Модель автоматизированной микросистемы учета энергоресурсов и пожаровзрывозащиты жилого сектора

Долаков Тимур Бекович Начальник отдела, ГУ МЧС России по Краснодарскому краю 350058, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 179, оф. 48 Dolakov Timur Bekovich Head of the Department, Head Office of the Ministry of Emergency situations of Russia in Krasnodar Krai 350058, Russia, g. Krasnodar, ul. Stavropol'skaya, 179, of. 48 dolakov23@gmail.com

Олейников Сергей Николаевич кандидат технических наук Заместитель начальника факультета, Академия государственной противопожарной службы МЧС России 129366, Россия, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4 Oleinikov Sergei Nikolaevich PhD in Technical Science Deputy of the Head of the Faculty, Academy of State Fire Prevention service, Ministry of Emergency situations of Russia 129366, Russia, g. Moscow, ul. Borisa Galushkina, 4 vbfiremen@bk.ru Другие публикации этого автора

Статистика показывает, что за последние 11 лет, в сельских районах Краснодарского края, время обнаружения пожаров составляет, в среднем, 15,9 мин. (рис.1), а среднее время прибытия к месту пожара – 14,7 мин. (рис.2). Первое обусловлено тем, что пожарная сигнализация, как правило, отсутствует на подавляющем количестве объектов (процент объектов, оборудованных АУС и АУП - 0,67%), а второе – удаленностью и низкой средней скоростью движения пожарного автомобиля – 47,4 км/ч ^[1,2].

Рис. 1 - Гистограммы времён обнаружения пожаров в сельских районах

Рис. 2 - Гистограммы времён прибытия на пожар в сельских районах

Рис. 3- Гистограммы радиусов выезда боевых расчетов ПЧ

Углубленный анализ пожаров показал, что 73,51% всех пожаров в сельских районах получают развитие в результате:

- позднего обнаружения (>10 мин.) - 40,67% пожаров, в которых погибает 49,57% и травмируется 13,09% пострадавшего населения, а ущерб составляет 46,69%;

- позднего прибытия (удаленность >5 км.) - 25,29% пожаров, в которых погибает 16,03% и травмируется 9,45% пострадавшего населения, а ущерб составляет 38,22%;

- из-за отсутствия/неисправности водоисточников, пожарных автомобилей и первичных средств пожаротушения - 7,56% пожаров, в которых погибает 1,48% и травмируется 7,46% пострадавшего населения, а ущерб составляет 1,59% ^[1].

На гистограммах (рис.1-3) отчетливо видно, что наибольшее количество пожаров и ущерб от них в сельских районах, сосредоточены за пределами оперативно-тактических возможностей гарнизонов, т.к. из-за отсутствия сообщения о пожаре ФПС МЧС России не выезжает на каждый 4-й пожар, на котором происходит гибель каждого 2-го и травмируется 2 из 3-х из пострадавших от пожаров, а также уничтожается каждая 8-я единица сельхозтехники, каждый 12-й кв.метр площадей, каждая 15-я голова крупного рогатого скота (КРС) и приносится 6-я часть прямых материальных потерь.

Таким образом, можно однозначно утверждать, что основными причинами возрастающих потерь от пожаров является:

- позднее обнаружение,

- позднее прибытие к месту пожара,

- отсутствие первичных средств пожаротушения.

Указанные причиныне зависят от оснащенности и боевой подготовки федеральной противопожарной службы (ФПС) МЧС России, т.к. за оснащение средствами пожарной сигнализации и первичными средствами пожаротушения, включая организацию добровольной пожарной охраны (ДПО), в соответствии с 69-ФЗ «О пожарной безопасности» отвечают Администрации и ВДПО регионов (региональные отделения Всероссийского добровольного пожарного общества).

В последнее годы в России участились случаи взрывов природного газа в жилых домах. Так по данным ОАО «Росгазификация», ежегодно в жилом секторе происходят порядка 230 различных инцидентов, связанных с использованием газа. При этом, число взрывов и ущерб от них возрастает (рис.4), а «Ростехнадзор» возлагает вину за произошедшее на человеческий фактор ^[3].

Рис.4 - Графики числа взрывов газа, травм, погибших и ущерба в жилом секторе России

Эпицентры взрывов в подавляющем большинстве случаев находились внутри индивидуальных домов и квартир. При этом около 80 % пострадавших отравились оксидом углерода, а 20 % - в результате взрывов газовоздушной смеси и пожаров ^[3].

Известно, что низкое качество потребляемой электроприборами электроэнергии (например,пониженное или повышенное напряжение, фазовый сдвиг тока и напряжения и т.д.) уменьшает технический ресурс электроприборов и создает условия для возникновения в них пожароопасных отказов, т.е. увеличивает вероятность пожаров по электротехническим причинам ^[4].

