CC BY
8УДК 614.841.46:643.5
В. И. Зыков
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России
V. Zykov
АКТИВНАЯ ПРОТИВОПОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК АВТОТРАНСПОРТНОГО ТОННЕЛЯ
Рассматриваются основные этапы построения автоматизированной системы противопожарной защиты автотранспортного тоннеля. Разработана математическая модель для выбора топологической структуры и аппаратных средств в системе активной противопожарной защиты электроустановок.
Ключевые слова: противопожарная защита, электроустановка, автотранспортный тоннель.
THE SYSTEM OF ACTIVE FIRE PROTECTION OF ELECTRICAL INSTALLATIONS IN ROAD TUNNELS
The basic steps of constructing an automated system of fire protection in road tunnels are observed. A mathematical model for choosing the topological structure and the hardware in the system of active fire protection of electrical installations was worked out.
Keywords: fire protection, electrical installation, road tunnel.
Мировой опыт эксплуатации электроустановок в технических системах автотранспортных тоннелей говорит о необходимости создания системы активной противопожарной защиты электроустановок тоннельного сооружения. Эта проблема, прежде всего, обоснована тяжелыми последствиями крупных аварий, чрезвычайных ситуаций и катастроф, происходящих в тоннелях сооружениях.
Большинство технических систем тоннельных сооружений, обеспечивающих их функционирование, являются электроустановками. Известно, что количество пожаров, происходящих ежегодно по причинам загорания электрооборудования и электропроводки, составляет около 40 %. Следовательно, исправность электротехнического оборудования влияет на работоспособность функциональных элементов технических систем тоннелей и, как следствие, на нормальный режим их работы.
Крупнейшим инженерным тоннельным сооружением в г. Москве является Лефортовский тоннель, который входит в состав третьего автотранспортного кольца и проходит через обширную парковую зону - «Лефортово-Немецкая слобода», где расположены исторические памятники - здания XVIII в. и фонтаны с водоемами (прудами). Тоннель имеет протяженность 3246 м и рассчитан на три полосы движения автотранспорта с пропускной способностью около 3600 автомобилей в час. Тоннель представляет собой комплекс подземных сооружений, возведенных на разной глубине из различных видов конструкций. По всей трассе тоннеля устроена платформа проезжей части для движения транспорта с подплатформенными помещениями, используемыми для обеспечения пожарной безопасности, эвакуации людей, прокладки коммуникаций и эксплуатационных нужд.
Обеспечение пожарной безопасности подобного тоннельного сооружения в целом без построения автоматизированной системы противопожарной защиты электроустановок (АСПЗЭ) с использованием современных высоких технологий становится неразрешимой задачей. Возрастание требований к системе противопожарной защиты для тоннельных сооружений ведет к повышению соответствующих требований и к технологии управления АСПЗЭ. В силу комплексного характера технологии управления АСПЗЭ при ее проектировании необходимо использование и развитие современных методов системного анализа, принятия решений, многокритериального моделирования.
Понятие технологии управления АСПЗЭ необходимо рассматривать:
• как последовательность целенаправленных операций по обеспечению противопожарной защиты, определяющих структурность функций управления АСПЗЭ (ее функциональную структуру);
• совокупность технических средств, на которых реализуются операции управления АСПЗЭ, подчеркивающие аппаратную структурность технологии;
• совокупность операторов, участвующих в реализации технологии управления АСПЗЭ, характеризующих ее организационную структуру.
Процесс функционирования системы электроснабжения автотранспортного тоннеля может происходить в различных режимах: нормальная эксплуатация, аварийный режим и чрезвычайная ситуация. Режим функционирования тоннеля определяется воздействием внешних и внутренних факторов.
Внутренними факторами являются: характеристики технологического процесса, техническое состояние (работоспособность) эксплуатационных систем, взаимодействие и взаимовлияние элементов систем, человеческий фактор. Технологический процесс определяет потенциальную пожаро-взрывоопасность помещений, сооружений и зон автотранспортного тоннеля. Работоспособность технических систем при эксплуатации обеспечивается техническими системами контроля и диагностирования, а также профилактическим обслуживанием. Взаимодействие и взаимовлияние элементов систем зависит от схемы технологического процесса. Воздействие человеческого фактора определяется квалификацией обслуживающего персонала.
Существенными внешними факторами, определяющими режим работы тоннеля, являются природный, техногенный и человеческий. Их влияние можно рассматривать как случайные воздействия окружающей среды на сооружения и технические системы автотранспортного тоннеля (рис. 1).
