CC BY
42УДК 614.841
ДВОЕНКО Олег Викторович
Кандидат технических наук
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
ГУСЕВ Иван Александрович Кандидат технических наук Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
DOI 10.25257/FE.2020.4.11-17
ШУАЫ1ИН0В Андрей Алексеевич Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова, Москва, Россия E-mail: [email protected]
КУЗЬМЕНКО Виктор Алексеевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ СИЛОВЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ И ОБЪЕКТОВ ЕГО ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
В статье рассматриваются проблемные вопросы обеспечения безопасности использования, ликвидации аварий и пожаров автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием и объектов его транспортной инфраструктуры. Рассмотрены особенности таких пожаров и основные причины, служащие источниками их возникновения. Проведён анализ существующих технологий и средств борьбы с подобными пожарами.
Ключевые слова: пожар, авария, транспорт, электромобиль, высоковольтное силовое оборудование, гибридный автотранспорт, станция зарядки, литий-ионная батарея.
В настоящее время увеличивается число автомобилей, работающих на основе гибридных и высоковольтных силовых установок. Тенденция такого стремительного развития, производства и внедрения обусловлена складывающейся экономической обстановкой на рынке нефтепродуктов и более жёсткими требованиями, которые предъявляются новыми
экологическими стандартами. В основном, это нарастающая проблема загрязнения атмосферы нашей планеты, так как ежегодно автотранспорт производит выброс в атмосферу более 10 млрд т углекислого газа С02.
Мировая статистика показывает интенсивный рост количества электротранспорта, применяемого для перевозок пассажиров и грузов (рис. 1).
Рисунок 1. Тенденция роста количества электротранспорта в мире: ■ - США; ■ - Китай; ■ - Япония; - Германия; ■ - Норвегия; ■ - Франция; - Европа (ост.); ■ - остальные страны Figure 1. The trend of the growing number of electric transport in the world: ■ - USA; ■ - China; ■ - Japan; - Germany; ■ - Norway; ■ - France; - Europe (other); ■ - other countries
© Двоенко О. В., Гусев И. А., Шульпинов А. А., Кузьменко В. А., 2020
11
Подобный рост наблюдается и на российском рынке. Согласно имеющимся данным, первый гибридный автомобиль в России появился в 2005 г., а в конце 2014 г. количество проданных автомобилей такого рода составило 14917 единиц. На 1 января 2020 года количество электромобилей в российском автопарке составило более 6 300 единиц, а гибридных - более 81 000 единиц [1].
Второй причиной развития рынка автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием является его внедрение в городскую транспортную структуру в качестве маршрутного такси. В сравнении с обычными видами транспорта, электробусы имеют ряд преимуществ:
- высокая производительность;
- экологичность;
- экономичность;
- комфортабельность;
- бесшумность;
- низкая стоимость технического обслуживания.
По информации ГУП «Мосгортранс», на ноябрь
2020 г. количество электробусов на территории Москвы составляет более 535 экземпляров. Ежедневно электробусами перевозится более 100000 пассажиров, а годовой пассажиропоток составляет более 11 млн чел. [2,11].
Использование современного автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием даёт различные весомые преимущества, но вместе с тем аварии и пожары с его участием ведут к более тяжёлым последствиям и большему экономическому и экологическому ущербу в связи с наличием силовых установок и источников питания.
Следует сказать, что в Транспортной стратегии Российской Федерации прописаны перспективы развития и цели автомобильной промышленности, которые направлены на снижение негативного воздействия транспорта на атмосферу, окружающую среду и здоровье человека. Важным положением стратегии является не только соблюдение требований экологических стандартов, но и обеспечение безопасности транспортной системы. Одним из элементов безопасности автотранспортной структуры является обеспечение пожарной безопасности автомобильного транспорта.
Казалось бы, очевидные преимущества электромобилей и использование в них современных технологий с высоковольтными силовыми установками обеспечивают должную безопасность автовладельцев и пассажиров, но произошедшие за последние годы аварии и пожары с их участием имели тяжёлые последствия. Причиной таких последствий стало наличие в электротранспорте элементов питания.
