CC BY
36
В. н. Бордаков
главный конструктор ЗАО «Русинтек»
УДК 614.843
модель процесса тушения очагов возгорания под напряжением
Приведены результаты расчётного и экспериментального исследования процесса подавления очага возгорания огнетушителями, заряженными воднь^Ь растворами без отключения электроснабжения промышленной частоты с фазным напряжением до 1 000 В.
Ключевые слова: ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, КОНДЕНСАТОРЫ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ОГНЕТУШИТЕЛИ, ПРОВОДИМОСТЬ СТРУИ, ОГНЕТУШАЩЕЕ ВЕЩЕСТВО
Введение
Одним из факторов, ограничивающих немедленное использование первичных средств пожаротушения, заряженных водными растворами и косвенно способствующих развитию пожара является необходимость отключения электроснабжения до начала тушения.
В соответствии со сводом правил СП 9.13130.2009 [1] к тушению очагов возгорания, в том числе без отключения электроснабжения промышленной частоты с переменным фазным напряжением до 1,0 кВ, допускаются только огнетушители, прошедшие испытания по методике п. 9.15 ГОСТ Р 51057-2001 [2]. Условием безопасного применения огнетушителя без предварительного отключения напряжения является то, что при испытательной разности потенциалов равной 36±4 кВ переменного тока частотой 50 Гц ток утечки по струе огнетушащего вещества (ОТВ) не должен превышать 0,5 мА (безопасным для человека считается ощутимый ток промышленной частоты не более 0,6 - 1,5 мА). Однако в нормативных документах не оговорены значимые условия безопасности: величина напряжения в сети, при котором допускается тушение без отключения электроснабжения и минимальное расстояние от оператора до токоведущего элемента [1, 2, 3, 4].
Поэтому в отдельных руководствах установлены различные величины допустимого не-отключаемого напряжения, противоречащие п. 4.1.19 правил СП 9.13130.2009 [1]. Большинство современных ОТВ на водной основе характеризуются незначительным удельным сопротивлением: менее 0,15 - 0,2 кОмм. Очевидно, что при назначении параметров безопасного примене-
ния огнетушителей, заряженных водными растворами ОТВ, необходимо исключить поражение оператора электрическим током даже в самой сложной, не поддающейся предварительному прогнозу, чрезвычайной ситуации. В условиях реального пожара при повышении температуры и влажности, допустимые нормативы по величине безопасного тока через оператора рекомендуется уменьшить в три раза [4, 5].
Целью работы является уточнение условий, обеспечивающих безопасное использование первичных средств пожаротушения снаряженных водными растворами ОТВ, без предварительного отключения электроснабжения в зоне возгорания.
Физическая модель тушения очага возгорания
без отключения электроснабжения
Известно, что техническая вода и водные растворы огнетушащих веществ электропро-водны. В соответствии с нормативным документом, устанавливающим основные показатели и методы испытаний переносных огнетушителей, требование безопасности применения огнетушителя однозначно выполняется при суммарном сопротивлении электрической цепи между оператором огнетушителем и токоведущим элементом, находящимся под напряжением тока промышленной частоты, не менее [2]:
Я.1 = ЧУ' = 36 ООО*4000 V/0,0005А = 72000000+8000000 Ом = 72+аМом
При проведении испытаний на электробезопасность по стандартной методике [2] ток утечки по струе измеряется при переменном на-
пряжении тока промышленной частоты между соплом и электродом, выполненным в виде металлической пластины размерами 1х1 м, которая моделирует оператора.
Для физического моделирования процесса тушения очага возгорания без отключения электроснабжения представим оператора с устройством пожаротушения как систему «оператор устройство пожаротушения - рукав с соплом - струйный поток - токоведущий элемент, находящийся под напряжением» (рис. 1).
Рисунок 1 - Физическая схема тушения очага возгорания без отключения электроснабжения: 1 - оператор, 2 - устройство пожаротушения, 3 - рукав для подачи ОТВ, 4 - сопло, 5 - участок сплошной струи ОТВ,
6 - участок начала интенсивного распада струи на капли, 7 - участок полного разрушения струи на ансамбль капель, 8 - токоведущий элемент,
находящийся под напряжением и, 9 - источник электроснабжения, 10 - заземление, I - возможные пути тока через тело оператора
Эффективным средством анализа различных физических процессов является метод замещения, когда реальная система моделируется эквивалентной электрической схемой. Представим схему замещения в виде электрической цепи, включающей активные и реактивные элементы. Замена реального процесса электротехнической физической моделью позволяет на основе закона Ома определить расчётным методом ожидаемую величину утечки тока в цепи «оператор - струя ОТВ - токоведущий элемент под напряжением» и с учётом, например, характеристик сопла сформулировать тактико-технические требования к оптимизации конструкции и обосновать назначение дистанции безопасного применения огнетушителя.