Техногенные
факторы
в
РТП
Территория объекта защ иты
Человеческий
фактор
ЇМ
Пожар о-взрыворпасные параметры технологического процесса
Рис. 1. Схема внешних связей автотранспортного тоннеля
В качестве основного природного фактора, влияющего на работоспособность электроустановок тоннеля, рассматривается воздействие молнии или ее вторичных проявлений. Степень влияния техногенных факторов на объект защиты можно существенно уменьшить посредством рационального территориального размещения тоннеля и реализацией специальных мероприятий. Предотвращение внешнего воздействия человеческого фактора на функционирование тоннеля должно обеспечиваться системой безопасности.
Контроль за функционированием электроустановок технических систем тоннеля, управление режимами их работы в части энергоснабжения и защиты от аварийных режимов, изменение режимов работы электроприемников, управление резервированием, координация взаимодействия с системами активной противопожарной защиты (пожарной сигнализации и противопожарной автоматики, аварийного освещения, вентиляции, связи и оповещения, с электромеханическими устройствами управления приводом ворот и задвижек и т. п.) и другими техническими устройствами, а также обмен информацией в системе обеспечивается за счет общей системной шины. Надежность электроснабжения электроприемников, обеспечивающих жизнедеятельность основных технических систем тоннеля, систем централизованного управления центрального диспетчерского пункта (ЦДП), системы активной противопожарной защиты автотранспортного тоннеля в режиме нормальной эксплуатации, аварийном режиме и чрезвычайной ситуации должна соответствовать I категории энергоснабжения.
В процессе эксплуатации должны обеспечиваться централизованный контроль работоспособности и эксплуатационных параметров электрооборудования технических систем и систем активной противопожарной защиты.
Автоматизированная система противопожарной защиты электроустановок технических систем тоннелей должна иметь иерархическую структуру, обеспечивать распределенное управление системой энергоснабжения, электросетей и электрооборудования технических систем и осуществлять релейную и аппаратную защиту электроустановок тоннеля. Релейная и аппаратная защита электроустановок должна обеспечивать все виды защиты электросетей, оборудования и персонала, измерение и визуальное отображение электрических параметров, функции аварийной сигнализации, автоматического управления переходом на резервное питание, связь с различными уровнями управления по шине связи.
Разработка систем энергоснабжения и активной противопожарной защиты электроустановок автотранспортного тоннеля требует дифференцированного подхода к проектированию и уточнения технических требований и технических решений применительно к конкретному объекту.
Источниками питания потребителей тоннеля могут быть магистральные электросети; подстанции, связывающие систему электроснабжения тоннеля с электросетями или станциями энергосистем; отдельные секции сборных шин электростанции или подстанции. Выбор варианта схемы внешнего электроснабжения технических систем автотранспортного тоннеля должен подтверждаться технико-экономическим обоснованием.
Централизованное электроснабжение городского автотранспортного тоннеля целесообразно осуществлять через районную подстанцию. Система электроснабжения автотранспортного тоннеля подразделяется на систему внешнего (сеть воздушных и кабельных линий, проложенных от районной подстанции энергосистемы до главной понизительной подстанции ГПП) и внутреннего электроснабжения (сеть распорядительных линий от ГПП до потребителей).
Главная понизительная подстанция обеспечивает понижение напряжения от энергосистемы до 35-110 кВ. В свою очередь, распределительные трансформаторные подстанции осуществляют дальнейшее понижение напряжения до уровня 6-10 кВ и обеспечивают электропитание от отдельных групп потребителей. Трансформаторные подстанции должны размещаться непосредственно на объекте (в тоннеле) и понижать напряжение до уровня 0,6-0,4 кВ на вводе в распределительные пункты. Силовые распределительные пункты должны располагаться в
центре нагрузок. Электроприемники технических систем тоннеля следует группировать с учетом их технологического назначения и присоединять к распределительным пунктам.
Распределение электроэнергии между потребителями внутри тоннеля может производиться как по радиальным, так и по магистральным схемам. Радиальная схема применяется для питания электроприемников большой мощности или групп сосредоточенных электроприемников. Примером таких электроприемников могут быть электродвигатели насосных, тепловых пунктов, крупных вентиляционных камер и т. д. При относительно равномерном размещении большого количества электроприемников небольшой мощности по территории целесообразно применять магистральные схемы. Например, по магистральной схеме организуется сеть рабочего освещения.
