического разложения превышает 200 °С, а значит, обнаружение потенциального очага пожара возможно задолго до появления открытого пламени.

Температуры начала термического разложения кабелей, сопровождающегося выделением аэрозоля i^, приведены в табл. 6.

Результаты этой серии экспериментов и анализа данных, приведенных в табл. 5 и 6, показывают, что начальные температуры термического разложения некоторых кабелей настолько низкие, что их использование должно иметь ограниченный характер. Медленно разлагающийся кабель — это потенциальный источник пожара, поскольку неисправность электрической проводки является одной из основных причин загорания.

Выводы

Практически все горючие материалы имеют разницу между температурой самовоспламенения и начальной температурой термического разложения более 200 °С. Следовательно, обнаружение потенциального очага пожара возможно заранее, до появления открытого пламени.

Практически все испытуемые материалы при нагреве от 100 до 200 °С подвергаются термическому разложению, сопровождающемуся выделением аэрозольных частиц, которые могут быть обнаружены электроиндукционным пожарным извещателем.

Таблица 6. Температуры начала термического разложения кабелей, сопровождающегося выделением аэрозоля Table 6. Temperature of cables' initial thermal decomposition, followed by aerosol discharge

№ п/п Образец Sample t op 'т.р' p

Внутренняя оболочка KP3Hr(A)-FRHF Inner shell KREng(A)-FRHF 133-144

2 Внешняя оболочка KP3ir(A)-FRHF Outer shell KREng(A)-FRHF 134-137

3 Изоляция проводника KPot(A)-FRHF Conductor insulation KRng(A)-FRHF 144-158

4 Внешняя оболочка KPot(A)-FRHF Outer shell KRng(A)-FRHF 145-149

5 Кабель KP^^-FRm Cable KRng(A)-FRHF 150-156

6 Изоляция проводника KPSot(A)-FRHF Conductor insulation KREng(A)-FRHF 154-160

7 ^бель KPЭнг(A)-FRHF Cable KREng(A)-FRHF 175-184

8 ^бель Транскаб DATABUSSF/ UTRmlAFHF 1x2x0,90 Cable Transkab DATABUSSF/ UTRng(A)-HF 1x2x0.90 60-83

9 ^бель K^B^^-FRFS 4x1,5(N) Cable KPRVGng(A)-FRFS 4x1.5(N) 80-82

10 Внешняя оболочка KПPПГнг(A)-FRHF 2x1,5(N) Outer shell KPRPGng(A)-FRHF 2x1.5(N) 90-97

11 Kабель KПKPBГнг(A)-FRFS 4x0,75 Cable KPKRVGng(A)-FRLS 4x0.75 106-115

12 Изоляция проводника KCPBнг(A)-FRLSLTx 1x2x0,80 Conductor insulation KSRVng(A)-FRFSLTx 1x2x0.80 107-114

13 Провод одножильный многопроволочный Транскаб ШМнг^-ОТ 1,50 Single corewire Transkab KMPng(A)-HF 1.50 110-119

14 Kабель Транскаб DATABUSSF/ UTRm-(A)-HF 1x4x0,9 Cable Transkab DATABUSSF/ UTRng(A)-HF 1x4x0.9 115-118

15 Внешняя оболочка Паракс PK 75-4,8-319^^)-^ Outer shell Paraks RK 75-4.8-319ng(A)-HF 117-123

16 Kабель Транскаб PATCHSF/ UTRCAT-SEZHнг(A)-HF 1x4x0,78 Cable Transkab PATCHSF/ UTRCATSEZHng(A)-HF 1x4x0.78 117-127

17 Kабель KOT^^^-FRm 2x1,5(N) Cable KPRPGng(A)-FRHF 2x1.5(N) 121-126

18 Изоляция проводника KOT^^^^R^ 2x1,5(N) Conductor insulation KPRPGng(A)-FRHF 2x 1.5(N) 122-129

19 Внешняя оболочка Parlans/ftrcat 6a 4x2x0,57 Outer shell Parlans/ftrcat 6a 4x2x0.57 128-133

Окончание табл. 6 / End table 6

№ п/п Образец t 'т.р, p Ell

20 Внутренняя оболочка KПPПГнг(A)-FRHF 2x1,5(N) Inner shell KPRPGng(A)-FRHF 2x1.5(N) 134-140

21 Изоляция проводника Parlans/ftrcat 6a 4x2x0,57 Conductor insulation Parlans/ftrcat 6a 4x2x0.57 136-144

