Линейный тепловой извещатель

Игорь Неплохов
технический директор
ГК «Пожтехника»
по ПС, канд. техн. наук.
Антон Анненков
исполнительный директор
ГК «Пожтехника»

Линейный тепловой извещатель
(журнал «Грани безопасности» №5 (83)|2014)

Применение, физика процесса и проблемы выбора
На рынке пожарного оборудования представлен широкий выбор различных марок термокабеля зарубежных и отечественных производителей с различными техническими характеристиками. Из рекламных материалов не всегда понятно, как различные материалы проводников и оболочки термокабеля влияют на эксплуатационные характеристики линейного теплового извещателя в виде термокабеля и на его долговечность. В статье рассматриваются вопросы обеспечения точности локализации очага при изменении температуры окружающей среды, защита от химически агрессивных реагентов и эксплуатация термокабеля при низких температурах. Статья предназначена для широкого круга специалистов не равнодушных к пожарной безопасности.

Рис. 1.
Конструкция термокабеля:
1 – свитые проводники;
2 – термочувствительный полимер;
3 – внутренняя оболочка;
4 – наружная защитная оболочка

Линейный тепловой извещатель, а проще термокабель, незаменим в зонах с тяжелыми условиями эксплуатации, с повышенной или пониженной температурой, химически агрессивной средой, высокой влажностью и загрязнением, а также для защиты протяженных сооружений и наружных установок. Это предприятия нефтегазового комплекса, металлургические и химические производства, предприятия по переработке древесины, цементные и углеобогатительные предприятия, электростанции, мощные трансформаторы и кабельные сооружения, автомобильные и железнодорожные тоннели и так далее. В отличии от других типов пожарных извещателей конструкция линейного теплового извещателя в виде термокабеля позволяет защищать оборудование путем контроля повышения его температуры при непосредственном контакте с объектом. Таким образом, защищаются нефтехранилища, мощные трансформаторы, кабельные трассы и др. В настоящее время термокабель получил широкое распространение благодаря надежности работы в тяжелых условиях, простоте монтажа, отсутствию затрат на техническое обслуживание и рекордному сроку службы – более 25 лет.

Рис. 2.
Цвет оболочки определяет
тип термокабеля

Принцип действия
Оригинальный термокабель был изобретен более 80 лет назад и до сих пор производится в США, причем первые образцы термокабеля эксплуатируются без отказов и ложных срабатываний на объектах уже более 70 лет с ежегодным тестированием. Он представляет собой кабель с витыми проводниками изготовленными из стали специального сплава, изолированные термочувствительным полимером в защитной оболочке (рис. 1). При достижении температуры срабатывания термочувствительный полимер расплавляется, продавливается проводниками и они замыкаются между собой, что приводит к изменению сопротивления термокабеля и позволяет обнаружить очаг перегрева.
Современный термокабель сохранил принцип действия, но значительно продвинулся в спектре используемых технологий и материалов. В зависимости от типа полимера может быть получена температура сработки термокабеля равная 57°С, 68°С, 88°С, 105°С, 138°С и даже 180°С. И даже выпускается трехжильный термокабель на два порога срабатывания, на 68°С и на 93°С. Для удобства использования термокабель выпускается в оболочке различного цвета в зависимости от температуры срабатывания с маркировкой ее значения и типа оболочки по всей длине термокабеля (рис. 2).

Рис. 3.
Точечный тепловой извещатель защищает
площадь радиусом 3,54 м максимум

Размещение термокабеля
В соответствии с требованиями раздела 13.7 свода правил СП 5.13130.2009 с изменениями № 1 "Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования" термокабель должен располагаться под перекрытием либо в непосредственном контакте с пожарной нагрузкой, максимальное расстояние между частями термокабеля не должны превышать 4–5 м, а расстояния от стен – соответственно 2–2,5 м в зависимости от высоты защищаемого помещения и расстояние от чувствительного элемента извещателя до перекрытия должно быть не менее 25 мм, при стеллажном хранении материалов допускается прокладывать чувствительный элемент извещателей по верху ярусов и стеллажей.
В случае плоского горизонтального перекрытия, при отсутствии препятствий для распространения воздушных потоков каждый тепловой точечный извещатель, как и точечный извещатель, защищает площадь в виде круга в горизонтальной проекции. При расстановке чувствительных элементов через 5 м в помещении высотой до 3,5 м, средняя площадь, контролируемая одним сенсором, составляет 25 кв. м, а радиус защищаемой площади равен 2,5 м х √2 = 3,54 м (рис. 3).

