Эксплуатационные характеристики термокабеля

Линейный тепловой пожарный извещатель или термокабель, незаменим 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 отличии от других типов пожарных извещателей конструкция линейного теплового извещателя в виде термокабеля позволяет защищать оборудование путем контроля повышения его температуры при непосредственном контакте с объектом. Таким образом, защищаются нефте- и газохранилища, трансформаторы, кабельные трассы итак далее. 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.

 

Термокабель был изобретен компанией Protectowire более 80 лет назад. Первые его образцы эксплуатируются без отказов и ложных срабатываний на объектах уже более 70 лет с ежегодным тестированием. Конструктивно термокабель состоит из витых проводников из стали длиной до 2 – 3 км, изолированных по всей длине термочувствительным полимером в защитной оболочке (рис. 1). При его нагреве до температуры срабатывания термочувствительный полимер плавится, проводники замыкаются, изменяется сопротивление цепи, за счет чего обнаруживается очаг. Однако было бы неправильно думать, что любой 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 потребовалась его полная замена на качественный термокабель соответствующий условиям эксплуатации. И в заключение необходимо отметить еще одну специфическую особенность — принцип действия термокабеля определяет необходимость сохранения упругости проводников в течении всего срока службы. Потеря упругости пары проводников – это отказ термокабеля: слабое сдавливание термочувствительного полимера, не обеспечит замыкания проводников при достижении температуры срабатывания. Но эта важнейшая характеристика – надежность — у новых типов термокабеля будет определена только в процессе эксплуатации в ближайшем будущем. Хорошо, если отказ обнаруживается при тестировании, а не при пожаре.

 %D1%80%D0%B8%D1%81.1_%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8F Эксплуатационные характеристики термокабеля

  

Рис. 1. Конструкция термокабеля:

1 – витая пара проводников;

2 – термочувствительный полимер;

3 – внутренняя оболочка;

4 – наружная защитная оболочка

 

За прошедшие 80 лет 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.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. Для удобства использования термокабель выпускается в оболочке различного цвета в зависимости от температуры срабатывания и типа защитной оболочки, с маркировкой по всей длине термокабеля (рис. 2).

 

Protectowire_3 Эксплуатационные характеристики термокабеля

Рис. 2. Маркировка термокабеля определяет его тип и температуру сработки

 

Оболочка термокабеля

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 (Табл. 1). 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,  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 с полимерной оболочкой – до -51 °С, с ПВХ оболочкой и с полипропиленовая оболочкой только до -40 °С.Все типы оболочки одновременно имеют абсолютную устойчивость только к пресной воде, морской воде и поваренной соли.

 

Табл. 1. Устойчивость термокабеля к различным воздействиям

А – абсолютная устойчивость; B – приемлемая устойчивость; С – слабая устойчивость; D– не рекомендуется к применению

 

Воздействие

Тип оболочки

ПВХ

Полимер

Полипропилен

Фторполимер

Трение

C

C

B

A

Низкая температура

B

A

B

A

Высокая температура

C

C

B

A

УФ-излучение

С

B

B

A

Пресная вода

A

A

A

A

Морская вода

A

A

A

A

Поваренная соль

A

A

A

A

Уксусная кислота

D

D

A

A

Серная кислота

D

D

A

A

Соляная кислота

B

B

B

A

Плавиковая кислота

C

C

D

B

Азотная кислота

D

D

D

A

Гидроксид калия

B

B

B

A

Хлорид цинка

C

C

B

A

Гидроксид натрия

A

A

B

A

Ацетон

D

D

B

A

Анилин

C

C

A

A

Бензол

C

C

D

A

Этанол

C

C

B

A

Метанол

A

A

A

A

Глицерин

B

B

A

A

Бутанол

D

D

B

A

Нитробензол

D

D

A

A

Пропанол

A

A

A

A

Этиленгликоль

B

B

A

A

Моторное масло

B

B

B

A

Бензин

C

C

D

A

Толуол

D

D

D

A

Керосин

A

A

D

A

Трихлорэтилен

D

D

D

A

Бутан

C

C

B

A

 

