Газовое пожаротушение электрических шкафов

Газовое пожаротушение электрических шкафов
(журнал «Грани безопасности» №5 (88)|2015)

Игорь Неплохов, к.т.н.,
технический директор «Пожтехника» по ПС

Антон Анненков,
исполнительный директор «Пожтехника»

Ежегодно по причине нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования возникает более 40 000 пожаров, с прямым материальным ущербом более 4 миллиардов рублей. По числу пожаров это вторая причина с небольшим отставанием от неосторожного обращения с огнем. Значительный ущерб наносят пожары электрощитов и электрошкафов.

Рис. 1.
Электрический шкаф после пожара

Выгорание в шкафу электротехнического оборудования и кабеля (рис. 1), приводят к отключению электропотребителей на продолжительное время. Это определяет значительные материальные потери из-за остановки функционирования предприятия. Эффективная противопожарная защита электрических шкафов обеспечивается при использовании автономных газовых установок пожаротушения. По разъяснению ВНИИПО п. 8 в таблице А.4 Приложения А свода правил СП5.13130.2009   следует трактовать следующим образом: «Электрощиты и электрошкафы (в том числе распределительных устройств), расположенные в помещениях класса функциональной пожарной опасности Ф1.11), имеющие объем менее 0,1 м3 подлежат защите АУПС, имеющие объем 0,1 м3 и более подлежат защите АУПТ».
1) Перечисленное оборудование подлежит защите автономными установками пожаротушения.

По определению, приведенному в своде правил СП5.13130.2009, автономная установка пожаротушения - это «Установка пожаротушения, автоматически осуществляющая функции обнаружения и тушения пожара независимо от внешних источников питания и систем управления».

Выбор типа ГОТВ по безопасности

В качестве газовых огнетушащих веществ (ГОТВ) в системах пожаротушения по СП5.13130 возможно использование двуокись углерода CO2, инерген, хладоны 23, 125, 227ea и Фторкетон ФК-5-1-12 (Новек1230). Поскольку тушение электрощитов и электрошкафов автономными установками газового пожаротушения производятся в присутствии персонала, то при выборе типа ГОТВ необходимо учитывать огнетушащую способность, диэлектрические характеристики и безопасность для человека.

Двуокись углерода CO2 до сих пор не редко применяется в системах пожаротушения из-за его дешевизны несмотря на опасность этого газа для людей. При тушении с помощью CO2 создается огнетушащая концентрация порядка 35%, за счет этого вытесняется кислород и горение не может продолжаться. Опасная для жизни человека концентрация CO2 составляет 10%. При пуске двуокиси углерода CO2 в защищаемом объеме резко понижается температура, что при определенной влажности может вызвать образование конденсата, что не допустимо при тушении электрооборудования под напряжением. Инерген содержит из 52 % (об.) азота N2 , 40 % (об.) аргона Ar и  8 % (об.) двуокиси углерода CO2.  Нормативная объемная огнетушащая концентрация для инергена составляет 36,5%, а предельно допустимая концентрация ГОТВ, при которой не наблюдается вредных воздействий на человека NOAEL составляет 43%. при рабочей концентрации. Для Инергена можно отметить малый запас между рабочей концентрацией и NOAEL, кроме того Инерген хранится в баллонах под высоким давлением (250-300 бар), что добавляет потенциальную опасность, как для оборудования так и для персонала. Взрыв баллона с Инергеном в Музее естественных наук в Турине привел не только к уничтожению экспонатов музея, но и к разрушению перекрытий. Только по счастливой случайности не погибли люди поскольку взрыв произошел в 5 часов утра.