Рис. 5 – Источники пожаров в жилом секторе

Рис. 6 – Последствия от источников пожаров в жилом секторе

Учитывая, что из-за количества и качества потребляемой электроэнергии, газа и угля в жилом секторе сельских районов, возникает более 70% пожаров и свыше 80% ущерба (рис. 5,6), для обеспечения пожарной безопасности индивидуальных домов и квартир, необходимо создавать локальные микросистемы пожаровзрывозащиты индивидуальных домов и квартир на основе электро-счетчиков извещателей, разработанных в России ^[5,6].

Запатентованный электросчетчик-извещатель (ЭСИ) измеряет и оцифровывает сетевое напряжение и потребляемый ток в реальном масштабе времени (рис.7), с вычислением стандартных параметров качества электроэнергии, по которым вычисляется и отдельно визуализируется потребленная электроэнергия с допустимым качеством и - недопустимым, значения которых умножаются на соответствующие константы вероятности пожаров по электротехническим причинам, и в результате суммирования указанных результатов по формуле (1), определяется и визуализируется пожарно-электрический вред, который подлежит налогообложению ^[6]

.

Рис. 7 – Электросчетчик-извещатель (патент РФ на полезную модель № 13459)

ПЭВ = kДж·(РД·Wд + РНД·Wнд), (1)

где ПЭВ – пожарно-энергетический вред за время t, kДж – коэффициент перевода киловатт/час в Джоули (3.6 мДж), РД – вероятность пожара по электротехническим причинам при допустимых отклонениях параметров электроэнергии, Wд – количество потребленной электроэнергии при допустимых отклонениях её параметров, РНД – вероятность пожара по электротехническим причинам при недопустимых отклонениях параметров электроэнергии Wнд – количество потребленной электроэнергии при недопустимых отклонениях её параметров.

Раннее обнаружение опасных факторов пожара (ОФП) в ЭСИ осуществляется с помощью прокачивания воздуха защищаемых помещений через аспирационную систему с ЭСИ (рис.8), в котором,для достоверного обнаружения опасных факторов пожара в помещениях, установлены три разных датчика, синхронно реализующих три разных способа регистрации ОФП – тепловой, дымовой и газовый, по коррелированным значениям которых с учетом вычисленного пожарно-электрического вреда, происходит идентификация ложных сигналов или пожара, о чем выдается прерывистый звук тревоги, который транслируется в ближайшую пожарную часть по радиоканалу (рис. 7), при этом данные о потребленной электроэнергии с допустимым и недопустимым качеством по тому же радиоканалу могут быть переданы в органы энергонадзора и энергосбытовые организации ^[6].

Рис. 8 - Схема аспирации с ЭСИ

Эффективность функционирования ЭСИ в сравнении с обычными аспирационными системами раннего обнаружения пожара заключается в том, что, ещё до появления дыма и пламени, ЭСИ может «обнаружить пожароопасный режим» электроприборов, и, «не дожидаясь» загорания и сигналов от датчиков ОФП, отключить электроэнергию, если пожароопасный режим достигнет - «пожароугрожаемого», чем осуществит предотвращение загорания вообще.

Дело в том, что общепринятое моделирование температурного режима развития пожара (рис. 9) осуществляется по уравнению «стандартного пожара» ^[7]:

T = 345lg(8t+1) (2)

где T – температура, ͦ С; t – время, мин.

Рис. 9 - Графики температуры очага «стандартного пожара»

Производная от указанного уравнения (2) является гиперболической функцией (рис.9) асимптотически приближающейся к оси «t» (3), т.е. к нулевому значению скорости нарастания температуры (производной Т):

T‘.=150/(8t+1) – производная температуры, град/мин. (3)

Результаты исследований свидетельствуют о том, что все существующие «пороговые извещатели» (тепловые, газовые и т.д.) имеют большие погрешности потому, что на начальной стадии загорания отсутствуют экстремумы ОФП. Таблица (таб.1) и графики функций компонент ОФП (рис.10-12) подтверждают это ^[7,8].

Именно поэтому существующие системы пожарной сигнализации имеют многочисленные ложные срабатывания, т.к. любым узлом таких датчиков обнаружения предельных концентраций газовых компонент ОФП в помещениях, дыма и температуры, невозможно идентифицировать возникновение пожара на начальной стадии, из-за отсутствия максимумов на ней ^[1,9].