Система электроснабжения предназначена для обеспечения электропитанием технических систем и оборудования тоннеля и выполняется с учетом особенностей режима работы потребителей, эксплуатационных задач и обеспечения требований пожарной безопасности. При проектировании электроэнергетической системы необходимо предусматривать обеспечение непрерывного функционирования электротехнического оборудования тоннеля в нормальном, аварийном и ремонтном режимах системы электроснабжения. Кроме того, система электроснабжения технических систем автотранспортного тоннеля должна обеспечивать необходимый резерв по мощности для обеспечения резервируемого электропитания потребителей. Контроль и управление системой электроснабжения, а также контроль работоспособности электрооборудования и электросетей тоннеля должен осуществляться дежурным персоналом диспетчерского пункта электроснабжения, который является элементом системы управления центрального диспетчерского пункта.
Проектирование АСПЗЭ автотранспортного тоннеля с открытой архитектурой будет сводиться к топологическому формированию набора шинных приборов с привязкой их к конкретным объектам по иерархическому принципу. Такой подход позволит легко разобраться в топологии всей системы и в функциях, выполняемых шинными приборами. Затем создается структура шинных управляющих сигналов, которая также является иерархической. Следующим этапом является собственно построение управляющих связей системы с заданием параметров шинных приборов. Другими словами, каждый сигнал связывается с выходом шинного прибора, который должен его формировать, и входом исполнительного устройства, которое должно его отработать. Для логической обработки сигналов они передаются на входы блоков логики, а далее уже другие сигналы с выхода логических блоков поступают на входы соответствующих исполнительных устройств. Окончательная настройка достигается посредством параметрирования устройств и приборов, то есть выбором варианта программного обеспечения из базы данных сервера и оптимизацией параметров функционирования прибора. Задается алгоритм отработки управляющих сигналов шины и начальная установка каждого шинного прибора.
При рассмотрении функциональных структур возникает необходимость координации выбора структур различных подсистем АСПЗЭ, реализуемых на одних и тех же средствах системы управления противопожарной защиты, т. е. ресурс АСПЗЭ распределяется между отдельными подсистемами управления. В свою очередь, эти ресурсы определяются техническими характеристиками выбираемых аппаратных средств системы управления. В такой проектной ситуации проектирование АСПЗЭ целесообразно начинать с решения задачи выбора ее технической структуры, в результате решения которой определяется значение ресурса, который затем можно распределять между подсистемами. Выбор топологической структуры АСПЗЭ должен осуществляться параллельно с выбором технической структуры, т. е. необходима метаструктура описания, в которой сначала параллельно осуществляется выбор технической и топологической структур, а затем - выбор структур системы управления АСПЗЭ [1].
Целью описания аппаратного состава АСПЗЭ на этапе технического предложения является определение принципиальной возможности создания АСПЗЭ при ограничениях, связанных с
тактикой применения средств АСПЗЭ, габаритами аппаратуры для тоннельных сооружений и ее энергопотреблением. Задача выбора сначала формулируется как выбор вариантов, которые обеспечивали бы максимальную эффективность АСПЗЭ.
Эти соображения могут быть формализованы следующим образом. Введем двоичные переменные:
Вводим также следующие обозначения: т. - масса /й подсистемы в // -м варианте;
V. - объем, требуемый для размещения /й подсистемы в // -м варианте;
р. - энергопотребление /й подсистемы в // -м варианте;
Х. - интенсивность отказов /й подсистемы в // -м варианте;
м. - объем требуемой памяти /й подсистемы в // -м варианте;
I. - быстродействие элементов защиты /й подсистемы в // -м варианте.
Тогда задачу оптимизации для выбора аппаратного состава подсистем АСПЗЭ можно сформулировать так:
В (2) введены следующие обозначения: М- масса подсистемы АСПЗЭ; V- объем подсистем АСПЗЭ; Р- энергопотребление подсистем; X - интенсивность отказов подсистем; У- требуемый суммарный объем памяти; Т- быстродействие подсистем АСПЗЭ; /- общее число рассматриваемых подсистем; J - число вариантов /й подсистемы.
Для задачи (2) имеется естественное ограничение
где М, V, Р0 - соответственно заданные масса, объем и энергопотребление.
При оценке эффективности АСПЗЭ при проведении практических расчетов накладываются ограничения, прежде всего на стоимость, которая складывается из стоимости реализации технической структуры и стоимости реализации топологической структуры, т. е.:
где Сру - заданная стоимость ремонтного комплекса АСПЗЭ.
В зависимости от проектной ситуации величина Су может включать в себя стоимость как вновь вводимых технических средств, так и средств эксплуатации существующих и вновь вводимых.
1, если для / - й подсистемы используется // - вариант, 0, если последнее не выполняется.
