Е.Г. Сайдулин,
Директор ООО «ЭТРА-спецавтоматика»

Опишу ситуацию, с которой многие сталкивались. Вечер. А может быть день, утро или ночь. Вдруг гаснет освещение, телевизор, замолкает холодильник. В подъезде слышны взволнованные голоса соседей. Выглядываешь… А подъезд полон дыма, воняет горелой изоляцией. У кого-то загорелся распределительный щиток… Приезжают пожарные, что-то тушат. Приезжают электрики, что-то делают. Вечер (ночь, день, утро – нужное подчеркнуть) солидно испорчен…

Повреждения в распределительном электрическом щите возникают постепенно, медленно. Ослабевающие винтовые соединения кабелей, «подгорающие» контакты автоматических выключателей из-за кратковременных перегрузок и перекосов фаз, приводят к тому, что сопротивление контакта возрастает, как следствие растёт температура контакта. Поскольку подводимая мощность для локального автомата является бесконечной, не уменьшается при росте снимаемой с автомата мощности, то поддерживать нагрев есть чем и такая ситуация может быть очень длительной. Поэтому при локальном нагреве мест соединения кабеля и автомата, контактов автомата происходит тепловое разложение оболочки кабеля, пластмассовых деталей корпуса автомата, так называемая термическая деструкция.

Условлюсь сразу, что хотя пишу «электрический распределительный щит», речь идёт в том числе и кабельных каналах, стойках автоматики и т.п.. Просто не хочется каждый раз перечислять всё подряд. И ещё. Курсивом выделено то, что обычно пишут мелким шрифтом, уточнения.

Термическая деструкция — это процесс разрушения макромолекул под влиянием повышенных температур.

Процесс термической деструкции полимеров представляет собой совокупность гомогенных и гетерогенных химических реакций и фазовых превращений, сопровождающихся обычно поглощением тепла и потерей массы за счёт выделения летучих продуктов разложения [1].

В итоге электрический компонент разрушается, возможно, с появлением высоких температур. Не исключены и серьёзные последствия – пожар в помещениях.

Итак, каковы условия эксплуатации оборудования, установленного в электрическом распределительном щите.

• подводимая мощность ограничена пропускной способностью подводимых электрических цепей и, гораздо больше той, которая снимается со стороны нагрузки автоматического выключателя. В данной ситуации можно рассматривать источник электроснабжения как шины бесконечной мощности.

Шины бесконечной мощности - узел электрической сети, в котором амплитуда и фаза напряжения и частота заданы и остаются неизменными при любых изменениях нагрузки сети.

• процесс подгорания контактов медленный, может длиться месяцами, возобновляться при увеличении энергопотребления и прекращаться при минимизации нагрузки;
• при подгорании контактов, увеличении протекающего тока, коммутации нагрузки происходит нагрев внутреннего объёма электрического щита и температура эксплуатации может превышать температуру окружающего воздуха на 8-10 градусов и более;
• как следствие «плохих контактов» возрастает уровень электромагнитных широкополосных помех;
• электрические щиты закрыты и представляют собой объем с ограниченным притоком воздуха (прошу не путать с герметичным объёмом, в котором процесс пожара закончился бы сразу при выгорании кислорода);
• электрические щиты нельзя назвать чистой зоной, пыль оседает годами, до очередного планового (или не планового) ремонта.

Что полагается делать с загоревшимся электрическим щитом, что об этом говорят специалисты:

Константин Белоусов, Всероссийское добровольное пожарное общество: «Если щиток дымит и искрит, то в первую очередь необходимо его обесточить. Это можно сделать при помощи деревянной, сухой швабры, лыжей или обычной палки. На безопасном расстоянии выключите все тумблеры. Ни в коем случае нельзя заливать водой. Если вы решили погасить пламя самостоятельно, то воспользуйтесь углекислотным огнетушителем» [2]. 

Пожарно-технический минимум: «Обнаружив, что загорелись электрические сети, необходимо в первую очередь обесточить электропроводку в квартире, а затем выключить общий рубильник на щите ввода. Выключив ток, следует приступить к тушению очагов огня, применив для этого огнетушитель, воду, песок.» [3].