Для разработки схемы замещения в качестве одного из электродов рассмотрим токове-дущий элемент, находящийся под напряжением питающей сети. В этом случае вторым электродом окажется оператор, стоящий на Земле с ог-
нетушителем. Тогда систему «оператор - токоведущий элемент» можно заменить в физической модели конденсатором эквивалентной ёмкости. По определению конденсатор представляет собой устройство из двух проводников, разделённых диэлектриком. Ёмкость конденсатора пропорциональна площади его проводников и обратно пропорционально расстоянию между ними. Отметим, что в начальный момент диэлектриком конденсатора, является воздушный зазор, в котором в процессе тушения формируется струйно-капельный поток ОТВ и изменяются электрофизические характеристики. Величина переменного тока через конденсатор зависит от его ёмкости, которая определяется геометрическими размерами и взаимным расположением токопроводящих поверхностей, диэлектрической проницаемостью промежутка между ними, разностью потенциалов и частотой питающего напряжения [5]. Реактивное сопротивление конденсатора в поле переменного тока вычисляется по формуле:
_ 1 Х°~ ш * С (г, Ц '
1=и/х,
С '
(1)
(2)
где ХС - реактивное сопротивление конденсатора, Ом;
1ис - ток утечки через конденсатор, А; ш = 2п!;
ш - угловая частота тока в системе электроснабжения,
f - частота питающей сети электроснабжения, f = 50 Гц. для промышленной сети. Соответственно ш = 314 с-1; С - электрическая ёмкость конденсатора в рассматриваемой системе сопло - струя огнету-шащего вещества - мишень, Ф;
и - разность потенциалов между обкладками конденсатора, в рассматриваемом случае между соплом огнетушителя и токоведущим элементом, В.
До начала применения огнетушителя схему замещения можно представить как электрический конденсатор с воздушным диэлектриком, включённый в цепь переменного тока. После подачи ОТВ в эквивалентной цепи параллельно конденсатору «С» следует включить и активное сопротивление, величина которого зависит от проводимости соответствующих участков струи ОТВ [6]. Причём в процессе образования капельного потока ОТВ ёмкость конденсатора увеличится вследствие роста относительной
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕСТНИК
53
диэлектрической проницаемость пространства и уменьшения зазора в системе проводящих поверхностей.
Очевидно, что для корректной численной оценки величин составляющих элементов электрической схемы замещения необходимы данные об электрофизических параметрах струи ОТВ и влиянию капельного потока на параметры конденсатора. Поэтому рассмотрим струйный поток как составляющую эквивалентной цепи.
Анализ результатов исследований по диспергированию потоков жидкости позволяет с приемлемой для практических целей погрешностью определить количественные характеристики и параметры разрушения струи ОТВ на ансамбль капель.
В соответствии с общепринятыми в гидромеханике представлениями вдоль оси струи жидкости, вытекающей из сопла, выделяют три характерных участка (рис. 1) [7]:
- первый, на котором можно пренебречь отрывом капель и рассматривать струю ОТВ, как однородную и сплошную, без разрушения на отдельные фрагменты;
- второй, где в результате развития неустойчивости начинается разрушение сплошной струи и интенсифицируется отрыв капель;
- третий характеризуется окончательным дроблением струи на ансамбль капель, которые далее движутся по баллистическим траекториям.
Данное деление струи жидкости на участки достаточно условно из-за отсутствия резких переходных границ.
Экспериментально установлено, что длины отдельных участков разрушения струи Li в общем случае зависят от скорости жидкости на выходе из сопла, критериев Вебера, Бонда, Лапласа, геометрии сопла и физических параметров жидкости [7]. В общем случае по результатам экспериментов длины различных участков струй и как правило аппроксимируются параметрическими формулами вида:
1./с1с=Г(\Л/е, ¡-а.М.и/с!^),
(3)
где Ь- - относительная длина /-го участка
струи;
— - для / = f - относительная длина
сплошного участка струи; _ рЩ
1а =
М =
V,2
- критерий Лапласа;
- критерий отношения вяз-
ких и поверхностных сил;
/.с/с/ - относительная длина сопла;
С
г, Р*
Я = —- - относительная плотность; Рг
м/с;
н/м2;
Па^с;
V - скорость истечения струи из сопла,
ис - длина сопла, м; бс - диаметр сопла, м; ог - поверхностное натяжение жидкости,
^ - динамическая вязкость жидкости,
р1, р1 - плотность внешней среды и жидкости соответственно, кг/м3.