22 Изоляция проводника Паракс PK 75-4.8-319rntA)-HF Conductor insulation Paraks RK75-4.8-319ng(A)-HF 137-142

23 Внешняя оболочка KCPBнг(A)-FRLSLTx 1x2x0,80 Outer shell KSRVng(A)-FRFSFTx 1x2x0.80 140-145

24 Изоляция проводника Parlans/ftrcat 5EZHнг(A)-FRHF 4x2x0,57 Conductor insulation Parlans/ftrcat 5EZHng(A)-FRHF 4x2x0.57 148-164

25 Kабель Parlans/ftrcat 6a 4x2x0,57 Cable Parlans/ftrcat 6a 4x2x0.57 151-156

26 Kабель KCPBнг(A)-FRLSLTx 1x2x0,80 Cable KSRVng(A)-FRFSFTx 1x2x0.80 153-159

27 Внешняя оболочка Parlans/ftrcat 5EZHнг(A)-FRHF 4x2x0,57 Outer shell Parlans/ftrcat 5EZHng(A)-FRHF 4x2x0.57 166-172

28 Kабель Паракс PK 75-4.8-319нг(A)-HF Cable Paraks RK 75-4.8-319ng(A)-HF 174-176

29 Kабель ВВГнг^)^ 3x2,5 Cable VVGng(A)-FS 3x2.5 188-190

30 ^бель Parlans/ftrcat 5EZHнг(A)-FRHF 4x2x0,57 Cable Parlans/ftrcat 5EZHng(A)-FRHF 4x2x0.57 199-204

Целый ряд наименований электротехнических материалов и кабельной продукции имеет настолько низкие начальные температуры термического разложения, что в ряде случаев их использование должно носить ограниченный характер.

Электроиндукционные пожарные извещатели способны обнаруживать аэрозольные продукты термического разложения различных материалов при их массовой концентрации менее 0,1 мг/м3, что позволяет обеспечить качественно более высокий уровень пожарной безопасности.

Электроиндукционный метод контроля параметров аэродисперсной системы, реализованный в из-вещателе ИП 216-М5, следует рассматривать как эффективное дополнение к существующим методам и технологиям обнаружения пожаров, применяемым в системах пожарной сигнализации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солонько В. А., Шабардин А. Н., Колесник В. А., Григорьев В. С., Григорьев И. В. Возможность раннего обнаружения пожароопасной ситуации на судах и береговых объектах флота // Морской вестник. — 2008. — № 3(27). — C. 57-61.

2. ГригорьевВ. С., Григорьев И. В., Михаленков С. В., Шабардин А. Н. Раннее обнаружение пожароопасной ситуации // Судостроение. — 2008. — № 3(778). — C. 44-47.

3. Григорьев В. С., Григорьев И. В. Аэрозоли и связь их физических параметров с пожароопасной ситуацией // Алгоритм безопасности. — 2017. — № 1. — C. 60-63.

4. Шаровар Ф. И.Пожаропредупредительная автоматика. —М.: Специнформатика-СИ, 2013. —556 с.

5. Nemalidinne S. M., Gupta D. Nonsubsampled contourlet domain visible and infrared image fusion framework for fire detection using pulse coupled neural network and spatial fuzzy clustering // Fire Safety Journal. —2018. — Vol. 101. —P. 84-101. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.08.012.

6. Пат. 2406155 Российская Федерация, MnKG08B 17/00 (2006.01). Способ обнаружения пожароопасной ситуации / Григорьев В. С., Григорьев И. В., Солонько В. А., Шабардин А. Н. — № 2007140204/08; заявл. 30.10.2007; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34.

7. АрутюнянД. М. Новые технологии гарантированного предотвращения пожаров / Под общ. ред. Ф. И. Шаровара. — М. : Специнформатика-СИ, 2014. — 232 c.

8. КутузовВ. В., МинкинД. Ю., Терехин С. Н., ОсмановШ. А., Талировский К. С. Методы и технологии обнаружения пожара: монография / Под общ. ред. В. С. Артамонова. — СПб.: Астерион, 2015.

9. КутузовВ. В., Саратов Д. Н., Терехин С. Н., Филиппов А. /.Производственная и пожарная автоматика. Установки и системы пожарной автоматики / Под общ. ред. В. С. Артамонова. — СПб.: Астерион, 2014. — 272 с.