То есть алгоритм следующий: обнаружить пожар, затем отключить питание, потом тушить. Это логично, в условиях неограниченной мощности питающего источника тушить ДО отключения напряжения все равно, что заливать лужу бензина, к которой непрерывно подтекает речка горючего.

Обнаружение пожара в электрооборудовании.

До поры, до времени изменения в электрооборудовании допустимы, укладываются в нормальное эксплуатационное старение. Все устройства не идеальны, но когда будет превышен допустимый порог неидеальности – происходит авария, в нашем случае с возможным пожаром. Тем не менее, до этого порога любая сработка будет расцениваться как ложная.

Поэтому обнаруживать пожар нужно не дожидаясь, что «щиток дымит и искрит», по тлению, но вместе с тем не сигналить попусту.

Основной тип изоляции, используемый в силовых кабелях, это поливинилхлорид и полиэтилен, в корпусах автоматических выключателей – поливинилхлорид и АБС-пластик.

Характерным признаком повреждения и предстоящего возгорания кабеля является нагрев металлических жил с последующим нагревом и деструкцией оболочки кабеля.

Повышение температуры гарантировано при нагреве проводников и горении газовых продуктов деструкции оболочки кабеля.

Дымообразующая способность горящей изоляции определяется добавками к полимерному материалу изоляции кабелей.

При термической деструкции полимеров выделяется большое количество различных газообразных продуктов.

Поливинилхлорид – горючий материал. Температура воспламенения 390 °С, самовоспламенения 454 - 495 °С. При температуре выше 170 °С начинается процесс разложения на хлористый водород (до 21 % массы исходного материала), окись и двуокись углерода. Количество выделенных летучих веществ достигает 65 % массы материала на основе поливинилхлорида.

Полиэтилен – горючий материал. Температура плавления 300 °С, воспламенения 306 °С, самовоспламенения 417 °С.

При деструкции полиэтилена выделяются бутилен, н-бутан, пропан, этан, пептан и др.

Кроме того, в продуктах разложения присутствуют: окись углерода (до 12%), водород (до 10%), углекислый газ (до 1,6%).

Обязательным компонентом газообразных продуктов сгорания синтетических полимеров является окись углерода (угарный газ) СО. Он обладает высокими токсичными свойствами, выделяется в значительных количествах при горении любых углеродосодержащих веществ.

Вследствие того, что угарный газ СО всегда обнаруживается в продуктах пиролиза синтетических материалов, он относится к группе «Пожарных маркеров», появление которых свидетельствует о тлении и горении [4].

Количества СО, которые выделяются при сгорании полимеров, % масс.:

Полиэтилен высокого давления	8,94 – 12,12
Полипропилен	9,65 – 10,94
Полистирол	7,6 – 12,0
Поливинилхлорид	12,56 – 18,91
Поликарбонат	15,86 – 17,22
Полиметилакрилат	16,40 – 20,57

Расположение датчиков: 1-3 – пол, 0,5 м  от стены; 2-3 – стена, 1,8 м от пола; 3-3 – стена, 3,0 м от пола; 4-3 – потолок, 0,8 м от стены; 5-3 – потолок, 2,0 м от стены; 6-3 – высота подвеса 1,5 м, от стены 1,0 м.

В качестве газоанализатора использовался многоканальный регистратор производства ООО «Дельта-С» модель «Кассандра».

Рис.1. Выделение угарного газа СО при горении полиуретана (200 грамм) в огневой камере. Поджог от горящего спирта.

Таким образом, признаками пожара в щите могут служить материалы термической деструкции кабелей:

• газообразные материалы, выделяющиеся из оболочки кабеля, а именно HCl, CO, CO₂;
• температура, повышающаяся при горении продуктов выделения из оболочки кабеля;
• дым.

Особенность динамики заполнения объёма электрического щита продуктами горения определяется тем, что объём замкнут, приток воздуха ограничен, процесс нагрева и деструкции медленный. Как следствие, заполнение будет значительно более равномерным и более ламинарным, чем в помещении.