(1)
М = £ т,х, ^ тіп, V = £ у^х, ^ тіп,
Р = £ рьхь ^ тіп, X = £ ^ тіп,
(2)
Ж = £ м,, х,, ^ тах, Т = £ ї.х,, ^ тах.
і-и Ці і і ’ і-и і і і і
£ хх = 1 для всех і.
(3)
Иногда задача может быть поставлена в следующем виде:
Х^тіп, Ж^тах, Т^тах
(4)
М< М0 V<V0 Р< Р0
(5)
Из этого следует, что математические модели, которые будут использоваться при проектировании структуры АСПЗЭ на этапе технического предложения, связаны между собой общими ограничениями на ресурсы.
В моделях для выбора технической структуры АСПЗЭ множества переменных {л/ и {у} соответствуют различным возможным вариантам построения технических средств АСПЗЭ из подсистем. Общее возможное количество вариантов составит величину п , где К- обозначает
1^К
множество подсистем АСПЗЭ. Множество К всегда может быть выбрано так, чтобы включались варианты, предусматривающие индивидуальные средства для каждой подсистемы АСПЗЭ. Но варианты эти выбираются по различным множествам показателей. Таким образом, переменные для выбора топологической структуры АСПЗЭ независимы между собой и не зависят от переменных других моделей.
Создание АСПЗЭ тоннельных сооружений обеспечит:
• повышение надежности и информативности систем противопожарной защиты;
• рациональный режим тушения пожара;
• защиту от взрывов газо- и паровоздушных смесей;
• сокращение эксплуатационно-ремонтного персонала на обслуживание АСПЗЭ;
• полное информационное обеспечение системы управления объектами тоннельных сооружений;
• гарантированную связь с вышестоящими системами и экстренными городскими службами.
Технические системы автотранспортного тоннеля можно разделить на две основные группы:
- технологические системы, обеспечивающие функционирование тоннеля в нормальном режиме (электросети, системы связи, вентиляции, освещения, теленаблюдения, ЦДП и т. д.);
- системы активной противопожарной защиты (резервные электросети, ЦДП, системы связи, дымоудаления, аварийное освещение, системы пожарной автоматики и сигнализации, оповещения и т. д.), обеспечивающие функционирование тоннельного сооружения в аварийном режиме и в случае возникновения чрезвычайной ситуации.
При аварийном режиме работы электроустановок, чрезвычайной ситуации или при тушении пожара в автотранспортном тоннеле, необходимо координировать взаимодействие систем активной противопожарной защиты, системы электроснабжения и устройств электрической защиты электрооборудования для обеспечения эвакуации, оперативной локализации очага возгорания, обеспечения требований электробезопасности и решения других задач. Современный технический уровень устройств пожарной автоматики и аппаратов защиты электроустановок, разработанных на основе микропроцессорных контроллеров, позволяет создавать автоматизированные системы противопожарной защиты электроустановок.
Так как объект контролируется двумя подсистемами: системой защиты электроустановок и системой пожарной сигнализации, то измерение соответствующих признаков х3е {X} и хсе {Хс} позволяет проводить распознавание состояний объекта £■ количество информации, которое получает система распознавания при определении состояния объекта увеличивается за счет совместной обработки признаков (ха, хс). Аппараты защиты электрооборудования и пожарные извещатели реагируют на пороговые значения непрерывно изменяющихся признаков (ха х). В этом случае, при математическом моделировании можно перейти к дискретному описанию непрерывных значений информационных признаков [2].
Аппаратные и программные возможности микропроцессорной техники позволяют создавать различные иерархические структуры АСПЗЭ на основе проведения декомпозиции объекта защиты по топологическим признакам.
Целостность системы, её общесистемные свойства и целенаправленное поведение обеспечивается специализированной организацией, под которой понимается согласование общесистемных функциональных, логических и конструктивных характеристик системы с физическими
процессами, протекающими в системе, и эксплуатационно-организационными мероприятиями, а также наделением подсистем управленческими полномочиями и ответственностью за поведение отдельных подсистем и системы в целом. Последнее достигается специально организованной иерархической распределённой структурой системы управления [3], что позволяет создавать системы защиты, состояние которых может быть выражено следующим образом:
где f- защищаемая зона; г- защищаемый объект; т- число защищаемых зон; п- число защищаемых объектов.
При т= п=1 получим У = У, то есть защищаемый объект представляет собой одну зону, в пределах которой выявляется один нештатный режим.
При п= 1 и т> 1 получим У = У, то есть защищаемый объект вырождается в одну зону, в пределах которой выявляются несколько видов нештатных режимов.