Таблица 1 – Нормированные значения опасных факторов пожара

Рис. 10 - График зависимости среднеобъемной концентрации монооксида углерода

Рис. 11- График зависимости среднеобъемной концентрации кислорода

Рис. 12 - График зависимости среднеобъемной оптической плотности дыма

Примечание: приведены примеры прогнозирования динамики ОФП с использованием интегральной математической модели пожара, которую реализует программа INТМОDЕL, разработанная на кафедре ИТиГ Академии ГПС МЧС России, в которой. для численного решения системы дифференциальных уравнений использован метод Рунге-Кутта-Фельберга 4-5 порядка точности с переменным шагом

С точки зрения применения аспирационной системы, ситуация остается такой же, т.к. скорость потока в трубопроводе, определяется характеристиками вентилятора, а также диаметрами и количеством «точек всасывания», число которых редко составляет менее десятка, в связи с тем, что трубопровод, как правило, «охватывает» несколько защищаемых помещений (рис.8), поэтому концентрация газовых компонентов от загорания в одном из них, «разбавляется» в трубопроводе до прихода в измерительную камеру в несколько раз. Этот же вывод справедлив и для частиц дыма, т.к. задымленность и скорость её нарастания осуществляется путем регистрации рассеяния оптического излучения частицами дыма, о чем свидетельствует метод определения коэффициента дымообразования в ГОСТ 12.1.044 «Пожаровызрывоопасность веществ и материалов» и принципы работы дымовых пожарных извещателей ^[9].

Таким образом, с точки зрения раннего обнаружения пожара ЭСИ имеет не конкурируемое качество в сравнении с любыми пожарными извещателями, т.к. речь идет о новом понятии (характеристике) – пожарно-электрическом вреде, который призван заменить качественный (дискретный и латентный) подход в диагностике и мониторинге разных состояний контролируемого объекта - на количественный (аналитический и временной), позволяющий осуществлять непрерывный контроль за расходованием пожаробезопасного ресурса электроприборов, чтобы вовремя прекратить их эксплуатацию (в т. ч. для осуществления планового ремонта, продлевающего этот ресурс), пока очередной пожароопасный отказ не привёл к возникновению пожара ^[10].

Для аналогичного предотвращения взрывов от утечки бытового газа, было решено дополнить ЭСИ датчиком утечки бытового газа, а для предотвращения утечки и последующего взрыва, установить на газопроводе счетчик потребления газа с электромагнитным клапаном, отключающим подачу газа в этом случае по сигналу датчика из ЭСИ ^[10,11].

Наиболее подходящим для этого случая является газовый счетчик Гранд-SPI (рис.13) с электромагнитным клапаном перекрытия газопровода, который предназначен для коммерческого учёта количества потребляемого природного газа индивидуальными потребителями, и состоит ^[10-12]:

Рис. 13 - Газовый счётчик Гранд-SPI

- из преобразователя расхода газа - струйный генератор и пьезоэлемент;

- встроенный датчик температуры;

- встроенный датчик давления для исполнений TP и TPz;

- аналого-цифровой блок;

- вычислительный блок;

- интерфейсный блок;

- элементы питания;

- корпус счетчика с присоединительными патрубками;

- GSM/GPRS модем (в зависимости от исполнения);

- запорный клапан (в зависимости от исполнения).

Обмен данными газового счетчика и управление электромагнитным запорным клапаном с внешними устройствами (рис.14-16), с ЭСИ в частности, может осуществляться посредством встроенного GSM-модема или проводами с технологического разъема ^[12].

Рис. 14 – Схема подключения с ПК

Рис. 15 – Схема подключения внешнего датчика утечки бытового газа

Рис. 16 – Схема подключения импульсного выхода данных

Однако, из выше приведенной статистики ОАО «Росгазификация» и ряда пожарно-технических экспертиз следует, что некоторые взрывы и пожары в жилом секторе возникали из-за утечки из внешних газопроводов, путем натекания в квартиры первых этажей и его взрыва/загорания, от искрообразования в электроустановочных изделиях ^[3].

Поэтому необходимо дополнительно установить в ЭСИ датчик утечки бытового газа, чтобы обнаружить подобную утечку через аспирационную систему и предотвратить взрыв, путем отключения электроэнергии в квартире ^[11].

В этом случае комплексирование газового счетчика с ЭСИ превращает его в электро-газо-счетчик-извещатель (ЭГСИ) опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) от утечки бытового газа, с возможностью определения уже пожарно-энергетического вреда по формуле ^[10,11,13]:

ПЭВ = kДж·(РД·Wд + РНД·Wнд) + qгРГ·Wг , (4)

где ПЭВ – пожарно-энергетический вред за время t, РГ – вероятность пожара от газовых приборов, kДж – коэффициент перевода киловатт/час в Джоули (3,6 мДж), qг - теплотворная способность газа (35 мДж/м3), остальные обозначения те же, что в формуле (1).

Однако такая модификация потребовала введения микроконтроллера и других принципиальных изменений (рис.5.6). Применение микроконтроллера и модулей ввода-вывода позволяет повысить достоверность диагностики ОФПВ, путем периодического отключения/подключения с помощью электромагнитного клапана трубопровода аспирационной системы от ЭГСИ, для регистрации и записи в память значения температуры, окиси углерода, задымленности и концентрации бытового газа в помещении, где установлен ЭГСИ (как правило, это прихожая), с целью сравнения и идентификации, как возникающих изменений в остальных защищаемых помещениях, так и момента «исчезновения ОФПВ», после отключения газа и электроэнергии, для предотвращения взрыва и пожара ^[10,11].