10. A case study in security big data analysis/RSA Conference 2012. URL: http://darkreading.com/moni-toring-a-case-study-in-security-big-data-analys/232602339 (дата обращения: 10.05.2018).

11. Малинин В. Р., Климкин В. И., Аникеев С. В., Коробейникова Е. Г., Винокурова Н. Г., Кожевникова Н. Ю., Мельник А. А., Родионов В. А. Теория горения и взрыва : учеб. / Под общ. ред. В. С. Артамонова. — СПб. : Астерион, 2009. — 280 с.

12. Magalie C., Anne-Sophie C., Rodolphe S., Laurent F., Emmanuelle G., Christian L. Fire behaviour of electrical cables in cone calorimeter: Influence of cables structure and layout // Fire Safety Journal. — 2018.—Vol. 99.—P. 12-21. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.05.001.

13. Вогман Л. П., Корольченко И. А., Хрюкин А. В. Определение условий самовозгорания отложений паров горючих жидкостей в воздуховодах вентиляционных систем // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety.— 2016.— Т. 25, № 8.—С. 34-41.DOI: 10.18322/PVB.2016.25.08.34-41.

14. Барботько С. Л., Вольный О. С. Оценка тепловыделения при горении электрических кабелей // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety.—2016.—Т. 25, № 11. — С. 35-44. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.35-44.

15. Смелков Г. И. Пожарная безопасность электропроводок. — М. : Кабель, 2009. — 328 c.

16. LyonR. E., FulmerM., Walters R., Crowley S. Effect ofairflow and measurement method on the heat release rate of aircraft cabin materials in the Ohio State University apparatus // Technical Report DOT/FAA/TC-TN15/34. — Federal Aviation Administration, William J. Hughes Technical Center Airport and Aircraft Safety, 2016. — 20 p.

17. EinhornI.N., ChatfieldD.A., VoorheesK. J., HilemanF. D., MickelsonR. W., IsraelS. C., FutrellJ. H., Ryan P. W. A strategy for analysis of thermal decomposition of polymeric materials // Fire Safety Journal. — 1977. — Vol. 1, Issue 1. —P. 41-56. DOI: 10.1016/0379-7112(77)90007-8.

18. Chow W. K., Han S. S. Heat release rate calculation in oxygen consumption calorimetry // Applied Thermal Engineering. —2011. —Vol. 31, Issue 2-3. —P. 304-310. DOI: 10.1016/j.applthermaleng. 2010.09.010.

19. Aven T. Risk assessment and risk management: Review of recent advances on their foundation // European Journal of Operational Research. — 2016. — Vol. 253, Issue 1. — P. 1-13. DOI: 10.1016/j.ejor.2015.12.023.

20. Sornette D., Maillart T., Kroger W. Exploring the limits of safety analysis in complex technological systems // International Journal of Disaster Risk Reduction. — 2013. — Vol. 6. — P. 59-66. DOI: 10.1016/j.ijdrr.2013.04.002.

21. HeH., ZhangQ., WangX., Wang F., Zhao L., Zhang Y. The influence of currents on the ignition and correlative smoke productions for PVC-insulated electrical wires // Fire Technology. — 2017. — Vol. 53, Issue 3. — P. 1275-1289. DOI: 10.1007/s10694-016-0634-y.

Материал поступил в редакцию 24 мая 2018 г.

Для цитирования: Григорьев И. В., Кутузов В. В., Безруков В. А., Корольков А. П., Османов Ш. А. Электроиндукционный метод контроля параметров аэродисперсной системы и раннего обнаружения термического разложения кабельной продукции и других материалов // Пожаровзры-вобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2018. — Т. 27, № 12. — С. 37-48. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.12.37-48.

= English

ELECTROSTATIC INDUCTION METHOD IN CONTROLLING PARAMETERS OF AERO DISPERSION SYSTEMS AND EARLY DETECTING THERMAL DECOMPOSITION IN CABLE PRODUCTS AND OTHER MATERIALS

I. V. GRIGORIEV, Inventor

V. V. KUTUZOV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Fire Safety of Buildings and Fire Protection Automated Systems, Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia

V. A. BEZRUKOV, Candidate of Technical Sciences, Docent, Associate Professor of Faculty of information Technology Security, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

A. P. KOROLKOV, Candidate of Technical Sciences, Professor of Department of System Analysis and Anti-Crisis Management, Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia

Sh. A. OSMANOV, Inspector of Department of Informational Support of Population and Information Support Technology of Emergency Control and Fire Safety Department, Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia

ABSTRACT

Introduction. For the sake of early detection of potential combustion it's expedient to apply methods, which utilize the analysis of curvature within indirect physical parameters of the area, such as aerosol and gaseous combustion products, represented by aero dispersion systems.