Геометрические размеры условных зон разрушения по длине струй измеряются экспериментально. Заменим отдельные участки струи жидкости и, и1, и2 на соответствующие сопротивления и R2. В связи с тем, что граница между участками струи и1, и2 сложно идентифицируется, заменим сумму сопротивлений R1 и R2 на R3. Кроме того, в расчётах необходимо учесть сопротивления тела человека, изолирующие свойства одежды, в том числе диэлектрические, рукава огнетушителя. В результате схема замещения сведётся к виду, представленному на рисунке 2.
\Ме =
- критерий Вебера;
Рисунок 2 - Эквивалентная электрическая схема замещения физической модели тушения пожара без отключения электроснабжения: Я, Яд, Я- сопротивление изолирующего комплекта одежды, тела оператора, рукава высокого давления
огнетушителя, соответственно, Ом; Я, Яр Я2 - сопротивление сплошного, переходного и распыленного участков струи, Ом;
С - конденсатор в цепи «оператор - токоведущий элемент»
54
В общем случае сопротивления отдельных участков струи являются функциями их длины.
Следует отметить, что сопротивление тела человека Rg без специального комплекта электрозащиты не превышает 750-1 200 Ом. Сопротивление защитного электрического комплекта Rz не превышает 5-7 Мом. Сопротивление рукава огнетушителя Rrv, по результатам прямых измерений в поле приложенного напряжения постоянного тока 1 000 В, не превышает 100-200 кОм.
Расчётные оценки и анализ литературы показали, что в рассматриваемом случае плотность тока по струе ОТВ незначительна (0,07-0,2 тА/мм2), поэтому для проведения электротехнических расчётов используем закон Ома [11]. Соотношение для расчёта эквивалентного сопротивления в системе «сопло - струя ОТВ - токоведущий элемент» запишется в виде:
= + + + Ъ + + (4)
где Rx - эквивалентное сопротивление участка цепи с параллельным соединением конденсатора и активного сопротивления, Ом; R3 = R1 + R2
(5)
Тогда величина тока утечки по струе ОТВ в соответствии с законом Ома равна:
(6)
Rz - сопротивление эквивалентной цепи в схеме замещения, Ом; 1и{ - суммарный ток утечки по струе огнетушащего ОТВ, А; и - приложенная разность потенциалов, В.
Ток утечки по сплошному участку струи ОТВ обратно пропорционален его длине:
би биэ, /..„ = — = р,-
'м
Я
(7)
где 5и - падение напряжения на участке сплошной струи, В.
Ток через участок струи распавшейся на капли можно рассчитать по соотношению:
г
А и
Аи
\
Я?3+ Ш*С(£,1-) V_¿_ _
Аи
1
Л
Я, + — _ , ,
3 ш х С (г, Ц
V_У
Ш*С(£,1-),
*3>< Ш*С(£, Ц
где Аи - падение напряжения на участке распада струи на капли, В .
После преобразования соотношение (8) для расчёта тока утечки сведётся к виду:
(8)
>иГ
и^хш* С (е, Ц + 1)
= и
Я х ШС (£, Ц+ —
V
(9)
где р, - проводимость (Ом^м) и средняя площадь поперечного сечения (м2) сплошного участка струи ОТВ, соответственно.
Однако, сопротивление сплошного участка можно и не учитывать вследствие его малой величины, всего несколько сот кОм. Второй важной составляющей рассматриваемой эквивалентной цепи является конденсатор «С». В соответствии с законом Кирхгофа общий ток в параллельной цепи определяется как сумма токов, протекающих по реактивному и активному сопротивлениям [9]. Поэтому необходимо рассчитать величину ёмкости конденсатора.
55
Для расчётной оценки заменим распылительное сопло огнетушителя диском, диаметр которого определим из равенства его площади внешней поверхности сопла. Металлическую пластину площадью 1 м2 заменим диском диаметром 1,13 м.
Для дальнейшего анализа за величину h примем расстояние между наиболее удалённой от сопла сплошной частью струи и токопроводя-щей пластиной, т. е. второй обкладкой конденсатора. Вследствие незначительного омического сопротивления, участок сплошной струи ОТВ можно рассматривать в качестве дополнительной электропроводной поверхности, уменьшающей межэлектродный зазор h и увеличивающий ёмкость конденсатора «С». Оценим изменение диэлектрической проницаемости воздушного зазора при наличии частиц ОТВ.