Основой системы питания электромобилей является использование литий-ионных батарей, размещённых в блоках. Литий, применяющийся в качестве энергоносителя батареи, является активным щелочным металлом, что и обуславливает его высокую по-жаровзрывоопасность.
Рисунок 3. Образование дендритов лития в процессе эксплуатации батареи Figure 3. Formation of lithium dendrites during battery operation
Рисунок 2. Многосекционная литий-ионная батарея электромобиля Figure 2. Multi-cell lithium-ion battery of an electric vehicle
Существует ряд возможных причин возникновения пожара в литий-ионной батарее, основными из которых являются следующие.
1. Разгерметизация или повреждение батареи. При повреждении батареи и нарушении её целостности происходит растекание электролита. При взаимодействии лития с воздухом происходит термохимическая реакция окисления, которая приводит к воспламенению с выделением энергии:
41л + 02 = 21120 + 1191,6 кДж.
2. Перегрев, неправильная зарядка и разрядка батареи. В процессе зарядки электромобиля происходит потребление до 600 кВт электроэнергии, в результате происходит электрохимическая реакция, при которой батарея очень сильно нагревается. В результате происходит неконтролируемый тепловой разгон с последующим возможным взрывом батареи [7, 8].
3. Короткое замыкание. Причиной короткого замыкания является «прорастание» дендритов (ветвистых выступов, выходящих из металлической поверхности лития) (рис. 3). Происходит это из-за
воздействия низких температур окружающей среды, неправильной эксплуатации и чрезмерно быстрой зарядки [6].
Тушение пожаров электротранспорта в настоящее время является очень серьёзной проблемой для пожарно-спасательных подразделений. Обусловлено это многими факторами, начиная от отсутствия эффективных огнетушащих веществ и средств их подачи, заканчивая отработанной технологией ликвидации последствий аварии уже после тушения.
На сегодняшний момент для тушения пожаров электротранспорта могут применяться различные виды огнетушителей:
1) хладоновые огнетушители при напряжении до 380 В;
2) порошковые до 1 000 В;
3) углекислотные до 10 000 В.
Применение хладоновых и углекислотных огнетушителей нецелесообразно, так как на открытом воздухе они малоэффективны. Предпочтение можно отдать порошковым огнетушителям. Подача порошкового состава в очаг горения происходит путём засыпания. Главным недостатком при использовании порошковых составов является невозможность обеспечения безопасного расстояния между очагом горения и лицом, осуществляющим тушение, и необходимость работы непосредственно у очага пожара при очень высокой температуре и угрозе взрыва [10].
Аналитический обзор зарубежного практического опыта тушения пожаров электротранспорта позволил выделить основные аспекты применяемой технологии.
На каждом этапе особое внимание уделяют защите органов дыхания и зрения личного состава подразделений пожарной охраны, принимающих участие в тушении. При горении электротранспорта происходит выделение едкого дыма и токсичных газов, что может привести к поражению путей дыхательной системы и органов зрения [9].
Весь процесс ликвидации последствий аварии и пожара электротранспорта можно разбить на три этапа (рис. 4).
На первом этапе на место дорожно-транспортного происшествия приезжает от 5 до 7 пожарно-спа-сательных подразделений в количестве 30-40 чел. Проводится оцепление местности вокруг электромобиля в радиусе 200-300 м. После этого осуществляется тушение возгорания со ствольной техники с подачей большого количества огнетушащих веществ с большого расстояния.
На втором этапе, после того, как электромобиль потушен, его помещают с помощью подъёмника в специальный контейнер и увозят на полигон или выделенную площадку. После этого устраняют последствия аварии с проезжей части.
На третьем этапе контейнер с электромобилем полностью заполняют водой и оставляют под наблюдением на срок до 48 ч, с целью избегания повторного возгорания. Герметичность контейнера препятствует
утечке воды, в которой содержатся соединения лития, кобальта, никеля, меди, кислот, и других соединений, содержащихся в повреждённых аккумуляторах и применяемых в автомобиле. Затем происходит передача электромобиля и отработанной воды в специальную организацию для дальнейшей утилизации [3].