Рис. 4.
Линейный тепловой извещатель
защищает площадь шириной 7 м

У линейного теплового извещателя каждая точка на всей его протяженности является чувствительным элементом. Соответственно линейный тепловой извещатель защищает зону, ширина которой в √2 больше шага расстановки точечных извещателей. В наших нормах это положение не учитывается, и, при размещении термокабеля на нормативных расстояниях, защищаемые площади соседних участков накладываются (рис. 4). Можно также отметить, что зарубежные стандарты определяют значительно большую площадь, защищаемую линейными тепловыми извещателями, например, по американскому стандарту UL ширина защищаемой термокабелем площади равна 15,2 м, по требованиям FM – 9,1 м.
При защите термокабелем помещений, подпадающих под действие свода правил СП 5.13130.2009 его длина не может превышать порядка 400 – 500 м поскольку в разделе 13.2 «Требования к организации зон контроля пожарной сигнализации» определено требование: «одним шлейфом пожарной сигнализации с пожарными извещателями … не имеющими адреса, допускается оборудовать зону контроля, включающую: … до десяти изолированных и смежных помещений суммарной площадью не более 1600 м2…». Однако при достаточно точном определении расстояния до очага по сути обеспечивается выполнение требования адресности участков термокабеля, что позволяет увеличить длину термокабеля на одном шлейфе ППКП до нескольких километров.

Рис. 5.
Интерфейсный модуль с реле
и со светодиодной индикацией

Подключение термокабеля к ППКП
Не рекомендуется, а во многих случаях не допускается подключать термокабель непосредственно к приемно-контрольному прибору (ППКП). Во-первых, необходимо обеспечить корректную работу шлейфа ППКП при срабатывании термокабеля. При срабатывании термокабеля вблизи прибора, из-за малого сопротивления термокабеля прибор будет фиксировать неисправность, как при коротком замыкании шлейфа, а при срабатывании термокабеля на большом расстоянии из-за значительного сопротивления термокабеля шлейф может остаться в дежурном режиме. Для согласования термокабеля с ППКП на практике используются специальные интерфейсные модули, которые кроме того еще обеспечивают защиту от электромагнитных помех и гальваническую развязку между термокабелем и шлейфом ППКП, что особенно важно при защите оборудования с высокими уровнями электромагнитных полей, например, при защите мощных высоковольтных трансформаторов, генераторов, кабельных сооружений и просто при значительной длине термокабеля, или при наружном размещении. По требованиям п. 13.15.14 СП 5.13130.2009 «Не допускается совместная прокладка шлейфов пожарной сигнализации … с линиями напряжением 110 В и более в одном коробе, трубе, жгуте, замкнутом канале строительной конструкции или на одном лотке», следовательно, при защите силовых кабелей использование интерфейсных модулей для защиты шлейфа ППКП обязательно.

Рис. 6.
Интерфейсный модуль с индикацией длины 1929 м
термокабеля до очага

В простейшем варианте интерфейсный модуль обеспечивает светодиодную индикацию режима работы одного линейного теплового извещателя и формирует на ППКП сигналы "Пожар" и "Неисправность" посредством переключения контактов реле (рис. 5). Более сложные модули позволяют подключить два термокабеля и индицируют расстояние до очага вдоль термокабеля в метрах, которое определяется по сопротивлению до точки короткого замыкания термокабеля (рис. 6). Соответственно, точность локализации очага определяется не столько характеристиками измерителя сопротивления модуля, но в большей степени нестабильностью сопротивления термокабеля и соединительного кабеля при изменении условий окружающей среды.
На сегодняшний день в России около 85% рынка занимает оригинальный термокабель с проводниками из специального сплава стали, примерно 15% делят изделия из самых разных стран, от Великобритании до Китая, использующие сходный принцип срабатывания – замыкание двух проводников при нагреве полимерной оболочки при достижении заданной температуры. Характерно, что практически все изготовители этих изделий утверждают, что «добились значительного снижения удельного сопротивления» своих версий термокабеля, за счет применения различных сплавов и комбинаций металлов, чаще всего, меди и никеля. При этом производитель оригинального «родного» термокабеля зачем-то применяет стальной сплав с высоким удельным сопротивлением. Случайно ли это? Очевидно, что нет. Чтобы разобраться – перейдем к «физике процесса».