Рис. 17 – Реализация ЭГСИ на микроконтроллере с GSM-радиомодемом

Применение GSM-радиомодема позволило реализовать обмен данными о потреблении электроэнергии и газа с соответствующими снабжающими организациями/управляющими компаниями, а также следующие типы тревожных сигналов и алгоритмы их функционирования ^[11,14]:

- звуковые и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ в месте расположения ЭГСИ (утечка бытового газа, пожароопасный диапазон потребления электроэнергии, отключение электроэнергии, загорание, эвакуация), которые можно отключить кнопкой «сброс оповещения», если кто-то из лиц, находящихся в защищаемых помещениях смог принять меры по ликвидации ОФПВ, при этом SMS-сообщение владельцу защищаемых помещений и управляющей компании будет отправлено в обязательном порядке;

- звуковые и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ в месте расположения ЭГСИ и передачу SMS-сообщения через GSM-радиомодем с сохранением квитанции его доставки в памяти, при отсутствии через установленный интервал времени «сброса оповещения» (отсутствия лиц в защищаемых помещениях или недостаточностью принятых мер после первого «сброса»), при утечке бытового газа - в газоаварийную службу, в управляющую компанию и владельцу, при пожароугорожаемом диапазоне потребления/отключения электроэнергии - в энергонадзор, в энергосбытовую организацию, в управляющую компанию и владельцу, при пожаре (загорание плюс эвакуация) – в пожарную охрану, в управляющую компанию и владельцу.

Принимая во внимание, что сельские населенные пункты «страдают» от не качественности электроэнергии значительно сильнее, чем города, дальнейшее совершенствование ЭГСИ осуществлялось по двум направлениям ^[15,16]:

первое – дополнение ЭГСИ блоком компенсации реактивной мощности, для сглаживания колебаний потребляемой электроэнергии;

второе – дополнение ЭГСИ блоком сепарации воздуха, что позволит создать принципиально новый вид первичного средства пожаротушения.

Известно, что электрическая энергия состоит из двух частей - активной и реактивной. Первая преобразуется в различные виды полезной энергии (тепловую, механическую и пр.), вторая – создаёт электромагнитные поля в нагрузке (трансформаторы, электродвигатели, дроссели, индукционные печи, осветительные приборы). Несмотря на необходимость реактивной энергии для работы указанного оборудования, она дополнительно нагружает электросеть, увеличивая потери активной составляющей. Это приводит к тому, что промышленный потребитель принужден дважды платить за одну и ту же энергию. Сначала по счётчику реактивной энергии и ещё раз косвенно, как потери активной составляющей, фиксируемые прибором учёта активной энергии ^[15,17].

Для решения этой задачи (уменьшение реактивной части энергии) были разработаны и сегодня широко используются во всём мире установки компенсации реактивной мощности (рис. 18). Они снижают значения потребляемой мощности за счёт выработки реактивной составляющей непосредственно у потребителя и бывают двух видов: индуктивными и емкостные. Индуктивные реакторы, обычно, применяют для компенсации наведённой емкостной составляющей (например, большая протяженность воздушных линий электропередачи и т.п.). Конденсаторные батареи применяются для нейтрализации индуктивной составляющей реактивной мощности (индуктивные печи, асинхронные двигатели и др.).

Рис. 18 – Компенсатор реактивной мощности (КРМ)

Учитывая, что характер нагрузки в бытовых и промышленных сетях имеет преимущественно активно-индуктивный тип, наибольшее распространение получили конденсаторные компенсаторы, основными достоинствами которых являются ^[18,19]:

- малые потери активной энергии (в рамках 0,3-0,45 кВт/100квар);

- незначительная масса конденсаторной установки не требует фундамента;

- несложная и недорогая эксплуатация;

- увеличение или уменьшение количества конденсаторов в зависимости от изменения косинуса угла сдвига напряжения и тока;

- компактность, дающая возможность монтажа установки в любом месте (рядом с электрооборудованием, группой и т.д.).

Регулируемые компенсаторы повышают и автоматически корректируют cos φ на низком напряжении (0,4 кВ). Кроме поддержания установленного коэффициента мощности в часы минимальных и максимальных нагрузок (рис.19), установки устраняют режим генерации реактивной энергии, а также ^[15,19]:

- постоянно отслеживают изменение количества реактивной мощности в компенсируемой цепи;

- исключают перекомпенсацию и её следствие – перенапряжение в сети;

- проводят мониторинг главных показателей компенсируемой сети;

- проверяют работу всех составляющих компенсаторной установки и режим её работы.