Казалось бы, на данный момент данная методика тушения пожара является наиболее эффективной, но обратим внимание на химические свойства лития. Для тушения пожара в качестве огнетушаще-го вещества используют воду, а при взаимодействии лития с водой происходит выделение водорода, что при наличии рядом источника зажигания приводит к моментальному взрыву [4, 5]:
2Ь1 + 2Н20 ^ 2ЬЮН + Н21
Помимо существующей опасности взрыва возникает угроза поражения участников тушения пожара электрическим током. При повреждении высоковольтной аккумуляторной литий-ионной батареи происходит растекание электролита, повышающего риск возникновения шагового напряжения на поверхности дороги. Если до тушения пожара электромобиль не будет своевременно обесточен, то при подаче огнету-шащих веществ может возникнуть ток утечки по струе.
Не менее важным вопросом является и способ идентификации автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием в случае дорожно-транспортных происшествий. Выпускаемые электромобили имеют различные конструкционные отличия размещение батареи, токоведущих систем и т. п.), что может серьезно повлиять на выбор методов и способов ликвидации аварии, а также позволит снизить время для устранения её последствий. В настоящее время могут быть использованы различные способы идентификации электромобилей, вплоть до использования ОЯ-кодирования с размещением соответствующего знака на электромобиле.
Ещё одним элементом инфраструктуры электротранспорта являются зарядочные станции. В 2020 г. количество зарядных станций на территории Российской Федерации превысило отметку в 160 единиц, из которых более 40 находятся на территории Москвы. С 2018 г. спрос на зарядку электротранспорта увеличился в 3 раза.
Главным требованием для зарядочных станций электромобилей является обеспечение защиты от тока высокого напряжения. Проектирование и размещение этих станций должно осуществляться в соответствии с нормативными требованиями действующих стандартов и руководящих документов, без каких-либо отклонений [12]. Однако в процессе зарядки электромобиля может происходить разогрев его батареи с последующим взрывом.
Таким образом, для повышения пожарной безопасности указанных объектов требуется внедрение дополнительных систем пожаротушения, в которых бы использовались специальные огнетушащие составы.
б
в
Рисунок 4. Этапы ликвидации последствий аварий электротранспорта подразделениями пожарной охраны Австрии (фотографии аварии взяты с Австрийского новостного портала федеральной земли Тироль): а - оцепление места аварии, тушение возгорания; б - перемещение электромобиля в специальный контейнер; в - отправка контейнера на полигон и заполнение его водой Figure 4. Stages of eliminating the consequences of electric transport accidents by the Austrian fire brigades (photos of the accident were taken from the Austrian news portal of the federal state of Tyrol):
a - cordoning off the accident site, extinguishing the fire; b - moving the electric vehicle into a special container; c - sending the container to the testing ground and filling it with water
Резюмируя вышеперечисленное, сделаем вывод, что на сегодняшний день проблема тушения пожаров автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием и объектов его транспортной инфраструктуры является малоизученной и весьма актуальной. Остро стоят вопросы о создании новых средств пожаротушения, применении эффективных огнетушащих веществ, разработке методических рекомендаций по тушению пожаров подобного рода, а также разработке мероприятий по обеспечению безопасности владельцев и пассажиров
автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием.
Успешное решение данных вопросов позволит разработать принципиально новую концепцию, направленную на совершенствование технологии ликвидации пожаров автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием и объектов его транспортной инфраструктуры, с учётом аспектов обеспечения безопасности участников дорожного движения и сотрудников пожарно-спасательных подразделений, непосредственно участвующих в тушении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шакалов И. П., Конев А. А., Шакалова А. А. Анализ доли гибридных и электрических автомобилей в потребительском секторе РФ // Проблемы исследования систем и средств автомобильного транспорта: Сборник материалов международной очно-заочной научно-технической конференции. 2017. Тула: Тульский государственный университет. С. 101-104.
