Технология CTI - революция в мире термокабеля

Технология CTI - революция в мире термокабеля
(журнал «Грани безопасности» №4 (87)|2015)

Игорь Неплохов, к.т.н.,

технический директор ГК «Пожтехника» по ПС

Антон Анненков,

исполнительный директор ГК «Пожтехника»

Извещатель пожарный тепловой линейный или термокабель уже более 70 лет обеспечивает высокоэффективную противопожарную защиту в зонах с тяжелыми условиями эксплуатации, с повышенной или пониженной температурой, с химически агрессивной средой, высокой влажностью и загрязнением, во взрывоопасных зонах, а также для защиты протяженных, до нескольких километров, 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. В отличие 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.

В настоящее время термокабель получил широкое распространение благодаря его незаменимости и высокой надежности работы в тяжелых условиях, простоте монтажа, отсутствию затрат на техническое обслуживание и рекордному сроку службы – более 25 лет. Хорошо известен и недостаток термокабеля, который определяется его конструкцией: короткое замыкание проводников при механическом повреждении вызывает ложное срабатывание. Так вот, спустя 80 лет после изобретения классического пожарного термокабеля был изобретен термокабель без ложных срабатываний при коротком замыкании в отсутствии пожара.

Конструкция термокабеля

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

Конструктивно традиционный термокабель состоит из двух идентичных проводников из стали длиной до 2 – 3 км, изолированных по всей длине термочувствительным полимером в защитной оболочке, свитых по длине (рис. 1). При его нагреве до температуры срабатывания термочувствительный полимер плавится, проводники замыкаются, изменяется сопротивление цепи, за счет чего обнаруживается очаг. За прошедшие десятилетия термокабель значительно продвинулся в спектре используемых технологий и материалов. В зависимости от типа термочувствительного полимера может быть получена температура сработки термокабеля равная 57°С, 68°С, 88°С, 105°С, 138°С и даже 180°С (рис. 2). Выпускается трехжильный термокабель на два порога срабатывания: на температуру 68°С и 93°С.

Тип наружной защитной оболочки определяет допустимые условия эксплуатации по диапазону температур окружающей среды, по воздействию химических реагентов, ультрафиолета и так далее. В настоящее время выпускается термокабель с ПВХ оболочкой, полимерной оболочкой, оболочкой из полипропилена и фторполимерной оболочкой. 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 низким дымо- и газовыделением.

Рис. 2.

Маркировка термокабеля определяет
тип оболочки и температуру сработки

Если термокабель с ПВХ, полимерной или полипропиленовой оболочкой необходимо выбирать в зависимости от возможных воздействий тех или других химических соединений, то термокабель с фторполимерной оболочкой может применяться практически в любых агрессивных средах. Термокабель с ПВХ оболочкой имеет слабую устойчивость к ультрафиолетовому излучению и может использоваться только в помещениях, с полимерная и полипропиленовая оболочки имеют приемлемую устойчивость к УФ излучению, абсолютную устойчивость к УФ излучению имеет только фторполимерная оболочка. По температуре эксплуатации наилучшие характеристики также имеет термокабель с фторполимерной оболочкой, он обеспечивает работоспособность даже в экстремально низких температурах до -60°С, термокабель полимерной оболочкой – до -51°С, с ПВХ оболочкой и с полипропиленовая оболочкой только до -40°С.

Было бы неправильно думать, что термокабель из любых материалов обеспечивает надежную работу в течении длительного времени в любых условиях эксплуатации, тип термокабеля, материал его защитной оболочки и даже способ его крепления должны соответствовать условиям эксплуатации. В противном случае возможны ложные срабатывания или отказы термокабеля, что приводит к существенным дополнительным материальным затратам. Например, в Сеульском метрополитене первоначально было проложено около 50 км низкокачественного термокабеля и уже через два года эксплуатации из-за потока ложных срабатываний потребовалась его полная замена на качественный термокабель, тип которого соответствует условиям эксплуатации. При эксплуатации термокабеля в широком диапазоне температур необходимо обязательно учитывать не только диапазон рабочих температур, но также величину изменения сопротивления и длины проводников термокабеля.Допустим термокабель прокладывается в нормальных условиях при температуре +25°С, при снижении температуры длина проводников будет сокращается и для нормального функционирования термокабеля необходимо при прокладке предусмотреть его прогиб между точками крепления (рис. 3). Величина прогиба зависит от шага крепления термокабеля и от минимальной температуры эксплуатации (табл.1), причем даже кратковременной. Это позволит исключить натяжение термокабеля и его повреждение при минимальных температурах эксплуатации.