Кроме того, фторполимерная оболочка имеет абсолютную устойчивость к трению благодаря высокой механической прочности, в то время как полипропиленовая оболочка имеет приемлемую устойчивость, а полимерная и ПВХ оболочки – слабую устойчивость. Таким образом, наилучшими эксплуатационными характеристиками обладает термокабель с фторполимерной защитной оболочкой и полностью заменяет полипропиленовый термокабель, поскольку они имеют практически одинаковую цену. Хотя в настоящее время фторполимерный термокабель не так распространен по сравнению с другими видами кабеля. Термокабель с фторполимерной защитной оболочкой незаменим при защите внешних сооружений, кабельных трасс, открытых парковок и так далее, а так же промышленные морозильные камеры обеспечивают экстремально низкие температуры до -60 °С, что определяет ограничение выбора фторполимерным термокабелем.

 

Проблемы подключения термокабеля к ППКП

Не рекомендуется, а в большинстве случаев даже не допускается, подключать термокабель непосредственно к приемно-контрольному прибору (ППКП). По требованиям Приложения А.7.3.3. ДСТУ-Н CEN/TS 54-14:2009   «Кабелі, що з’єднують між собою компоненти системи пожежної сигналізації ….. мають бути обов’язково захищені від завад». Таким образом, при защите кабельных трасс, лотков, электрических щитов и так далее  термокабель должен подключаться к ППКП только через специальный интерфейсный модуль с релейными выходами типа «сухой» контакт. Модули обеспечивают защиту ППКП от электромагнитных помех и гальваническую развязку между термокабелем и входом шлейфа ППКП, что важно не только при защите оборудования с высоким уровнем электромагнитных помех, высоковольтных трансформаторов, генераторов, высоковольтных кабельных трасс (рис. 3), но и просто при значительной длине термокабеля, или при наружном размещении поскольку шлейфы ППКП не имеют грозозащиты в отличии от интерфейсных модулей.

Кроме того даже в простейших случаях необходимо обеспечить корректную работу шлейфа ППКП при срабатывании термокабеля вблизи прибора. Из-за малого сопротивления термокабеля прибор будет фиксировать неисправность, как при коротком замыкании шлейфа. При срабатывании термокабеля на большом расстоянии из-за значительного сопротивления термокабеля шлейф может остаться в дежурном режиме и не перейти в режим «Пожар». Таким образом, необходимо обеспечивать согласование термокабеля по сопротивлению с использованием дополнительных резисторов и корректировкой оконечного резистора, что может быть выполнено только при наличии достоверной информации по ППКП.

 

 

 cable_3 Эксплуатационные характеристики термокабеля

Рис. 3. Защита высоковольтной кабельной трассы термокабелем

В простейшем варианте интерфейсный модуль обеспечивает светодиодную индикацию режима работы одного линейного теплового извещателя и формирует на ППКП сигналы «Пожар» и «Неисправность» посредством переключения контактов реле (рис. 4). Для защиты от разрядов статического электричества термокабель подключается через разрядники и варисторы. Более сложные модули позволяют подключить два термокабеля и индицируют расстояние до очага вдоль термокабеля в метрах, которое определяется по сопротивлению до точки короткого замыкания термокабеля (рис. 6).

 

Protectowire_PIM120 Эксплуатационные характеристики термокабеля

Рис. 4. Интерфейсный модуль с реле и со светодиодной индикацией

Изменение длины термокабеля

Очевидно технические и эксплуатационные характеристики термокабеля определяются не только типом оболочки, но и материалом проводников. При эксплуатации термокабеля в широком диапазоне температур необходимо учитывать не только диапазон рабочих температур, но так же величину изменения сопротивления и длины проводников термокабеля.