Рис. 7.
Подключение термокабеля 1 к интерфейсному
модулю 3 при помощи соединительного
кабеля 2 и коммутационных коробок А и В

Для удобства монтажа термокабель прокладывается только в защищаемой зоне, а подключение к интерфейсному модулю производится стандартным медным кабелем с использованием коммутационных коробок (рис. 7). Причем, если при подключении к интерфейсному модулю без измерителя длины сопротивление соединительного кабеля может ограничиваться величиной 100 Ом, то при измерении длины его сопротивление должно быть значительно меньше. Например, если максимальное сопротивление кабеля равно 18 Ом, а удельное сопротивление термокабеля 0,6 Ом/м, то для юстировки «нулевой» точки отсчета длины термокабеля необходимо обеспечить возможность коррекции шкалы измерителя на величину равную 18 Ом: 0,6 Ом/м = 30 м, т.е. иметь диапазон корректировки от 0 до 30 м. Если используется низкоомный термокабель с удельным сопротивлением порядка 0,2 Ом/м, то диапазон корректировки должен быть увеличен до 90 м.

Но главное, при этом учитывается зависимость изменения сопротивления меди от температуры (Таблица 1). Повышение температуры на 10°С вызывает увеличение сопротивления медных проводников примерно на 4%, а изменение температуры на 50°С, например с +20°С до -30°С – уже на 20%. При сопротивлении соединительного медного кабеля 100 Ом, изменение его сопротивления при наружной прокладке может достигать 20 Ом. И если удельное сопротивление термокабеля равно 0,2 Ом/м, то ошибка измерения расстояния до места сработки термокабеля составит 100 м. Аналогичный эффект, только в гораздо больших масштабах, проявляется при использовании меди в проводниках самого термокабеля.
Легко заметить, что высокоомные сплавы, например нихром, константан, манганин имеют слабую зависимость сопротивления от температуры. При изменении температуры на 10°С их сопротивление практически не изменяется, и даже при изменении на 50 °С отличается меньше, чем на 1% (Таблица 1). В противоположность у низкоомных металлов: никеля, меди, бронзы, серебра и обычной стали зависимость от температуры повышается в десятки раз что делает невозможным измерение расстояния сработки низкоомного термокабеля при изменении температуры. Для меди при изменении температуры на 50 °С (от +20°С до -30 °С), при длине проводников 3 км ошибка может достигать 600 м, а для никеля ошибка на 3 км составит 880 м (!!!). Таким образом, низкоомный термокабель, с медью и никелем отличается высокой величиной погрешности измерения и не позволяет определить точное место срабатывания в протяженной зоне. По причинам максимальная длина термокабеля, независимо от удельного сопротивления, ограничивается величиной 3000 или 10000 футов.
Тип оболочки термокабеля
В зависимости от условий эксплуатации используется термокабель с оболочкой из различного материала: ПВХ, полимерная оболочка, оболочка из полипропилена и фторполимерная оболочка. Возможность эксплуатации термокабеля в химически агрессивных средах проверяется при ускоренных испытаниях при высоких концентрациях химических реактивов. Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладает термокабель с высококачественной огнестойкой оболочкой из фторполимера с пониженным дымо- и газовыделением (Таблица 2). Если термокабель с ПВХ, полимерной или полипропиленовой оболочкой необходимо выбирать в зависимости от возможных воздействий тех или других химических соединений, то термокабель со фторполимерной оболочкой может применяться практически в любых агрессивных средах, при наличии ульрафиолетового излучения и в условиях экстремально низких температур до - 60 °С.

Очевидно, что технические и эксплуатационные характеристики термокабеля определяются как типом оболочки, так и материалом проводников. И в заключение необходимо отметить еще одну специфическую особенность - принцип действия термокабеля определяет необходимость сохранения упругости проводников в течении всего срока службы. Потеря упругости пары проводников – это отказ термокабеля: слабое сдавливание термочувствительного полимера, не обеспечит замыкания проводников при достижении температуры срабатывания. Но эта важнейшая характеристика – надежность - у новых типов термокабеля будет определена только в процессе эксплуатации в ближайшем будущем. И хорошо, если отказ обнаружится при тестировании, а не при пожаре.