Рис. 3. Величина прогиба термокабеля

Таблица 1. Величина прогиба термокабеля в зависимости минимальной температуры эксплуатации
Минимальная температура эксплуатации	Шаг крепления	Величина прогиба, минимум, мм (дюйм)
-7°С	1,5 м	19,1 мм (3/4”)
-18°С	1,5 м	22,3 мм (7/8”)
- 29°С	1,5 м	25,4 мм (1”)
- 40°С	1,5 м	28,6 мм (9/8”)
- 51°С	1,5 м	31,8 мм (5/4”)

Так, например, если шаг крепления термокабеля равен 1,5 м при его прокладке при температуре 25°С в расчете на минимальную температуру эксплуатации -51°С величина прогиба должна быть не менее 31,8 мм или 5/4 дюйма. Тогда при снижении температуры термокабеля до -51°С его длина сократится и величина прогиба уменьшится примерно до 12,7 мм или 1/2 дюйма. Соответственно при расчете длины термокабеля для спецификации необходимо вводить соответствующее ее увеличение. Данные, приведенные в табл. 1 относятся только к термокабелю Protectowire с проводниками из высококачественной стали, для проводников, выполненных из другого материала величина требуемого прогиба может значительно отличаться.

Принцип действия традиционного термокабеля

Чтобы понять, как работает технология CTI важно иметь четкое представление о том, как работает традиционный линейный тепловой извещатель. Его сердцевиной является витая пара идентичных пружинистых проводников с термопластичным покрытием, способным размягчатся при температуре срабатывания. Интерфейсный модуль контролирует ток в подключенной к нему цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников термокабеля, расположенного в защищаемой зоне, и оконечного резистора (рис. 4).

Когда извещатель подвергается воздействию тепла на каком-то участке, при этом термопластичное покрытие размягчается и свитые между собой проводники продавливают его и замыкаются друг с другом. Короткое замыкание проводников воспринимается интерфейсным модулем как сигнал «Пожар» (рис. 5), который передается на пожарный приемно-контрольный прибор (ППКП).

Выпускаются интерфейсные модули различных типов, для подключения одного или двух термокабелей и с измерением расстояния до точки активации и более простые модули без измерения расстояния (рис. 6).

В зависимости от сопротивления подключенной к модулю цепи он может находиться в одном из 3 режимов: дежурный режим, пожар или обрыв термокабеля. Например, модуль PIM-120 при суммарном сопротивлении термокабеля и оконечного резистора 2,2 кОм в пределах примерно от 1,6 кОм до 4 кОм находится в дежурном режиме. При коротком замыкании термокабеля  сопротивление должно быть менее 1,6 кОм, чтобы модуль сформировал сигнал «Пожар». Таким при пороге 1,6 кОм и удельном сопротивлении термокабеля 0,6 Ом/м получаем максимальную длину 2666 м. На практике, с учетом разброса величины сопротивления оконечного резистора и для повышения помехоустойчивости, производитель ограничивает допустимую длину термокабеля 2 000 м. При такой длине термокабеля максимальное сопротивление цепи в дежурном режиме будет равно 2000 м х 0, 6 Ом/м + 2,2 кОм = 3,4 кОм, минимальное 2,2 кОм. Запас от состояния обрыв и от режима пожар по 600 Ом.

Рис. 6. Одноканальный интерфейсный модуль

В двухканальном модуле PIM-430D c измерением расстояния вдоль термокабеля до места срабатывания используются оконечные резисторы 4,7 кОм. Диапазон сопротивлений, соответствующих дежурному режиму определен в пределах примерно от 1,7 кОм до 7 кОм. Для этого модуля производитель ограничивает допустимую длину термокабеля также 2 000 м. Максимальное сопротивление цепи в дежурном режиме будет равно 2000 м х 0, 6 Ом/м + 4,7 кОм = 5,9 кОм, минимальное сопротивление цепи 4,7 кОм.

Этот очень надежный метод обнаружения очага загорания использовался на протяжении более 75 лет в системах противопожарной защиты. Однако всегда существует возможность механического повреждения термокабеля, в результате которого возникнет его короткое замыкание, что приведет к ложному срабатыванию. Поэтому в процессе проектирования и во время монтажа необходимо принять дополнительные меры, чтобы проложить термокабель в местах, где он с наименьшей вероятностью может быть подвергнут механическому повреждению.