Хладоны, несмотря на общее название и похожие химические формулы веществ, оказывают различное влияние на человека. Наиболее распространенный Хладон 125 имеет величину NOAEL 7,5 % при огнетушащей концентрации 9,8%, то есть при тушении в помещении для персонала данное ГОТВ опасно, при тушении шкафов большого объема тоже может быть опасно. В 2008 году Санкт-Петербургским филиалом ФГУ ВНИИПО МЧС России были проведены стендовые испытания хладонов 125, 227еа и 318, где оценивалась безопасность ГОТВ на лабораторных мышах и крысах. При пуске Хладона 125 “в режиме пожаротушения” не выжило не одной мыши из испытуемой группы, крыс выжило 60%. Хладон 227еа в эксперименте ФГУ ВНИИПО МЧС России, показал лучшие результаты на мышах: 100% мышей выжило, но крыс погибло 50%. Величина NOAEL для Хладона 227еа составляет 9%, что не на много превышает огнетушащую концентрацию равную 7,2%. Кроме того, Хладон-125 имеет потенциал глобального потепления, равный 2 800, а  Хладон 227еа - равный 2 900, они сохраняются в атмосфере более 30 лет и  по Киотскому протоколу запрещены к применению с 2017 года.

Хладон 23 из всей группы хладонов имеет наибольшее отношение NOAEL к огнетушащей концентрации, величина NOAEL равна 30%, а огнетушащая концентрация 14,6%. Но Хладон 23 не может применяться для тушения электротехнического оборудования, в заключении Центра по безопасности культурных ценностей присутствует фраза: «…следует ограничить его непосредственный контакт с открыто хранящимися предметами… выполненными из меди и медных сплавов». Кроме того, Хладон 23 имеет огромный потенциал глобального потепленияравный 11 700, сохраняется в атмосфере около 270 лет! и по Киотскому протоколу запрещен к применению с 1 января 2015 года.

Фторкетон ФК-5-1-12 имеет NOAEL 10% при огнетушащей концентрации 4,2%. Таким образом даже при применении повышающего коэффициента К4 = 2,25 концентрации ГОТВ по СП5.13130 коэффициент безопасности – отношение NOAEL к расчетной огнетушащей концентрации (ОТК) остается больше 1, в отличии всех других типов ГОТВ (Таблица 1). Безопасность Фторкетона ФК-5-1-12 также была подтверждена экспериментально на лабораторных животных во ВНИИ Гигиены РЖД, при испытаниях выжили все животные. Кроме того, Фторкетон ФК-5-1-12 имеет минимальный потенциал глобального потепленияравный 1, в атмосфере под воздействием ультрафиолета разрушается в течении 3 – 5 суток, в зависимости от солнечной активности. Естественно, в отличии от хладонов, Фторкетон ФК-5-1-12  не подпадает под ограничения по Киотскому протоколу.

1 ОТК – огнетушащая концентрация, об. % согласно СП 5.13130.2009.

2 Расчетная концентрация с применением повышающих коэффициентов К4  1,3 и 2,25 согласно СП 5.13130.2009.

 3 NOAEL - предельно допустимая объемная концентрация ГОТВ, при которой не наблюдается вредных воздействий на человека, об. %.

4 Коэффициент безопасности – отношение NOAEL к расчетной ОТК с применением повышающего коэффициента К4 = 1,3.

5 Коэффициент безопасности – отношение NOAEL к расчетной ОТК с применением повышающего коэффициента К4 = 2,25.

6 Только при применении нормативной ОТК, при концентрации кислорода ниже 16% возникает асфиксия.

Также при оценке безопасности газовых огнетушащих веществ обсуждается их опасность при наличии очага с высокой температурой, хотя обычно большее воздействие на людей и оборудование оказывают продукты горения. Но и разложение ГОТВ в процессе пожаротушения приводит к выделению опасных для человека веществ. Исследованиями установлена следующая закономерность: количество выделяющихся веществ тем больше, чем меньше молекулярная масса исходного ГОТВ. Все рассматриваемые ГОТВ имеют один реакционный центр на молекулу. Чем больше молекулярная масса, тем меньше количество реакционных центров на общее количество ГОТВ. Хладон 23 имеет минимальную молекулярную массу, больше – Хладон 125, еще больше Хладон 227еа и самую большую молекулярную массу имеет ФК-5-1-12 (Новек1230). Соответственно количество выделяющегося фтористого водорода HF в сопоставимых условиях термического разложения Хладона 23 почти в 10 раз больше, чем для Хладона 125 и в 100 раз выше, чем для Хладона 227еа. При разложении Novec1230 выделение фтористого водорода HF значительно ниже. Степень воздействия на людей при термическом разложении хладонов и  фторкетона приведена в Таблице 2.