%D0%92%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B1%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8F Эксплуатационные характеристики термокабеля

Рис. 5. Величина прогиба 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. 5). Величина прогиба зависит от шага крепления термокабеля и от минимальной температуры эксплуатации (Табл. 2), причем даже кратковременной. Это позволит исключить натяжение термокабеля и его повреждение при минимальных температурах эксплуатации.

 

Табл. 2. Величина прогиба термокабеля в зависимости

от минимальной температуры эксплуатации

 

Минимальная температура эксплуатации

Шаг крепления

Величина прогиба,

минимум

-70 С

1,5 м

19,1 мм (3/4”)

-180 С

1,5 м

22,3 мм (7/8)

— 290 С

1,5 м

25,4 мм (1)

— 400 С

1,5 м

28,6 мм (9/8)

— 510 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 0С в расчете на минимальную температуру эксплуатации -51 0С величина прогиба должна быть не менее 31,8 мм или 5/4 дюйма. Тогда при снижении температуры термокабеля до -51 0С его длина сократится и величина прогиба сократиться примерно до 12,7 мм или 1/2 дюйма. Соответственно при расчете длины термокабеля для спецификации необходимо вводить соответствующее ее увеличение.

Необходимо отметить, что данные, приведенные в Таблице 2 относятся только к термокабелю Protectowire с проводниками из высококачественной стали, для проводников, выполненных из другого материала величина требуемого прогиба может значительно отличаться.

Существенно большее увеличение длины термокабеля требуется при защите кабельных лотков. Термокабель должен располагаться поверх всех кабелей питания и управления в лотке и обязательно в виде синусоиды от одного карая до другого края с периодом не более 1,8 метра не зависимо от ширины лотка (рис. 6). При необходимости прокладки дополнительных кабелей они должны укладываться обязательно под термокабель. В этом случае длина термокабеля ориентировочно увеличивается в зависимости от ширины лотка в соответствие с коэффициентами, приведенными в Таблице 3.

 

Табл. 3. Коэффициент увеличения длины кабеля для лотков

 

Ширина кабельной трассы

Период синусоиды, минимум

Коэффициент, К раз

0,5м

1,8 м

1,15

0,6м

1,8 м

1,25

0,9м

1,8 м

1,50

1,2м

1,8 м

1,75

 

 

%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D0%BA%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8F_%D0%BD%D0%B0_%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B5_%D0%BF%D0%BE_%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%83%D1%81%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D0%B5 Эксплуатационные характеристики термокабеля   

Рис. 6. Прокладка термокабеля на лотке по синусоиде

 

 Изменение сопротивления термокабеля

Сопротивление проводников также зависит от температуры и величина его изменения определяет ошибку измерения расстояния до очага. В проводном термокабеле при достижении температуры срабатывания расплавляется термочувствительный полимер и подпружиненные витые проводники замыкаются между собой. По величине сопротивления проводников до короткозамкнутого участка термокабеля в интерфейсном модуле вычисляется расстояние до очага обычно в метрах и его величина индицируется на дисплее (рис.7).

 Protectowire_PIM430D Эксплуатационные характеристики термокабеля   

Рис.7. Расстояния до очага равно 1929 м

 

Дискрет измерения обычно выбирается равным 1 метру для удобства восприятия, но очевидно это вовсе не значит, что точность измерения так же равна 1 м. В основном ошибка измерения расстояния до очага определяется изменением сопротивления термокабеля при изменении температуры окружающей среды. Причем даже на объекте со стабильным уровнем температуры в дежурном режиме, при пожаре будет неизбежно происходить повышение температуры и увеличение сопротивления значительной протяженности термокабеля.

На сегодняшний день в Украине около 80% рынка занимает оригинальный термокабель с проводниками из специального сплава стали, а оставшиеся примерно 20% делят изделия из разных стран, от Великобритании до Китая, использующие сходный принцип срабатывания – замыкание двух проводников при нагреве полимерной оболочки. Характерно, что практически все изготовители этих изделий утверждают, что «добились значительного снижения удельного сопротивления» в своих версиях термокабеля за счет применения различных сплавов и комбинации металлов, часто меди и никеля. При этом производитель оригинального «родного» термокабеля применяет исключительно стальной сплав с высоким удельным сопротивлением и это не случайно.