Для неупорядоченных сред расчет относительной диэлектрической проницаемости с удовлетворительной сходимостью проводится по формуле Лихтенекера:
1де = п11д£1+п21дЕ2, (10)
где £, £1, £2 - относительная диэлектрическая проницаемость расчётного пространства и исходных веществ;
ед=£. / £0 - диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м;
£0 = 8,85'Ш12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума;
п1, п2 - относительная объемная концентрация компонентов в рассматриваемом межэлектродном пространстве конденсатора.
На рисунке 3 приведены расчетные графики изменения относительной диэлектрической проницаемости воздушного зазора от объёмной концентрации различных ОТВ. Расчет проводится для струи с номинальным углом раскрытия 15°.
Из сравнения графиков, приведённых на рисунке 3 следует, что наличие паров и капель воды или водного раствора ОТВ влияет на диэлектрическую проницаемость практически равнозначно (рис. 3, кривые 2 и 3). При использовании порошков расчётная относительная диэлектрическая проницаемость увеличивается примерно на 30 % по сравнению с воздухом (рис. 3, кривая 1), что существенно меньше, чем при использовании водных растворов.
Для расчёта зависимости электрической ёмкости конденсаторного промежутка между «соплом - сплошным участком струи» и пластиной воспользуемся методикой, рекомендованной для двух коаксиальных дисков различного диа-
метра, расположенных на одной оси с зазором h = 1 - и,, м [10]. Результаты расчёта изменения ёмкости конденсатора в относительных единицах в зависимости от длины сплошного участка струи представлены на рисунке 4. В расчётах начальное расстояние между соплом огнетушителя и пластинчатым электродом равном 1 м.
Анализ графиков на рисунке 4 показывает, что при длине сплошного участка около 0,6 м, величина ёмкости конденсатора возрастает более чем в три раза по сравнению с начальной. Отметим, что длина сплошного участка струи и, и ёмкость гипотетического конденсатора «С» взаимосвязаны. Увеличение длины иг приводит к уменьшению межэлектродного зазора h и росту ёмкости конденсатора «С». При некоторой длине сплошного участка струи, ёмкость конденсатора может превысить предельно допустимое значение, равное (примерно) 40 пФ. Тогда, даже значительное сопротивление сплошной струи не позволяет выполнить требования по электробезопасности, определяемое током утечки [1].
_____¿с
0,1 <№/№
Рисунок 3 - Графики зависимости диэлектрической проницаемости воздушного зазора от относительной объёмной концентрации различных веществ: 1 - огнетушащий порошок; 2 - воздух содержащий пары и капли ОТВ; 3 - воздух насыщенный каплями
и парами технической воды, еВ- относительная диэлектрическая проницаемость влажного воздуха
Рисунок 4 - График изменения емкости конденсатора в относительных единицах от длины I■ сплошного участка струи: 1 - + влажный воздух, 2 - * воздух, содержащий 10% капельно-паровой фазы ОТВ, 3 - расчёт с учётом изменения диэлектрической проницаемости в результате наличия паров и капель ОТВ от длины сплошного участка струи
Аппроксимация результатов расчёта изменения относительной ёмкости от длины сплошного участка струи конденсатора методом наименьших квадратов удовлетворительно согласуется формулой:
С = ехр
' о 2 —
'и У
(11)
где 10 - начальное расстояние между соплом огнетушителя и металлической пластиной, вторым электродом конденсатора, м. В рассматриваемом случае 10 = 1 м.
При большой длине сплошного участка струи Lf равной межэлектродному промежутку, конденсатор вырождается, и ток утечки определяется только суммой сопротивлений R0, Rn, Rz, Rr Обеспечить в этом случае безопасность оператора от поражения электрическим током только за счёт омического сопротивления водной струи или водного раствора ОТВ практически невозможно.
Для обеспечения условий безопасности по току утечки необходимо увеличивать дистанцию, с которой осуществляется подача ОТВ на тушение, так чтобы полностью разрушить струю на ансамбль капель. Однако выполнить условие безопасности по току утечки на длине 1 м не удастся.
Следовательно, при ограниченных линейных размерах пространства, где испытывается или используется огнетушитель, для минимизации утечки тока по струе ОТВ необходимо уменьшение длины участка сплошной струи например за счёт оптимизации конструкции сопла.