Рис. 19 – Графики напряжения, тока и потребляемой мощности с КРМ и без него

Объективности ради отметим, что многие авторы утверждают, что в быту в однофазных сетях применение КРМ не эффективно потому, что индивидуальные «однофазные потребители» оплачивают только активную мощность, а компенсация реактивной мощности снижает общее потребление на единицы процентов ^[18].

Второе направление – дополнение ЭГСИ блоком сепарации воздуха, т.к. хорошо известно, что наименьший ущерб электроприборам, книгам, вещам, мебели другим приборам и предметам быта наносит газообразный азот, который давно применяется для объемного тушения пожаров в библиотеках и на других объектах, где сохранность радиоэлектронного оборудования и вычислительной техники является определяющим ^[20-22]. И естественно возникает идея использовать трубопровод аспирационной системы, для закачивания через нее в каждую комнату газообразного азота и, подавления, таким образом, возникшего загорания

С точки зрения безопасности, надежности и экономичности, мембранные (МСВ) и термомагнитные сепараторы воздуха (ТМСВ) находятся вне конкуренции с баллонными системами ^[21-23]:

– помимо габаритов и необходимости специального контроля и перезаправки, баллоны со сжатым азотом в квартире – дополнительная опасность (даже если предусмотреть для них специальный отсек в коридоре или на лестничной клетке), а также конечный объем азота, которого может и не хватить, для подавления загорания, плюс не такая высокая эффективность, как у двух остальных, т.к. при вводе азота не происходит удаления кислорода из помещений, а происходит только его флегматизация, т.е. разбавление;

– МСВ и ТМСВ, сепарируя азот из окружающего воздуха и, направляя его в трубы аспирационной системы, удаляют кислород из защищаемых помещений (например, в вентиляционную систему), значительно ускоряя снижение концентрации кислорода, а также не требуют никаких перезарядок, работая до полного подавления загорания.

Однако существенным недостатком МСВ является тот факт, что для «выхода на рабочий режим» необходимы десятки минут, и давление, при котором половолоконные мембраны работают эффективно, составляет 35 атмосфер, в связи с чем, требуется дросселирование, чтобы не разорвать трубы (полимерные) аспирационной системы ^[16].

Термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ) представляет собой трубу, свернутую в спираль (рис.20), на внешней стороне которой установлены постоянные магниты, а на внутренней - вихревые охладители воздуха Азарова ^[23].

а) б)

Рис. 20 – ТМСВ: а) – единичный виток; б) – сепаратор в сборе

Рис. 21 – Схема расположения магнитов, воздухоохладителей и наноперегородки

ТМСВ, являющийся так же, как и МСВ, «бесконечным источником огнетушащего состава», базируется на уравнении движения газа (уравнение Эйлера) в магнитном поле, через ν – поле вектора скоростей газа, p– давление газа, – магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н – напряженность магнитного поля ^[23]:

(5)

Подставляя в формулу (5) уравнение состояния идеального газа pV=NkT, и выражая плотность газа через его давление p = nkT = ρkT/m, получим выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

, (6)

где U= – αH2/2 – потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара– или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Для кислорода, обладающего парамагнитными свойствами, средняя магнитная поляризуемость отдельной молекулы – положительна (+3396∙10–6), а для остальных атмосферных газов, в т.ч. азота (N2 = –12∙10–6), обладающих диамагнитными свойствами, магнитная поляризуемость отдельной молекулы – отрицательна. Поэтому плотность кислорода увеличивается в области сильного магнитного поля в соответствии с уравнением (6), а плотность азотной компоненты – уменьшается, в зависимости от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора. Для уменьшения процесса диффузионного восстановления разности концентраций диамагнетиков и кислорода, установлена наноперегородка из пористого алюминия, разделяющая канал на «парамагнитный» и «диамагнитный» подканалы (рис.21), разность температур между которыми осуществляют вихревые воздухоохладители Азарова ^[24].

Принимая во внимание изложенное, можно сделать вывод, что электро-газо-счетчик-извещатель является наиболее подходящим прототипом для создания устройства диагностики и подавления опасных факторов пожара и взрыва, если модифицировать его следующим образом ^[11,15]:

- разместить в ЭГСИ или рядом с ним блок КРМ, который, сглаживая колебания в электросети, выполняет функцию подавления пожарно-электрического вреда,

- разработать вычислительный алгоритм измерения текущего косинуса «фи»,

- доработать аппаратно-программное обеспечение адаптивного управления подключением конденсаторов, в зависимости от текущего косинуса «фи»,

- разместить в ЭГСИ или рядом с ним ТМСВ (блок сепарации воздуха), который, используя трубопровод аспирационной системы подает сепарированный из воздуха азот в защищаемые помещения, предотвращая взрыв утечки бытового газа или пожар, не позволяя загоранию перейти в пожар, выполняет функцию подавления опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ).