Естественно, при технических возможностях обнаружения пожара нет необходимости дожидаться возгорания щита, нужно предотвратить пожар при тлении. В этом случае ремонт электрооборудования будет минимальным и, быть может, ограничится тем, что нужно будет подтянуть винты соединений.

Кроме того, сам характер процесса нагрева токоведущих частей и изоляции, а также то, что приток воздуха в электрический щиток ограничен, определяет то, что основным, наиболее длительным процессом является тление.

Значит обнаружение зарождения пожара на стадии тления – является наиболее важной задачей пожарного извещателя.

В этом случае, именно вследствие последовательности процессов тления с термической деструкцией, возгорания с активным выделением тепла, газообразных веществ, дыма – наиболее эффективным является обнаружение пожара по изменению химического состава воздуха [5]. Обращу внимание, что я говорю пока что не о характеристиках ИПГ и ИПД, а именно об опережающем развитии выделения газов при тлении и горении по сравнению с дымовыделением. Дальше дело техники: определите физико-химический процесс и к нему можно сочинить соответствующий датчик, который использует все плюсы этого процесса.

В качестве примера обнаружения пожара по тлению возьму результаты сравнительных испытаний извещателей пожарных газовых и извещателей пожарных дымовых, проведённых во ВНИИПО МЧС России в 2012 году. Испытания проводились в стандартной огневой камере.

В эксперименте на пожар более слабый, чем ТП-9 (тление без свечения хлопка) в качестве очага пожара выбран фитиль хлопчатобумажный по п.А.10. ГОСТ Р 53325. Однако для усложнения задачи из фитиля взято только 9 нитей из 80-ти. Весь эксперимент длился 2468 сек.

В процессе эксперимента ни один из дымовых ИП не сработал. Из всех ИПГ сработало 68%.

Подробнее об этих испытаниях можно прочесть в [6].

Расположение датчиков: 1-3 – пол, 0,5 м  от стены; 2-3 – стена, 1,8 м от пола; 3-3 – стена, 3,0 м от пола; 4-3 – потолок, 0,8 м от стены; 5-3 – потолок, 2,0 м от стены; 6-3 – высота подвеса 1,5 м, от стены 1,0 м.

В качестве газоанализатора использовался многоканальный регистратор производства ООО «Дельта-С» модель «Кассандра».

Расположение ИОПД-5: 1-2 – стена, 1,8 м от пола; 2-2 – стена, 3,0 м от пола; 3-2 – потолок, 0,8 м от стены; 4-2 – потолок, 2,0 м от стены.

Рис.2 – Графики изменения концентрации СО мг/м³  и оптической плотности дыма дБ/м в эксперименте 9.

Характер распространения дыма привязан к мощности тепловой конвективной колонки, при малой мощности очага пожара мощности тепловой колонки недостаточно для транспортирования  частиц дыма к ИПД, что приводит к уменьшению количества сработавших ИПД и увеличению времени срабатывания.

Как показали результаты испытаний газовые пожарные извещатели (ИПГ) реагируют быстрее на факторы пожара в начальной стадии (тлеющий очаг).

В процессе тления или горения с ограниченным доступом к очагу кислорода температура очага пожара растёт медленно, вплоть до стабилизации температуры. Поэтому в продуктах газовыделения преобладает угарный газ.

И дополнение к свойствам ИПГ.

Как уже говорилось выше, электрические щиты отнюдь не самое чистое место, пыли в них достаточно. Общеизвестно, что пыль приводит в негодность дымовые ИП, несмотря на все ухищрения с регулировкой чувствительности. Как, в своё время рекомендовал Г.С.Альтшуллер: «нужно смотреть под разными углами». Если вы не можете определить достоверно что-либо в рамках существующего процесса – смените процесс на тот, который позволит вам сделать это достоверно. Выбор обнаружения по газу решает вопрос работы в запылённом воздухе вследствие физических принципов. Почему? Сошлюсь на свою же статью [7], где я популярно рассказал о принципах работы ИПГ.