В соответствии с расчётом, ёмкость конденсатора между металлическим соплом и мишенью составляет в начальный момент (воздушный зазор) не более 10-12 пФ. Подача водного раствора ОТВ приводит к увеличению ёмкости до 20-25 пФ (см. рис. 4, кривая 3) при длине участка сплошной струи около 450 мм. При этом эквивалентное реактивное сопротивление конденсатора в поле переменного тока промышленной частоты уменьшится с 450 до 250 Мом.
Полученный результат качественно согласуется с данными экспериментов, приведенных в работах [12, 13], что подтверждает превалирующее влияние участка распыла струи и, соответственно, конденсаторного эффекта на величину тока утечки по струе.
После несложных арифметических преобразований из закона Ома для эквивалентной цепи следуют формулы для расчёта допустимых величин ёмкости, как функции сопротивления или суммарного омического сопротивления струйного потока для известных параметров конденсатора.
С (£, Ц =
1 1 я, 1+—- «з
ш*Хс Ш х - ш *(яг"
Ъ 1 + — «ж
«3
(12)
1-—!■
V Ъу
1 + ( ш х С (£, Ц
1-Ъ
г Р? Л
V
(13)
ш*С(£, Ц
Из уравнения 13 следует, что для обеспечения безопасности по току утечки, при увеличении емкости конденсатора до 20-25 пФ омическое сопротивление капельного участка струи должно быть не менее 180 Мом.
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕСТНИК
57
Экспериментальное исследование параметров струйно-капельного потока ОТВ
Анализ результатов исследований по диспергированию потоков жидкости позволяет с приемлемой для практических целей погрешностью определить количественные характеристики и параметры разрушения струи ОТВ на ансамбль капель.
Геометрические размеры участков разрушения струй ОТВ измерялись с помощью сетчатого зонда при приложенном номинальном напряжении постоянного тока 1000 В. В процессе измерений зонд устанавливался по нормали к оси струи и постепенно перемещался по длине. Принципиальная схема определения зависимости изменения сопротивления по длине струи ОТВ на выходе из сопла огнетушителя приведена на рисунке 5. В качестве измерительного прибора РА 1 при проведении экспериментов использовался мегаоомметр типа Ф4102/1-1м с пределом измерений 20 ГОм при приложенном напряжении 1,0 кВ. Погрешность измерений прибора не превышает 5 % шкалы.
Положительная клемма измерительного прибора присоединялась к металлическому соплу огнетушителя, катод к сетчатому подвижному зонду. Конструктивно подвижный зонд состоит из несущего кольца диаметром 400 мм, снащённого сеткой с квадратной ячейкой 0,6 мм для устранения влияния возвратного потока капель. Зонд на изоляционной штанге перемещался по длине, вдоль оси струи. Измерения проводились в интервале 0,1-1 м относительно среза сопла при номинальном секундно-объёмном расходе ОТВ - 0,3 ±0,1 л/с. За условную границу сплошного участка струи ОТВ принималась наименьшая длина, после которой наблюдалось нелинейное увеличение омического сопротивления.
Рисунок 5 - Упрощенная схема измерения сопротивления струи: 1 - огнетушитель; 2 - рукав огнетушителя; 3 - сопло;, 4 - струйный поток ОТВ; 5 - подвижный сетчатый зонд; РА1 - мегаомметр
В качестве жидкостей использовались техническая вода, водные растворы различных ОТВ. Испытания проводились на образцах сопел различной конструкции:
• № 1 комбинированное струйно-центро-бежное сопло с углом закрутки 3°;
• № 2, 3 цилиндрические сопла диаметрам 4 и 6 мм соответственно;
• № 4 сопло скомпонованное для минимизации тока утечки по струе [8].
Результаты измерений величины сопротивления по длине струи для различных сопел приведены на рисунке 6.
Из сравнительного анализа графиков на рисунке 6 следует, что сопротивление сплошного участка струи практически прямо пропорционально его длине, что согласуется с расчётом по формуле (12). Начало интенсивного разрушения струи на капли характеризуется отклонением от линейной пропорциональности, с дальнейшим экспоненциальным увеличением активного сопротивления по длине. Омическое сопротивление капельного потока распавшейся струи ОТВ на два - три порядка больше, чем у сплошного участка.