Реактивная мощность конденсаторной установки вычисляется по формуле ^[10,18,19]:

Q = Pa (tgφ1 - tgφ2) = K (7)

где Pa – расчетная активная мощность на одну квартиру, K = (tgφ1 - tgφ2) - тангенсы начального и конечного углов, согласуется со значениями cos φ (берется из таблицы 1 – при исходном cos φ =0.83 и требуемом сos φ =0.95, будет равен К=0.345).

Таблица 2 - Коэффициенты текущего и требуемого cos(φ)

Так для достижения коэффициента мощности в 0,96 при текущем значении 0,8 и при потребляемой мощности однофазной сети от 0,5 до 6 кВт, мощность «батареи конденсаторов должна изменяться от: 0,5·0,46 = 0,23 кВАр до 6·0,46 = 2,76 кВАр.

Емкости конденсаторов рассчитываются по формуле ^[10,15,19]:

(8)

где Q – реактивная мощность конденсаторной установки, f – частота сети (50Гц), U – напряжение (220 или 380 В).

Следовательно, для указанного интервала потребляемой мощности, имеем:

С0,5 = 0,23·109 /2·3,14·50·2202 = 230000000/151976006 = 1,51 мкФ

С0,5 = 2,76·109 /2·3,14·50·2202 = 2760000000/151976006 = 18,16 мкФ

Данным значениям соответствует однофазный низковольтный компенсирующий конденсатор ДПС-0.5-1,5-2УЗ. Номинальная емкость конденсатора составляет 1,5 мкФ, реактивная мощность 0,3 кВАр. Число конденсаторов в батарее для однофазной сети составит 12 шт.

В качестве параметра управления потреблением электрической энергии используется коэффициент мощности, как наиболее объективный показатель энергоэффективности. Для определения текущего значения коэффициента мощности в каждый момент времени необходимо синхронно измерить по три значения силы тока и напряжения в сети и вычислить значение фазного угла и его косинуса по формуле ^[25]:

(9)

.

Алгоритм (рис. 22) автоматизированного управления энергопотреблением заключается в подключении определенного количество конденсаторов необходимой емкости, для достижения установленного значения коэффициента мощности, следующим образом:

Рис. 22 - Алгоритм блока компенсации реактивной мощности

1) В программируемый микроконтроллер вводится требуемое значение коэффициента мощности.

2) АЦП контроллера через коммутатор синхронно измеряет по три текущих значения тока и напряжения и по указанной формуле в реальном масштабе времени вычисляет текущее значение коэффициента мощности.

3) Сравнивая текущее значение коэффициента мощности с требуемым значением, при меньшем значении программа через ЦАП контроллера подключает определенное количество конденсаторов.

4) При равенстве текущего и требуемого коэффициента мощности программа завершает процесс.

Каждый конденсатор подключается оптосимистором МОС3041, а управление оптосимисторами МОС3041 осуществляется полевыми транзисторами 2П304А, путем подачи от ЦАП контроллера определенного уровня напряжения (0.3В, 0.6В, 0.9В…3.6В) на затворы всех полевых транзисторов. Режимы 2П304А выбраны так, что при уровне 0,3 В открывается 1-й транзистор, что приводит к «зажиганию» светодиода 1-го симистора и подключению конденсатора 1,5 мкФ, при уровне 0,6В – 1-го и 2-го и т.д., вплоть до 3,6В, которые подключают всю батарею емкостью 18 мкФ.

Для обеспечения такой «ступенчатой автоматизации» необходимо рассчитать делители из сопротивлений, устанавливающие необходимые рабочие режимы полевых транзисторов по формуле ^[15]:

R = (Uп - Uотс)/Ic (10)

где, Uп – напряжение питания (Uп=5В); Uотс – напряжение отсечки (Uотс=0.3В, 0.6В…3.6В); Ic – сила тока стока полевого транзистора (Ic=30мА).

Принимая во внимание ограничение величины нагрузки для ЦАП не менее 10 кОм, были получены значения резисторов и составлена схема модуля управления блоком КРМ для однофазной сети (рис.23)

Рис. 23 – Принципиальная схема блока компенсации реактивной мощности

Ниже приведена блок-схема (рис.24) интеграции блока КРМ в электро-газо-счетчик-извещатель.

Рис. 24 – Блок-схема электро-газо-счетчика–извещателя с КРМ

Завершающей доработкой ЭГСИ стало его сопряжение с ТМСВ (рис.25), которое было осуществлено с помощью блока сепарации воздуха (БСВ), описание работы которого приведено в составе электро-газо-счетчик-подавителя ПЭВ и ОФПВ.

ЭГСП ПЭВ и ОФПВ (рис.25) содержит:

- корпус (1), камеру (1.1) с датчиками утечки газа (1.7) и монооксида углерода (1.3), тепловым (1.2) и дымовым (1.4) датчиками, состыкованную с электровентилятором (1.5), присоединенных к разветвителю аспирационного трубопровода (1.6) и блока сепарации воздуха (2) с электромагнитными клапанами (2.1, 2.4 и 2.5), который двумя трубами соединен с ТМСВ (8),

- блок питания с аккумулятором (5), который обеспечивает подзарядку аккумулятора от электросети, работу контроллера (3) и GSM-радиомодема (6),

- ЖКИ и пьезо-модуля (7),

- блока компенсации реактивной мощности (4).