Свойства Фторкетона ФК-5-1-12

При комнатной температуре фторкетона ФК-5-1-120 находится в жидком состоянии, вблизи точки кипения равной 49,2°C, поскольку температура замерзания равна минус 108,0°C. Благодаря этому ФК-5-1-12 (Новек1230) быстро испаряется и в Интернете легко найти множество роликов с демонстрацией его свойств в нормальных условиях под названием «Сухая вода».  Давления его паров достаточно, чтобы концентрация реагента в воздухе быстро достигла уровня, необходимого для тушения огня. При 25°C концентрацию паров ФК-5-1-12 (Новек1230) можно довести до 39% по объему, прежде чем будет достигнуто насыщение. Типичная концентрация, необходимая для тушения пожара, в большинстве ситуаций находится в диапазоне 4-6% объема защищаемой зоны. Такая большая разница между проектной концентрацией и концентрацией насыщения показывает, что конденсация паров происходить не будет. В части электробезопасности у Фторкетона ФК-5-1-12 (Новек1230) величина относительной диэлектрической прочности, в 2,3 раза выше, чем у осушенного азота, что позволяет использовать его для защиты электрооборудования с рабочим напряжением до 48 кВ.

При тушении газовый огнетушащий состав ФК-5-1-12  в большей степени, на 70% использует эффект охлаждения (отбора тепловой энергии у цепной реакции горения, с незначительным понижением температуры в защищаемом помещении – не более 2-3°С) и в значительно меньшей степени эффект ингибирования, порядка 30%. Тушение за счет охлаждения, а не вытеснения кислорода исключительно важно при тушении кабеля. При нагревании 1кг пластиката поливинлхлорида ПВХ выделяется около 600 л дымовых газов, в которых хлористый водород HCl составляет примерно 54-58%. При соединении такого количества паров хлористого водорода с водяным паром образуется 2 л концентрированной (25%) соляной кислоты, которая вызывает коррозию электрических контактов и разрушает оборудование. Выделение хлористого водорода из поливинлхлорида начинается уже при повышении температуры до 100°С, при температуре 210°С – плавится, а при температуре 300°С около 85% хлористого водорода HCl переходит из изоляции кабеля в газообразное состояние. При тушении с использованием у Фторкетона ФК-5-1-12 происходит снижение температуры кабеля и прекращается выделение хлористого водорода. Тушение посредством понижения концентрации кислорода не оказывает никакого влияния на уровень выделения хлористого водорода при перегреве кабеля и не препятствует разрушению изоляции кабеля.

Классификация автономных установок газового шкафного пожаротушения АУШТ

Эффективную защиту от возгораний в электрических шкафах обеспечивает автономная установка газового пожаротушения. Принцип действия установки основан на автоматическом срабатывании модуля при обнаружении перегрева в шкафу. Термочувствительная трубка пожаротушения проложена в месте расположения защищаемого оборудования и находится под давлением газового огнетушащего вещества (рис. 2). При повышении температуры до порога срабатывания трубка расплавляется и происходит выпуск ГОТВ непосредственно в область возгорания. Причем длина трубки может достигать 10 м, что позволяет защитить одной установкой F-Line одновременно несколько электрических шкафов. Для контроля герметичности системы в дежурном режиме предусмотрен манометр. Наличие шарового крана обеспечивает максимальное удобство монтажа трубки при отсутствии давления в ней. После выпуска газа срабатывает реле давления и сигнал «Пожар» поступает в пожарную систему. Кроме того, установка не требует источников питания и, таким образом, полностью соответствует определению автономной установки пожаротушения по своду правил СП5.13130.2009.