Рисунок 6 -Графики зависимостей изменения омического сопротивления по длине струи на выходе из сопла огнетушителя. Номинальный секундно-объёмный расход ОТВ 0,25±0,05 л/с. Номинальное приложенное напряжение постоянного тока 1000 В: * - комбинированное струйно-центробежное сопло № 1; о - струйное сопло № 2 Dу = 4 мм; Д - струйное сопло № 3 Dу= 6 мм; + - сопло № 4, разработанное для безопасного тушения без отключения электроснабжения; Ь Ь , Ь - условные границы участков струи для сопла № 4, сплошного, переходного и интенсивного распада на капли, соответственно
58
Из анализа экспериментальных результатов следует, что:
• длина сплошного участка струи Lf ОТВ при прочих равных условиях определяется конструкцией сопла. Для сопла № 4 длина участка сплошной струи не превышает 300-400 мм [8];
• измеренное омическое сопротивление сплошной части струи ОТВ не превышает 1-2 МОм;
• для гладких сопел, длина сплошного участка струи превышает 0,7-0,8 м, суммарное сопротивление струи на длине 1 м по величине меньше 25 МОм;
• на участке начала интенсивного распада струи сопротивление увеличивается на 10-20 МОм;
• после полного разрушения струи на капли сопротивление потока ОТВ увеличивается до 150,0-250,0 МОм.
В связи с большой длиной сплошного участка струи цилиндрические сопла диаметрами 4 и 6 мм не позволяют обеспечить требуемые условия безопасности по току утечки. Условия безопасности на базовом измерительном зазоре 1 м выполняются только при использовании сопел, которые обеспечивают длину сплошного участка струи не более 300-400 мм.
Фактически, требование к величине омического сопротивления потока ОТВ можно рассматривать как своего рода критерий оперативной оптимизации конструкции сопла практически для любого источника огнетушащего вещества.
Для определения влияния состава ОТВ на ток утечки по струе была проведена серия экспериментов в поле переменного тока промышленной частоты при номинальном напряжении ~36 кВ.
На рисунке 7 приведены экспериментальные графики изменения тока утечки по струе ОТВ от массового содержания добавок в ОТВ.
Из анализа графиков, приведенных на рисунке 7 следует, что повышение относительной массовой концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водном растворе ОТВ с 0,1 до 0,3 сопровождается увеличением тока утечки практически в два раза (рис. 7, график 1). Наблюдаемый эффект объясняется тем, то наличие в водном растворе массовой доли ПАВ сопровождается увеличением вязкости, а следовательно, и длины сплошного, не распавшегося на капли участка струи. А поскольку проводимость сплошного участка не превышает в рассматриваемом случае 100 - 400 кОм это и приводит к росту ёмкости конденсатора, уменьшению суммарного реактивного сопротивления и увеличе-
У, пА
0.2
01
1
О
0.1
0.2 О.З дт
Рисунок 7 - Графики зависимости тока утечки (I)
по струе водного раствора ОТВ от относительного массового содержания ПАВ (1) и солевой добавки (2) соответственно; бт- массовое содержание ПАВ (солевой добавки) в относительных единицах
нию тока утечки. В тоже время увеличение концентрации солевых компонентов в рецептуре ОТВ практически слабо влияют на величину тока утечки (рис. 7 график 2). Очевидно, что повышение в водном растворе концентрации солевой добавки до 30% масс. практически не приводит к существенному увеличению длины сплошного участка струи, а значит, и незначительно влияет на увеличение ёмкости конденсатора, который образуется между соплом и измерительной пластиной. В результате суммарный ток увеличивается не существенно, не более чем на 6-10 %.
Из анализа приведенных экспериментальных результатов в поле постоянного и переменного токов следует, что при прочих равных условиях основным элементом, определяющим в конечном счёте длину сплошного участка и величину тока утечки по струе ОТВ, является конструктивное исполнение распылительного сопла.
На основе полученных соотношений (12, 13) были проведены расчёты ожидаемого тока утечки для огнетушителей снаряженных водным раствором ОТВ для сопла № 4 (рис. 6) для испытательной разности потенциалов 36 кВ переменного тока промышленной частоты 50 Гц, которые сравнивались с результатами измерений.
Сравнение расчётных и экспериментальных результатов по току утечки для различных ОТВ приведено в таблице 1.
Из сравнительного анализа приведенных в таблице 1 результатов следует, что:
- ток утечки по струе ОТВ (вода, водный раствор пенообразователя, ОТВ) не превышает допустимой величины 0,5 мА при испытательном напряжении переменного тока 36 кВ [1].