 

Таблица 4. Зависимость сопротивления металлов от температуры

Проводник

ρ, Ом·мм²/м

при T = 20°С

ТКR, 1/К

∆R, при

∆T= 10°С

∆R, при

∆T= 50°С

Манганин

0,43 – 0,51

0,015·10-3

0,015%

0,075%

Константан

0,5

0,074·10-3

0,074%

0,37%

Нихром

1,05 — 1,4

0,13 — 0,17·10-3

0,13 — 0,17%

0,65 — 0,85%

Серебро

0,015 — 0,0162

3,819·10-3

3,819%

19,1%

Бронза

0,08

4·10-3

4%

20%

Медь

0,01724 — 0,018

4,041·10-3

4,041%

20,2%

Никель

0,087

5,866·10-3

5,866%

29,33%

 

В Таблице 4 приведены значения коэффициентов TKR, определяющие величину изменения сопротивления различных металлов при изменении температуры. Легко заметить, что высокоомные проводники нихром, константан и манганин имеют слабую зависимость сопротивления от температуры. При изменении температуры на 50 °С их сопротивление изменяется меньше чем на 1% (Табл.4). В противоположность у низкоомных металлов меди, никеля, бронзы и серебра наблюдается значительная зависимость сопротивления от температуры.По оценке экспертов низкоомный термокабель с медью, цинком, никелем или оловом, с сопротивлением порядка 0,2 Ом/м имеет коэффициент температурной зависимости сопротивления порядка 0,4 %/ 0С, тогда как высокоомный кабель с сопротивлением порядка 0,6 Ом/м всего лишь 0,1 %/ 0F или 0,18 %/°С.

Таким образом при одинаковой протяженности термокабеля равной 3 000 м, при изменении температуры на 10 0С максимальная ошибка в случае низкоомного термокабеля составляет 120 м, а в случае высокоомного термокабеля всего лишь 54 м. При изменении температуры на 50 0С, например, с +25 0С, при которых проводился монтаж и юстировка интерфейсного модуля, температура может понизиться до -25 0С зимой, сопротивление низкоомного термокабеля снизится на 20% и вместо 3000 м, индикатор будет показывать 2400 м с ошибкой на 600 м. В этих же условиях при использовании высокоомного термокабеля ошибка составляет всего лишь 270 м. Дополнительное повышение точности измерения в 2 раза можно получить при юстировке показаний интерфейсного модуля на среднюю температуру эксплуатации. Таким образом, точность определения расстояния до очага – основная причина ограничения максимальной длины термокабеля до 2 000 – 3 000 м. Причем для обеспечения такой же точности измерений как у высокоомного термокабеля длина низкоомного кабеля должна быть сокращена более, чем в 2 раза. Необходимо отметить, что этот эффект не зависит от типа интерфейсного модуля и его производителя, поскольку ошибку вносит не модуль, а изменение сопротивления термокабеля.

Таким образом, эксплуатационные характеристики линейного теплового пожарного извещателя термокабеля определяются типом оболочки, электрическими характеристиками проводников, способом прокладки и подключения к ППКП. Наилучшие эксплуатационные характеристики в настоящее время имеет термокабель с фторполимерной оболочкой с проводниками из высококачественной стали с высоким сопротивлением, с малой ошибкой измерения расстояния, с максимальным диапазоном рабочих температур, с сохранением упругости проводников в течении десятилетий. Не надо забывать, что при снижении упругости проводников, при достижении температуры срабатывания продавливания термочувствительного полимера не произойдет, проводники незамкнутся, термокабель не сработает и пожар не будет обнаружен. Самая важная характеристика пожарного извещателя– надежность, у новых типов термокабеля может быть определена только в процессе эксплуатации при регулярном тестировании.

 

 

 

Похожие статьи