2. Московский транспорт - 2020. Новые трамваи, электробусы и вагоны метро [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.sobyanin.ru/moskovskiy-transport-2020 (дата обращения 15.11.2020)
3. Для охлаждения батареи электромобиля Tesla после ДТП понадобилось 11 тонн воды и специальный контейнер для эвакуации [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr. com/ru/news/t/470896/ (дата обращения 15.11.2020)
4. Баратов А. Н., Корольченко А. Я., Кравчук Г. Н. и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. изд.: в 2 книгах. М.: Химия, 1990. 496 с.
5. Чибисов А.Л., СоинаЕ. А., Габриэлян С. Г., Смирнова Т. М., Габриэлян Г. С. Предельные условия и особенности воспламенения, горения и тушения различных металлов // Водородное материаловедение и химия гидридов металлов: Сборник тезисов VII международной конференции. Ялта, 2001. С. 416.
6. Правила устройства и безопасной эксплуатации установок, работающих со щелочными металлами. 2-е изд., пере-раб. и доп. [Электронный ресурс]. Консорциум «Кодекс»: электронный фонд нормативно-технической и нормативно-
правовой информации: сайт. Режим доступа: http://docs.cntd. ru/document/1200085162 (дата обращения 15.11.2020).
7. Luo W, Zhu S, Gong J., Zhou Z. Research and Development of Fire Extinguishing Technology for Power Lithium Batteries // Procedia Engineering. 2018. No. 211. Pp. 531-537. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.12.045
8. Feng X, Ouyang M, Liu X, Lu L, Xia Y, He X. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review // Energy Storage Materials. 2018. Vol. 10. Pp. 246-267. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.05.013
9. Вишняков Я. Д. Безопасность жизнедеятельности: Учебник. Люберцы: Юрайт, 2015. 543 c.
10. Алешков М. В., Емельянов Р. А, Колбасин А. А, Федяев В. Д. Применение сплошных водных струй при тушении электроустановок под напряжением на объектах атомной энергетики // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2014. № 4. С. 17-23.
11. Надич О. А., Карев В. Ф. Преимущества эксплуатации электробусов // Современные тенденции развития науки: Сборник материалов международной (заочной) научно-практической конференции / Под общ. ред. А. И. Вострецова. Астана, 2018. С. 85-88.
12. Парковки и зарядные станции для электромобилей [Электронный ресурс]. Московский транспорт: сайт. Режим доступа: http://transport.mos.ru/#a2 (дата обращения 14.11.2020).
Материал поступил в редакцию 26 ноября 2020 года.
Oleg DVOENKO
PhD in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Ivan GUSEV PhD in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Andrei SHULPINOV
Russian University of Economics named after G. V. Plekhanov,
Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Viktor KUZMENKO
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
FIRE SAFETY OF MOTOR VEHICLES WITH HIGH VOLTAGE POWER EQUIPMENT AND ITS TRANSPORT INFRASTRUCTURE OBJECTS
ABSTRACT
Purpose. The obvious advantages of vehicles with high-voltage power equipment ensure the proper safety of both owners and passengers, but the accidents and fires that have occurred with the involvement of electric motor transport in recent years have had serious consequences. The severity of these consequences results from the presence of batteries in electric motor vehicles. The article studies the main aspects of eliminating fires and accidents of vehicles with highvoltage power equipment and objects of the transport infrastructure both in Russia and abroad.
The authors see their mission in improving technology for extinguishing fires at these objects.
Methods. The methods of analytical review, statistics and synthesis of scientific and technical information on the topic under study have been used.
Findings. The basis of the power supply system for electric vehicles is the use of lithium-ion batteries placed in blocks. Lithium, which is used as a battery power source, is an active alkali metal, which results in its high fire and explosion hazard. This implies the need to develop special fire extinguishing compositions for extinguishing fires in electric vehicles.
Also, in the process of charging an electric vehicle, its battery may get heated with a subsequent explosion, therefore, to increase the fire safety of charging stations it is proposed to introduce additional fire extinguishing systems, where special fire extinguishing substances should be used.
Research application field. The results obtained can be used in developing and producing new fire extinguishing media, the use of the effective fire extinguishing substances, working out the guidelines for extinguishing fires of this kind, as well as developing measures to ensure the safety of owners and passengers of vehicles with high-voltage power equipment.