- расчётная величина тока утечки удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
59
Таблица 1 - Результаты расчётно-экспериментального определения тока утечки по струе ОТВ. Сопло № 4
№ п/п Наименование ОТВ Расчётная величина тока утечки, мА Экспериментальная величина наибольшего тока утечки, мА
начальная по струе начальная по струе
1 Вода 0,05 0,22 0,08 0,24
2 Вода + ПО 0,075 0,3 0,10 0,32
3 Вода +ПО+солевая добавка 0,080 0,36 0,10 0,3
Таким образом, расчёт тока утечки по струе ОТВ на основе разработанной методики удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами, что подтверждает применимость предложенной физической модели.
Зная величину омического сопротивления капельного потока на основе результатов прямых измерений в поле постоянного тока по формуле (10) можно рассчитать:
- электрическую ёмкость межэлектродного промежутка;
- наибольшую допустимую длину сплошного участка струи.
Для тушения пожаров без отключения электроснабжения необходимым и достаточным условием безопасного применения огнетушителей является разрыв сплошной струи с обеспечением длины диспергированого потока ОТВ на капли не менее 0,3-0,4 м.
Анализ безопасности тушения
очага возгорания без отключения электроснабжения по перенапряжению
При назначении величины допустимого неотключаемого напряжения необходимо принимать во внимание риски от возможных перенапряжений, которые возникают в цепях переменного тока при аварийном отключении.
В настоящее время наибольшее развитие получило электроснабжение потребителей с нейтральным проводником (с глухозаземлен-ной нейтралью), а также линейное электропотребление с изолированной нейтралью и заземлением металлических частей конструкций электропривода.
Напряжение питания в общепринятой терминологии классифицируется как фазное и, при этом уровень потенциала измеряется относительно нейтрали или как линейное напряжение с разностью потенциалов между фазами ии. Соотношение между потенциалами вычисляется по формуле:
Оценим максимальное напряжение им, которое может возникнуть в сети. Максимальная величина амплитудного броска напряжения, возникающая в сети переменного тока, зависит от номинального напряжения питающей сети и принимается равной: V2ис. Допускаемое повышение питающего напряжения - 10 % [14].
Реальная электрическая сеть обладает индуктивными и конденсаторными свойствами, при обрыве цепи наибольшее перенапряжение пропорционально:
(15)
где кф - наибольший расчётный безразмерный коэффициент перенапряжения при аварийном отключении сети;
I - номинальный ток в момент отключе-
нн
ния, А;
ип, Ст - суммарная индуктивность и электрическая ёмкость отключаемой сети, Гн, Ф, соответственно.
Как правило, длительность переходного процесса не превышает 0,05-0,5 с. Поэтому величину коэффициента максимального перенапряжения, возникающего в сети при аварийном отключении, предлагается принимать в интервале 4,5-8 [16].
Тогда величина максимального перенапряжения, возникающего в сети при стечении неблагоприятных факторов, может составить:
и = к х К х^2*и =
^М ,ЧС '77 С
1,1 X 8*1,41 *и=12,4иг
(16)
иь = ^1зйг
(14)
где ис - питающее напряжение сети фазное или линейное.
Следовательно, максимальное фазное напряжение, которое может возникнуть в электрической сети с рабочим напряжение 1000 В превысит 12,4 кВ. А значит и коэффициент запаса безопасности исчисляемый относительно испытательного напряжения по методике [1] ока-
жется меньше 3.
В цепях с линейным напряжением 1 730 В перенапряжение может превысить 24,5 кВ. В этом случае коэффициент запаса по испытательному напряжению окажется почти вдвое меньше: 1,5. С увеличением напряжения питания растёт вероятность электродугового режима, когда за счёт сил Лоренца происходит выброс высокотемпературной струи плазмы. Этот эффект также относится к поражающим факторам и требует дополнительных исследований. В общем случае величина не отключаемого напряжения должна назначаться в зависимости от расстояния между оператором и токоведущим элементом [16, 17].
В таблице 2 приведены рекомендуемые безопасные расстояния применения огнетуши-
телей при тушении очагов возгорания без отключения электроснабжения в зависимости от напряжения промышленной частоты.
Учитывая, что при стечении наиболее неблагоприятных обстоятельств при тушении пожара необходимо обеспечить безопасность человека даже с патологией сердца, допустимое наибольшее не отключаемое фазное напряжения 1000 В следует признать обоснованным при тушении очагов возгорания, огнетушителями снаряженными водными растворами ОТВ, с дистанций не менее 3 м. Для бытовых систем электроснабжения минимальное безопасное расстояние тушения 1 м должно обеспечиваться выбором конструкции сопла так, чтобы длина участка сплошной струи не превышала 0,4-0,6 м.