Problem formulation. Aero dispersion system can never be sustainable, reason being there are air mass transfer in progress, dispersion and condensation processes, vortex flows occur, particle coagulation takes place, sedimentation under the weight of gravity, evaporation and etc.

Materials and methods. Electric induction method of monitoring the parameters of aero dispersion systems implemented in the IP 216-M5 detector, allow for continuous analysis of changes within a wide spectrum of aerosol particles and possess higher sensitivity comparing to other sensor types.

The choice of materials was based on the fact, that insulation of electrotechnical materials may be subject to overheat because the increase in the electrical load current flowing within cable products through the conductors due to the emergency state of electrical equipment.

Equipment used and appliances. The heating temperature was controlled using a multimeter with a thermocouple, in the temperature-measuring mode in increments of one degree.

The electrostatic induction fire detector IP 216-M5, fixes the beginning of the process of thermal decomposition.

The decomposition temperature of the test material is determined by the data of a thermocouple, the sensitive element of which is in contact with the heated surface of the solder bath.

Conclusion. It was experimentally proved that the electrostatic induction method for controlling aerosol systems makes it possible to detect aerosol products of thermal decomposition in different

materials with their lower concentration of less than 0.1 mg/m3 10-20 minutes before ignition of the insulation within an electric cable.

The relationship between the auto-ignition temperature and the initial temperature of the thermal decomposition of the insulating sheath of electrical cables has been proven — this temperature gap is 200 °C.

Keywords: thermal decomposition; aerosol; insulation; detector; smoke particles; dispersed medium analysis.

REFERENCES

1. V. A. Solon'ko, A. N. Shabardin, V. A. Kolesnik, V. S. Grigoriev, I. V. Grigoriev. The possibility of early detection of fire dangerous situations on vessels and fleet shore installations. Morskoy vestnik / Sea Vestnik, 2008, no. 3(27), pp. 57-61 (in Russian).

2. V. S. Grigoryev, I. V. Grigoryev, S. V. Mikhalenkov, A. N. Shabardin. Early detection of fire hazard situation. Sudostroenie / Shipbuilding, 2008, no. 3(778), pp. 44-47 (in Russian).

3. V. S. Grigoriev, I. V. Grigoriev. Aerosols and the connection of their physical parameters to a fire hazard situation. Algoritm bezopasnosti / Security Algorithm, 2017, no. 1, pp. 60-63 (in Russian).

4. F. I. Sharovar. Pozharopredupreditelnaya avtomatika [Automatic fire prevention]. Moscow, Spets-informatika-SI Publ., 2013. 556 p. (in Russian).

5. S. M. Nemalidinne, D. Gupta. Nonsubsampled contourlet domain visible and infrared image fusion framework for fire detection using pulse coupled neural network and spatial fuzzy clustering. Fire Safety Journal, 2018, vol. 101, pp. 84-101. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.08.012.

6. V. S. Grigor'ev, I. V. Grigor'ev, V. A. Solon'ko, A. N. Shabardin. Methodfor detecting fire hazard. Patent RU, no. 2406155, publ. date 10.12.2010, Bull. no. 34 (in Russian).

7. D. M. Arutyunyan. Novyye tekhnologiigarantirovannogopredotvrashcheniyapozharov [New technologies of guaranteed prevention of fires]. Moscow, Spetsinformatika-SIPubl., 2014.232p. (inRussian).

8. V. V. Kutuzov, D. Yu. Minkin, S. N. Terekhin, Sh. A. Osmanov, K. S. Talirovskiy. Metody i tekhnologii obnaruzheniya pozhara. Monografiya [Methods and technologies of fire detection. Monograph]. Saint Petersburg, Asterion Publ., 2015 (in Russian).

9. V. V. Kutuzov, D. N. Saratov, S. N. Terekhin, A. G. Filippov. Proizvodstvennaya ipozharnaya avtomatika. Ustanovki i sistemypozharnoy avtomatiki [Production and fire automatics. Installations and systems of fire automatics]. Saint Petersburg, Asterion Publ., 2014. 272 p. (in Russian).