Рассмотрим варианты построения таких установок на примере оборудования серии F-Line. По принципу действия установки подразделяются на два типа: прямого действия и непрямого (косвенного) действия. В установке прямого действия выпуск газового огнетушащего вещества производится непосредственно из термочувствительной трубки в месте ее разрушения при нагреве.  Причем длина трубки может достигать 10 м, что позволяет защитить одной установкой F-Line несколько шкафов. Доступно несколько типов полимерной трубки на различную температуру срабатывания для эксплуатации в различных условиях. В установке непрямого действия для выпуска ГОТВ используется медная трубка с установленным на ее конце насадком. Запуск системы производится при разрушении термочувствительной трубки в случае обнаружения повышения температуры посредством открытия клапана запорно-пускового устройства модуля и выпуска ГОТВ через насадок в защищаемый объем. Максимальная длина медной трубки 3 м, есть  возможность использования двух насадков для тушения двух раздельных отсеков.

Рис. 2. Конструкция АУШТ F-Line: 1 – баллон с ГОТВ; 2 – термочувствительная трубка;

3 – манометр; 4 - шаровой кран; 5 – реле давления

Доступно множество комплектаций установок прямого и непрямого действия, отличающихся по расположению модуля (вертикальное или горизонтальное), объему баллона (1 л или 2 л), а также различной дополнительной комплектацией (дополнительные реле давления, манометры).  Определение оптимальной комплектаций установки F-Line производится при рассмотрении технического задания на систему пожаротушения с учетом условий эксплуатации. В качестве огнетушащего вещества используется ГОТВ ФК-5-1-12 (Новек 1230), находящегося под давлением газа-вытеснителя (осушенный азот).

Автономная установка газового шкафного пожаротушения АУШТ F-Line предназначена для тушения очагов пожаров классов А, В, С по ГОСТ 27331 и электрооборудования, находящегося под напряжением. Установка является полностью автономной и не требует подвода электропитания. Основными объектами защиты установкой АУШТ F-Line являются закрытые электротехнические, электрические, серверные и коммуникационные шкафы, а также шкафы управления.

Структура обозначения модуля имеет следующий вид: 

АУШТ F-Line aa b с -d,

где:

-      aa - условный типоразмер используемого модуля и количества ГОТВ: 

01 - модуль 1л, 1кг ГОТВ; 02 - модуль 2л, 2кг ГОТВ;

-      b - тип установки: П - прямого действия; Н - непрямого действия с установленным непосредственно на модуль насадком; Т - непрямого действия с использованием дополнительной трубной разводки и насадка;

-      с - наличие на модуле реле давления Р;

-      d - горизонтальное исполнение модуля Г.

Например, тип АУШТ F-Line 02ПР-Г означает модуль 2 л прямого действия с реле давления, горизонтальный.

Дополнительно к модулю можно приобрести следующие комплектующие: реле давления, индикаторы давления (устанавливаются в виде оконечных устройств трубки обнаружения), кронштейны крепления модуля, насадки для выпуска ГОТВ, медную трубку для прокладки трубопроводной сети, фитинги для медной трубки, трубки обнаружения на различные температуры срабатывания (F-Line Tube 100, F-Line Tube 150, F-Line Tube 400), фитинги и крепежные элементы для трубки обнаружения, а также готовые комплекты трубки обнаружения с фитингами для использования в установках прямого действия (F-100-2, F-100-5, F-100-10, F-150-2, F-150-5, F-150-10, F-400-2, F-400-5, F-400-10 (100/150/400 - тип трубки обнаружения; 2/5/10 - длина трубки в метрах). В каждый комплект входит минимально необходимое количество фитингов для присоединения трубки к модулю и последующего использования установки.

Конструкция установки АУШТ F-Line обеспечивает работоспособность в тяжелых условиях эксплуатации, в запыленных средах и в различных климатических условиях.