Таблица 2 - Рекомендуемое безопасное расстояние (длина безопасности) от сопла огнетушителя до токоведущего элемента при тушении очагов возгорания без отключения электроснабжения промышленной частоты
№ п/п Напряжение, В Огнетушитель ОВЭ-5, ОВЭ-6, ОВЭ-40
Фазное, относительно земли линейное Рекомендуемое минимальное безопасное расстояние от сопла до токоведущего элемента, не менее, м
1 220 380 1
2 660 1 140 2
3 1 000 1 730 3
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Свод правил СП 9.13130.2009. Техника пожарная. Огнетушители.
2. ГОСТ Р 51057-2001. Техника пожарная. Огнетушители переносные. Общие технические требования. Методы испытаний (утв. постановлением Госстандарта России от 25 октября 2001 г. №435-ст) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Информационно-правовое обеспечение «Гарант», Эксперт-Гарант-Максимум. - Загл. с экрана.
3. ГОСТ Р 51017-2009. Техника пожарная. Огнетушители передвижные. Общие технические требования. Методы испытания.(утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 февраля 2009 г. N 66-ст) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Информационно-правовое обеспечение «Гарант», Эксперт-Гарант-Максимум. - Загл. с экрана.
4. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов (утв. постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30.06.82 № 2987) Режим доступа: Информационно-правовое обеспечение «Гарант», Эксперт-Гарант-Максимум. - Загл. с экрана.
5. Долин, П. А. Основы техники безопасности в электроустановках / П. А Долин. - М.: Энергоатом-издат. 1984. - 448 с.
6. Шрайбер, Г. Огнетушащие вещества. Химико-физические процессы при горении и тушении. Пер. с нем. / Г Шрайбер, П. Порст. - М.: Стройиздат. 1975. - 240 с.
7. Лышевский, А.С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками / А. С. Лышевский. -М.: МАШГИЗ, 1963. - 179 с.
8. Бордаков В. Н. Распылительная форсунка огнетушителя. Евразийский патент № 01757. 2009.
9. Евдокимов, Ф. Е. Теоретические основы электротехники / Ф. Е. Евдокимов. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 560 с.
10. Иоссель, Ю. Я. Расчет электрической емкости : монография / Ю.Я. Иоссель, Э.С. Кочанов, М. Г. Струнский. - 2-еизд.,перераб.и доп 2-е изд., перераб. и доп. - Л.Энергоиздат. Ленингр. отд-ние,1981 -288 с.
11. Левич, В. Г. Физико-химическая гидродинамика. / В. Г. Левич - Гос. Издат. М.: 1959. - 700 с.
12. Копылов, С. Н. Определение безопасных расстояний при тушении электроустановок, находящихся под напряжением / С. Н.Копылов, В. А. Кущук, Е. В. Баранов // Пожарная безопасность: сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 2008. - с. 52-62
13. Навценя Н. В. Исследование электропроводности огнетушащих струй и рекомендации по электробезопасности людей при тушении электроустановок / Н. В. Навценя, Н. В. Исайкин, И. Ф. По-единцев, О. М. Курбатский // Пожарная профилактика в электроустановках: Сб. трудов ВНИИПО, М.: ВНИИПО, 1992. с. 52 - 62.
14. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.(утв. постановлением Госстандарта РФ от 28 августа 1998 г. № 338) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Информационно-правовое обеспечение «Гарант», Эксперт-Гарант-Максимум. - Загл. с экрана.
15. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / Л. А. Бессонов. -10 изд. - М.: Гардарика, 1999. - 638 с.
16. NFPA 10. Standard for Portable Fire Extiguishers. 2002 Edition. - 65 p.
17. Тактика тушения электроустановок, находящихся под напряжением. Рекомендации. ВНИИО, М.: 1986.
PROCESS MODEL EXTINGUISHING Бордаков Валерий Николаевич
FIRES ENERGIZED e-mail: [email protected]
V. N. Bordakov
The results of the calculated and experimental
study of the process of the fire source suppression
by extinguishers, charged with an aqueous solution
without power outage power frequency with a phase
voltage up to 1000 V are given.
Key words: FIRE SAFETY, CAPACITOR,
ELECTRICAL SAFETY, FIRE EXTINGUISHERS,
STREAM CONDUCTIVITY, FIRE EXTINGUISHING
AGENT
62