Conclusions. The outcomes of the given research will be used to develop a concept aimed at improving the technology for eliminating fires in vehicles with high-voltage power equipment and objects of transport infrastructure, with consideration of the aspects of ensuring the safety of road users and the personnel of fire and rescue units directly involved in extinguishment.
Key words: fire, accident, transport, electric car, high-voltage power equipment, hybrid vehicles, charging station, lithium-ion battery.
REFERENCES
1. Shakalov I.P., Konev A.A., Shakalova AA. Analiz doli gibridnykh i elektricheskikh avtomobilei v potrebitelskom sektore RF. Problemy issledovaniia sistem i sredstv avtomobilnogo transporta: Sbornik materialov mezhdunarodnoi ochno-zaochnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Analysis of the share of hybrid and electric cars in the consumer sector of the Russian Federation. Problems of research of systems and means of road transport: Proceedings of the international part-time scientific and technical conference]. Tula, Tula State University Publ., 2017. Pp. 101-104.
2. Moscow transport - 2020. New trams, electric buses and metro cars Available at: https://www.sobyanin.ru/moskovskiy-transport-2020 (accessed November 15, 2020) (in Russ.).
3. To cool the battery of a Tesla electric vehicle after an accident, it took 11 tons of water and a special container for evacuation. Available at: https://habr.com/ru/news/t/470896/ (accessed November 15, 2020) (in Russ.).
4. Baratov A.N., Korolchenko A.Ya., Kravchuk G.N. et al. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniia [Fire and explosion hazard of substances and materials and means of their extinguishing]. Moscow, Khimiia Publ., 1990. 496 p.
5. Chibisov A.L., Soina E.A., Gabrielyan S.G., Smirnova T.M., Gabrielyan G.S. Predelnye usloviia i osobennosti vosplameneniia,
goreniiai tusheniiarazlichnykh metallov. Vodorodnoematerialovedenie i khimiia gidridov metallov: Sbornik tezisov VII mezhdunarodnoi konferentsii [Limiting conditions and features of ignition, combustion and extinguishing of various metals. Hydrogen material science and chemistry of metal hydrides. Proceedings of the VII international conference]. Yalta, 2001. P. 416 (in Russ.).
6. Pravila ustroistva i bezopasnoi ekspluatatsii ustanovok, rabotaiushchikh so shchelochnymi metallami [Rules for the design and safe operation of installations working with alkali metals]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200085162 (accessed November 15, 2020) (in Russ.).
7. Luo W., Zhu S., Gong J., Zhou Z. Research and Development of Fire Extinguishing Technology for Power Lithium Batteries. Procedia Engineering. 2018, no. 211, pp. 531-537. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.12.045
8. Feng X., Ouyang M., Liu X., Lu L., Xia Y., He X. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review. Energy Storage Materials. 2018, vol. 10, pp. 246-267. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.05.013
9. Vishnyakov Ya.D. Bezopasnost zhiznedeiatelnosti [Safety of life]. Lyubertsy: Yurayt Publ., 2015. 543 p.
16
© Dvoenko O., Gusev I., Shulpinov A., Kuzmenko V., 2020
10. Aleshkov M., Emelyanov R., Kolbasin A., Fedyaev V. Application of water jets in extinguishing energized electric installations at nuclear power facilities. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia (Fire and emergencies: prevention, liquidation). 2014, no. 4, pp. 17-23 (in Russ.).
11. Nadich O.A., Karev V.F. Preimushchestva ekspluatatsii elektrobusov. Sovremennye tendentsii razvitiia nauki: Sbornik
materialov mezhdunarodnoi (zaochnoi) nauchno-prakticheskoi konferentsii [Benefits of operating electric buses. Modern trends in the development of science. Proceedings of the international (correspondence) scientific and practical conference]. Astana, 2018. Pp. 85-88 (in Russ.).
12. Parking lots and charging stations for electric vehicles. Available at: http://transport.mos.ru/#a2 (accessed November 14, 2020) (in Russ.).