10. A case study in security big data analysis. RSA Conference 2012. Available at: http://darkreading.com/ monitoring-a-case-study-n-security-big-data-analys/232602339 (Accessed 10 May 2018).

11. V. R. Malinin, V. I. Klimkin, S. V. Anikeev, E. G. Korobeynikova, N. G. Vinokurova, N. Yu. Kozhevni-kova, A. A. Melnik, V. A. Rodionov. Teoriya goreniya i vzryva [Theory of combustion and explosion]. Saint Petersburg, Asterion Publ., 2009. 280 p. (in Russian).

12. C. Magalie, C. Anne-Sophie, S. Rodolphe, F. Laurent, G. Emmanuelle, L. Christian. Fire behaviour of electrical cables in cone calorimeter: Influence of cables structure and layout. Fire Safety Journal, 2018, vol. 99, pp. 12-21. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.05.001.

13. L. P. Vogman, I. A. Korolchenko, A. V. Khryukin. Determination of the self-ignition conditions for sediments of combustible liquid vapours inside air pipes of ventilating systems. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2016, vol. 25, no. 8, pp. 34-41. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.08.34-41.

14. S. L. Barbotko, O. S. Volnyy. Heat release assessment at burning electric cables. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2016, vol. 25, no. 11, pp. 35-44. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.35-44.

15. G. I. Smelkov. Pozharnaya bezopasnost elektroprovodok [Fire safety of wirings]. Moscow, Kabel Publ., 2009. 328 p. (in Russian).

16. R. E. Lyon, M. Fulmer, R. Walters, S. Crowley. Effect of airflow and measurement method on the heat release rate of aircraft cabin materials in the Ohio State University Apparatus. In: Technical Report DOT/FAA/TC-TN15/34. Federal Aviation Administration, William J. Hughes Technical Center Airport and Aircraft Safety, 2016. 20 p.

17. I. N. Einhorn, D. A. Chatfield, K. J. Voorhees, F. D. Hileman, R. W. Mickelson, S. C. Israel, J. H. Futrell, P. W. Ryan. A strategy for analysis of thermal decomposition of polymeric materials. Fire Safety Journal, 1977, vol. 1, issue 1, pp. 41-56. DOI: 10.1016/0379-7112(77)90007-8.

18. W. K. Chow, S. S. Han. Heat release rate calculation in oxygen consumption calorimetry. Applied Thermal Engineering, 2011, vol. 31, issue 2-3, pp. 304-310. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2010.09.010.

19. T. Aven. Risk assessment and risk management: Review of recent advances on their foundation. European Journal ofOperational Research, 2016, vol. 253, issue 1,pp. 1-13. DOI: 10.1016/j.ejor.2015.12.023.

20. D. Sornette, T. Maillart, W. Kroger. Exploring the limits of safety analysis in complex technological systems. International Journal of Disaster Risk Reduction, 2013, vol. 6, pp. 59-66. DOI: 10.1016/j.ijdrr.2013.04.002.

21. H. He, Q. Zhang, X. Wang, F. Wang, L. Zhao, Y. Zhang. The influence of currents on the ignition and correlative smoke productions forPVC-insulated electrical wires. Fire Technology, 2017, vol. 53, issue 3, pp. 1275-1289. DOI: 10.1007/s10694-016-0634-y.

For citation: I. V. Grigoriev, V. V. Kutuzov, V. A. Bezrukov, A. P. Korolkov, Sh. A. Osmanov. Electrostatic induction method in controlling parameters of aero dispersion systems and early detecting thermal decomposition in cable products and other materials. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2018,'vol. 27,no. 12,pp. 37-48 (inRussian). DOI: 10.18322/PVB.2018.27.12.37-48.

ООО "Издательство «ПОЖНАУКА"

предлагает Вашему вниманию Учебное пособие

Холщевников Б. В. Корольченко Д. А. ПарфёненкоА. П.

ЭВАКУАЦИЯ ЗРИТЕЛЕЙ ИЗ СПОРТИВНО-ЗРЕЛИЩНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНУТРЕННЕГО

ТРАНСПОРТА

М. : Изд-so "ПОЖНАУКА". — 88 с.

Впервые в практике архитектурно-строительного преподавания рассмотрена методология учета важнейшего функционального процесса — движения людских потоков с использованием эскалаторов и лифтовых установок при различных режимах эксплуатации зданий, включая чрезвычайную ситуацию пожара, на примере реального объекта с большим количеством

находящихся в нем людей.