Вывод. Извещатель пожарный газовый обеспечивает обнаружение пожара на стадии тления по материалам термической деструкции полимерных оболочек и деталей электрооборудования электрического щита в условиях длительной запылённости извещателя.

Отключение электрической нагрузки.

Для коммутации нагрузки в щитке используются автоматы, которые имеют механический переключатель, встроенную тепловую защиту от перегрузки.

После того, как извещатель обнаружил пожар, нужно отключить нагрузку.

Можно выдать световое, звуковое извещение, после чего «при помощи деревянной, сухой швабры, лыжей или обычной палки» отключить нагрузку механическим переключателем автомата. Тоже рабочий вариант.

Можно сделать это принудительно: автоматические выключатели отключать  с помощью расцепителей, от однополюсного до 4-х полюсного.

Расцепитель – устройство, механически связанное с автоматическим выключателем или встроенное в него, которое освобождает удерживающее приспособление в механизме автоматического выключателя, инициируя его автоматическое размыкание.

Независимый расцепитель применяют в цепи управления автоматического выключателя. Он предназначен для дистанционного управления автоматическим выключателем, его используют в тех случаях, когда необходимо дистанционно отключать какие-то электрические цепи с помощью автоматического выключателя.

После подачи напряжения на цепь управления независимого расцепителя его электромагнитный механизм воздействует на удерживающее приспособление автоматического выключателя, инициируя размыкание контактов его главной цепи. Управляющий сигнал для независимого расцепителя может быть сформирован вручную, например, с помощью кнопочного выключателя с замыкающим контактом, или сгенерирован каким-либо коммутационным или электронным устройством, выполняющим роль датчика, по выполнению каких-то предопределённых условий, например, по обнаруженному пожару сигнал для расцепления может быть подан пожарным извещателем.

После дистанционного отключения автоматического выключателя с помощью независимого расцепителя его включение проводят вручную.

Независимые расцепители, выпускаемые для автоматических выключателей бытового назначения, могут иметь цепь управления переменного тока напряжением 12–415 В и постоянного тока напряжением 12–220 В [8].

Для бытовых электрических щитов часто применяются расцепители независимые РН-47 и аналогичные. Расцепитель инициируется подачей на катушку напряжения 0,7-1,1 Uпит импульсом не более 10 с, ток до 5А. Питающее напряжение ~220В/50Гц.

Все выше изложенное - подробное объяснение, как для решения задачи защиты щитов электроснабжения и автоматики был сконструирован извещатель пожарный комбинированный (газ, тепло) ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит», о чем думали конструкторы, выбирая тот или иной путь решения. Цель размышлений есть конкретное изделие, решающее конкретную задачу.

Извещатель «Эксперт Щит» предназначен для обнаружения возгорания и отключения силовых автоматов или иных средств автоматики по факту тления и горения.

Извещатель «Эксперт Щит» реагирует на признаки пожара, извещает об этом внешний приемно-контрольный прибор и самостоятельно инициирует отключение силовых цепей энергопотребления или иных средств автоматики.

Цель - сохранение силового электрооборудования или минимизация его повреждения при возгорании в щите вводных кабелей, автоматов и прочее отключением цепей нагрузки, т.е. уменьшением токов, протекающих через силовое оборудование.

Аналогичную задачу извещатель решает при управлении иными средствами автоматики.

По выбранным признакам пожара извещатель ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» обнаруживает пожар по превышению порога СО (от 21 до 80 ppm) или порога температуры (по выбранному температурному классу А2 или В).

Почему извещатель сделали комбинированным, вроде б так долго и хорошо рассказывал о газовом канале, тлении и т.д. Дело в том, что нельзя исключить быстро развивающийся высокотемпературный пожар. В этом случае обнаружение по теплу – это «последний довод королей». В извещателе использовали только максимальные температурные классы, поскольку в электрическом щите происходят броски температуры как в увеличение, так и в снижение. Связано это с нормальной работой электрооборудования при увеличении и снижении тока нагрузки, при этом возможна ложная сработка дифференциальных тепловых извещателей.