Работа термокабеля CTI

CTI (Confirmed Temperature Initiation) - это новая запатентованная компанией Protectowire технология обнаружения тепла с подтверждением температуры активации. Это дальнейшее развитие традиционного линейного теплового извещателя с обеспечением распознавания условий, при которых происходит короткое замыкание проводников термокабеля. Технология CTI подтверждает термическую активацию линейного теплового извещателя, прежде чем будет сформирован сигнал «Пожар», тем самым исключаются ложные тревоги, вызванные механическими повреждениями извещателя.

Рис. 7. Измерение температуры термопары

Технология CTI является расширением стандартного режима работы линейного теплового пожарного извещателя. Традиционный термокабель имеет только один режим обнаружения, а в термокабеле CTI добавлен второй режим обнаружения. Этот второй режим обнаружения использует термоэлектрический эффект для измерения температуры в точке короткого замыкания извещателя, чтобы подтвердить состояние тревоги. Термоэлектрический эффект обеспечивает образование электродвижущей силы (ЭДС) в цепи проводников, состоящих из двух разнородных материалов. Когда два соединения проводников находятся под воздействием различных температур, возникает разность потенциалов, соответствующая величине разности температур. Посредством измерения величины этого напряжения производится определение температуры термопары.Соответственно термокабель CTI изготовлен из витой пары разнородных металлических пружинящих проводников в термопластичной изоляции (рис. 8), которая размягчается при температуре сработки как и в традиционном термокабеле.

 

Рис. 8. Конструкция мультикритериального термокабеля CTI

  Интерфейсный модуль контролирует ток в подключенной к нему цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников термокабеля, расположенного в защищаемой зоне, и оконечного резистора (рис. 9).

Рис. 9. Термокабель CTI в дежурном режиме

Когда возникает короткое замыкание в какой-либо точке термокабеля CTI интерфейсный модуль обнаруживает его по изменению сопротивления, как у традиционного термокабеля. Далее автоматически включается режим измерения термопарой температуры короткозамкнутой части термокабеля.  Если фиксируется температура ниже установленного порога сигнализации, который равен в данном примере 138°С (280°F), то фиксируется короткое замыкание термокабеля с формированием сигнала «Неисправность» (рис. 10), а не сигнала ложной тревоги как при использовании традиционного термокабеля.

 

Рис. 10. Термокабель CTI в режиме «Короткое замыкание»

Если при возникновении короткого замыкания термокабеля измеренная температура оказывается выше предварительно установленного порога сигнализации 138°С (280°F), как в этом примере, немедленно формируется сигнал «Пожар» (рис. 11).

 

Рис. 11. Термокабель CTI в режиме «Пожар»

Этот мультикритериальный линейный тепловой извещатель с подтверждением превышения температуры порога срабатывания исключает возможность формирования ложных тревог при механических повреждениях термокабеля, в результате чего значительно повышается достоверность сигналов «Пожар» по сравнению с традиционным термокабелем.

   Интерфейсные модули серии CTM-530

Для мультикритериального линейного теплового извещателя CTI разработаны интерфейсные модули серии СТМ-530 Protectowire (рис. 12). К модулю подключается один термокабель, который может отвечать требованиям для шлейфов класса А (стиль D) или класса B (стиль B). Максимальная длина термокабеля CTI Protectowire до 1220 метров (4000 футов). 

На рис. 13 приведены схемы подключения термокабеля CTI к интерфейсному модулю CTM-530.  В режиме шлейфа сигнализации класса B термокабель CTI конфигурируется как радиальный и подключается только к выходным терминалам "OUT" интерфейсного модуля CTM-530, а в конце термокабеля устанавливается оконечный элемент шлейфа в виде резистора (ELR).  В режиме шлейфа сигнализации класса А термокабель CTI конфигурируется как петлевой и подключается к терминалам "OUT" и "RET" без оконечного элемент шлейфа.

Рис. 12. Интерфейсный модуль серии CTM-530

 Рис. 13. Подключение термокабеля CTI к модулю CTM-530 

В режиме класса А при обрыве термокабеля или соединительного кабеля формируется сигнал неисправности «Обрыв» и работоспособность извещателя сохраняется по всей его длине термокабеля CTI.  В режиме класса В при обрыве термокабеля или соединительного кабеля так же формируется сигнал неисправности «Обрыв», но работоспособность извещателя сохраняется только на участке, оставшемся подключенным к модулю CTM-530, то есть до обрыва.

Термокабель серии CTI с защитой от короткого замыкания найдет широкое применение на объектах с высокой вероятностью механического повреждения термокабеля в процессе эксплуатации и на объектах с высоким ущербом от ложного срабатывания, например, в системах автоматического пожаротушения.