Газовый счетчик с датчиком утечки газа и электромагнитным клапаном (9) устанавливается на газопроводе и имеет автономное питание от батареи.

ТМСВ(8) запитывается от ЭГСП и устанавливается рядом с ним.

Корпус (1) предназначен для защиты блоков ЭГСП от повреждений и присоединения его к блоку (2) сепарации воздуха (БСВ) с помощью разъёма разветвителя с электромагнитным клапаном (2.1), который в исходном состоянии закрывает «азотный канал» трубопровода (2.3), соединяемый с сепаратором воздуха (8), подключая аспирационную систему (1.6) к камере (1.1) с датчиками ОФП (1.2-1.4, 1.7). В исходном состоянии остальные (входные) электромагнитные клапаны (2.4 и 2.5) БСВ закрывают и «воздушный» (2.2), и «азотный» (2.3) каналы трубопроводов к сепаратору (8).

Рис. 25 – Блок схема электро-газо-счетчика подавителя ПЭВ и ОФПВ

Электровентилятор (1.5) предназначен для засасывания воздуха из защищаемых помещений (6) и прокачивания его через камеру (1.1), в которой установлены датчики ОФПВ (1.2-1.4, 1.7).

Дымовой (фотоэлектрический) датчик (1.4) определяет наличие дыма, путем обнаружения поглощения оптического излучения в камере (1.1), где расположена пара «светодиод-фотоэлемент», через которую прокачивается воздух из защищаемых помещений (10).

Тепловой (термисторный) датчик (1.2) измеряет температуру прокачиваемого воздуха из защищаемых помещений (10).

Датчик (металлооксидный) монооксида углерода (1.3) реагирует на угарный газ (СО), выделяющийся при тлении или горении материалов.

Датчик (инфракрасный) утечки природного газа (1.7) определяет концентрацию природного газа.

ЖКИП-модуль (7) предназначен, для отображения потребленных количеств электроэнергии (кВт/ч) и газа (куб.м.), и в соответствии с действующими тарифами в рублях суммы оплаты за них. При этом он отображает в рублях пожарно-энергетический вред, подлежащий оплате в виде пожарно-электрического налога, а также включает мигающую подсветку и сирену/речевое сообщение – при обнаружении ОФПВ в защищаемых помещениях.

GSM-радиомодем (6) предназначен для передачи в энерго- и газоснабжающие организации данных о потреблении энергоресурсов и о величинах пожарно-энергетического вреда и налога, а при утечках бытового газа и загораниях – в пожарную охрану, энерго- и газоаварийные службы SMS-сообщений и сигналов вызова, с сохранением подтверждения об их приёме, при включении мигающей подсветки и сирены/речевого сообщения при обнаружении ОФПВ в защищаемых помещениях (10).

Включение ЭГСП осуществляется от батареи, а подключение к электросети производится через блок КРМ (4), в котором находится конденсаторная батарея, подключаемая оптосимисторами с помощью потенциального управления полевыми транзисторами каналами ЦАП (3.3), в соответствии с текущим значением «косинуса фи», который определяется в результате 3-х кратного синхронного измерения напряжения и тока с помощью АЦП (3.2) и коммутатора (3.1) контроллером (3), который по этим же данным вычисляет активную, реактивную и общую мощность, выделяя потребление «качественной» и «не качественной» электроэнергии, а также получая объем потребленного газа из газового счетчика (9), умножая которые на «записанные в ПЗУ госпожнадзором» вероятности, и суммируя с визуализирует ПЭВ на ЖКИП-модуле (7), и передает их через GSM-радиомодем (6) в энергоснабжающие компании.

Воздух из защищаемых помещений через аспирационный трубопровод (1.6) и разветвитель (2.1) прокачивается электровентилятором (1.5) через камеру (1.1), в которой установлены датчики утечки бытового газа (1.7) и монооксида углерода (1.3), тепловой (1.2) и дымовой (1.4) датчики, сигналы от которых поступают на коммутатор АЦП (3.1) и оцифровываются АЦП (3.2), которые идентифицирует контроллер (3), определяя утечку бытового газа и загорание в защищаемых помещениях по сравнению с сигналами от указанных датчиков, соответствующих уставкам (критическим значениям и их производным) ОФПВ, с целью отсеивания ложных срабатываний. При обнаружении пожара в защищамых помещениях (10) передается сигнал на ЖКИП-модуль (7), который включает мигающую подсветку и сирену/речевое сообщение – при обнаружении ОФПВ в защищаемых помещениях, после чего контроллер (3) максимальным потенциальным уровнем от ЦАПа (3.3.) отключает через блок КРМ (4) электросеть в защищаемых помещениях (10), и через соответствующий порт (3.4) включает сепаратор воздуха (8), коммутируя трубопроводы, идущие от него с помощью электромагнитных клапанов (2.4, 2.5 и 2.1) в БСВ (2), а через соответствующие порты (3.5-3.7) - с защищаемыми помещениями, передавая через GSM-радиомодем (6) соответствующие сообщения в пожарную часть и владельцу.