Рис.3. Извещатель ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит»,
расцепитель РН-47, автоматический выключатель ВА-47.

Для удобства монтажа ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» собирается в корпусе для установки на DIN-рейку типа ТН-35 (наиболее распространённый типоразмер).

Питание извещателя от сети 220В/50Гц (что охраняем, от того и питаемся). Аккумулятора нет, т.к. при отключении электроснабжения извещателю контролировать нечего.

В извещателе ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» используется полупроводниковый сенсор, что обеспечивает требуемый срок жизни устройства и работу в условиях электромагнитных воздействий.

В качестве сенсора температуры используется цифровой термометр.

Управление расцепителем или иным внешним устройством осуществляется с помощью реле, что обеспечивает гальваническую развязку между извещателем и исполнительным устройством.

Для управления расцепителем извещатель ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» держит контакты управления  расцепителя  разомкнутыми  в  дежурном режиме и замыкает по сработке на время 2-3 с.

Нагрузочная способность контактов реле обеспечивает коммутацию ~240В 5А в течение 10 с.

Извещатель контактами оптоэлектронного реле подключается к стандартному ПКП, различающему состояния «Норма», «Разрыв контактов», «Короткое замыкание ШС».

Есть возможность подключения выносного светодиода.

Извещатель минимально обслуживается, срок эксплуатации 10 лет.

ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» сертифицирован на соответствие Техническому регламенту о требованиях пожарной безопасности, номер сертификата C-RU.ПБ02.00327 от 26.02.2014.

Тушение пожара в электрооборудовании.

После отключения нагрузки извещателем ИП101/435-3-Р «Эксперт Щит» возможно, что и тушения не потребуется, лишь осмотр и мелкий ремонт.

Вместе с тем, введение в систему автоматического огнетушителя сделало бы АСПС завершённой.

Конструкция автоматического огнетушителя должна быть недорогой, с длительным сроком эксплуатации, устройство должно быть необслуживаемым.

Существуют интересные инженерные решения самосрабатывающих порошковых и газовых огнетушителей. Например, пиростикеры, которые устанавливаются, точнее наклеиваются, внутри электрического шкафа. При нагреве пиростикер выбрасывает порцию ГОТВ, что должно приводить к ликвидации пожара. Не буду встревать в дискуссию, насколько безопасен или опасен газ, выделяемый пиростикером. Однако всё это достаточно просто рассчитывается и компания, выпускающая пиростикер должна позаботиться о том, чтобы рассеять подозрения.

Собственно, есть и другие средства тушения.

Вопрос в другом, может ли эффективно огнетушитель прекратить пожар без отключения питания нагрузки? Попытки тушения без отключения нагрузки не могут гарантировать тушения пожара. Не буду рассматривать способы тушения пожара, однако при непрерывном подведении электроэнергии, без отключения, электроэнергия будет частично переходить в форму тепловой энергии. И это будет происходить до тех пор, пока протекание тока не прекратится, прекратится тепловыделение. Отключение автоматов, разрыв линии питания приводит к тому, что до какой-то степени система становится замкнутой, тогда с пожаром можно бороться.

Вывод. Что предлагается в качестве решения защиты электрооборудования от пожара и разрушения:

• обнаружить пожар (по превышении установленного порога угарного газа СО, выделяемого при тлении и горении, по превышению установленного порога температуры извещатель ИП101/435-1-А1/2 «Эксперт Щит» формирует тревожное извещение);
• отключить нагрузку (извещатель «Эксперт Щит» непосредственно управляет независимым расцепителем, отключая ток в нагрузку, либо по тревожному извещению от извещателя «Эксперт Щит» внешний ПКП проводит оповещение, возможно управление автоматическими выключателями);
• провести осмотр и устранение неисправности (по отключению необходимо разобраться в причинах отключения и устранить неисправность);
• либо провести тушение автоматическое или ручное (извещатель «Эксперт Щит» инициирует устройство пожаротушения).