При п> 1, т= 1 получим У = У, то есть защищаемый объект преобразуется в совокупность нескольких зон, в пределах любой из которых возможно выявление только одного вида нештатного режима.
Проектируемая АСПЗЭ предназначена для автоматизированного решения следующих задач: при возгорании электроустановок - для обнаружения пожара в электрооборудовании; генерации и транспортирования огнетушащего вещества определенной концентрации за заданное время; управления техническими средствами оповещения, эвакуации и визуального отображения на мониторе оператора центрального диспетчерского пункта распространения пожара; в отсутствие загазованности или пожара - для обеспечения требуемой готовности технических средств и оперативного персонала к обнаружению и ликвидации загазованности, локализации и тушению пожара, оповещению и эвакуации людей из тоннельного сооружения и технических помещений.
В соответствии с российскими законодательными и нормативными требованиями по обеспечению пожарной безопасности система противопожарной защиты электроустановок автотранспортного тоннеля должна выполнять следующие основные функции, связанные с выполнением профилактических противопожарных мероприятий на эксплуатируемых электроустановках и предотвращением предаварийных режимов их работы, функции по тушению пожаров и контроля состояния технических средств обеспечения пожарной безопасности. Реализация данных функций обеспечивается следующими функциональными системами: центральным диспетчерским пунктом; подсистемой обнаружения и извещения о пожаре; подсистемой оповещения и управления эвакуацией; подсистемой комплексной противодымной защиты; основной и резервной системами энергоснабжения; подсистемой газового пожаротушения; подсистемой порошкового пожаротушения; подсистемой пенного пожаротушения; подсистемой аэрозольного пожаротушения; роботизированными установками пожаротушения; подсистемой информационного и коммуникационного обеспечения.
Таким образом, создание автоматизированной системы противопожарной защиты электроустановок автотранспортного тоннельного сооружения позволит не только обеспечить эффективную противопожарную защиту уникального подземного сооружения, но и получить экономию средств за счет уменьшения количества квалифицированного эксплуатационного персонала и рационального использования ресурсов.
т
п
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воловик М. А. Проектирование структур сложных микропроцессорных систем // Сб. докл. 111-й ме-ждунар. конф. «Микропроцессорные системы автоматики». - Новосибирск, 1996. - С. 11-12.
2. Пархоменко П. П, Согомонян Е. С. Основы технической диагностики / Под ред. П. П. Пархоменко. -М.: Энергия, 1981. - 320 с.
3. Михайлов В В., Кириевский Е В., Ульяницкий Е. М. и др. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты / Под ред. В. П. Морозкина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.
УДК 614.841.5
В. И. Зыков
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России,
Г. Н. Малашенков
кандидат технических наук, доцент кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи Академии ГПС МЧС России
V. Zykov, G. Malashenkov
ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Рассмотрены результаты исследований процессов старения и разрушения изоляции электрических кабелей, приводящих к возникновению токов утечки. На основе полученных результатов разработан метод количественной оценки опасности воспламенения электроизоляционных материалов проводов и кабелей электрических сетей в период их постоянной эксплуатации. Разработано устройство многофункциональной защиты на базе использования трансформатора тока утечки, которое позволяет осуществлять защиту человека от поражения электрическим током.
Ключевые слова: пожарная опасность, электрическая сеть, кабель, провод.
ESTIMATION OF FIRE RISK OF ELECTRIC MAINS
The results of studies of aging and to isolate the electrical cables leading to the emergence of current leakage are given. Based on the results, a method of quantifying the risk of ignition of electric wires and cables of electric networks during an ongoing operation is developed. The multi-device protection, using the transformer leakage current, which allows to protect the human of an electric shock, is developed.
Keywords: fire risk, electric mains, cable, wire.
Кабели и провода электрических сетей промышленных предприятий и жилых домов довольно часто являются причиной пожара. Возникновению пожара способствует появление целого ряда событий, каждое из которых зависит от эксплуатационных параметров электрической сети.
В процессе эксплуатации электрических кабелей и проводов, в зависимости от уровня их защищенности, возможно разрушение изоляции, приводящее к возникновению токов утечки. Этот процесс носит случайный характер и зависит от времени эксплуатации и режимов работы. При оценке пожарной опасности электрических кабелей и проводов необходимо учитывать случайность процесса, приводящего к выходу из строя изоляции.
С точки зрения возникновения пожара интерес представляет определение длительности эксплуатации электрических кабелей и проводов до появления токов утечки, приводящих к короткому замыканию и последующему воспламенению изоляции. Эта длительность определяется