Аналогичный алгоритм реализуется при обнаружении утечки бытового газа с оповещением газоаварийной службы.

Таким образом, новый способ ^[14] диагностики и подавления пожарно-энергетического вреда (ПЭВ) и опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) при утечке бытового газа в жилых зданиях с помощью электро-газо-счетчика-извещателя, совмещенного с термомагнитным сепаратором воздуха, превращает его электро-газо-счетчик-подавитель ПЭВ и ОФПВ, то есть,по мнению авторов, в элемент самоорганизации пожаровзрывобезопасности в жилом секторе, и в первую очередь в жилых домах сельских населенных пунктов ^[1,10].

Результаты исследования позволяют сделать вывод, что пришла пора применения инновационных средств и решений в области учета и управления потреблением энергоресурсов, с обеспечением безопасности их потребления, и только после этого такие решения следует интегрировать в АСУ ЖКХ на уровне управляющих компаний и служб жизнеобеспечения административно-территориальных единиц (АТЕ).

Иными словами, на основе ЭГСП ПЭВ и ОФП предлагается модель ЛАМС ДП – локальной автоматизированной микросистемы диагностики и подавления ПЭВ и ОФПВ в жилом секторе (в индивидуальных домах и квартирах) административно-территориальных единиц (АТЕ) от аварий, взрывов и пожаров, причиной которых становятся отказы и недостатки существующих инженерных средств и систем подачи и преобразования энергоресурсов в жилом секторе ^[26].

Для оценки объемов информации, которые могут при этом «загрузить» сети операторов сотовой связи, была проведена их оценка при автоматизации учета электроснабжения (рис.26), т.к. в отличие от «аварийных вызовов» при пожаре или утечке бытового газа, именно «флуктуации качества потребляемой электроэнергии» могут «перегрузить» трафик сотовых компаний.

Моделирование показало, что минимальная «загрузка» сотовых сетей при обслуживании более 100 тыс. индивидуальных домов и квартир с ЭГСП может осуществляться через каждые 5 минут (рис.26). То есть ЛАМС ДП позволяет любой управляющей или энерго-газо-снабжающей компаниям сформировать с помощью операторов сотовой связи - автоматизированную систему учета потребляемых энергоресурсов от 10 до 100 тыс. индивидуальных домов и квартир, в которыхустановлен ЭГСП.

Рис. 26 – Зависимости трафика сотовых компаний от числа домов и квартир с ЭГСП

Внедрение и обслуживание ЭГСП в сельской местности в соответствии с 69-ФЗ «О пожарной безопасности» следует осуществить через ДПО и региональные отделения ВДПО, т.к. ст. 11 ФЗ-100 «О добровольной пожарной охране» предусматривает, что «…финансовое и материально-техническое обеспечение деятельности добровольной пожарной охраны осуществляется за счет собственных средств, взносов и пожертвований, средств поддержки, оказываемой органами государственной власти и органами местного самоуправления...» ^[10].

Однако, бессистемность ФЗ-100, в котором не «прописано это финансовое и материально-техническое обеспечение», делает невозможным такое внедрение, т.к. денег у органов местного самоуправления постоянно не хватает (не только на пожарную безопасность), а взносов и пожертвований на эти цели не дождался ещё никто!

Рис.27 – Схема взаимодействия ЭГСП со службами жизнеобеспечения района

Принимая во внимание, что для организации внедрения ЭГСП ПЭВ и ОФПВ в каждом жилом доме необходимы значительные финансовые средства, было предложено создать систему налогообложения для всех объектов (физических и юридических лиц), путем введения адаптивного пожарно-энергетического налога (АПЭН), величина которого для каждой административно-территориальной единицы (АТЕ) должна зависеть от текущих вероятностей пожаров, происходящих от электрических, газовых приборов, угольных печей и других устройств преобразования энергоресурсов, умноженных на тарифы оплаты за указанные энергоресурсы и на их фактическое потребление каждой семьей и каждым юридическим лицом ^[1,13]:

(10)

где Тi - соответствующие тарифные ставки в АТЕ за энергоресурсы, Vi - фактически потреблённый объем энергоресурсов (кВт/ч, кубометр и т.д.) за период налогообложения, Pi - текущие вероятности пожаров в АТЕ от приборов, использующих энергоресурсы, КАТЕ - «коэффициент адаптивности», который при начале внедрении АПЭН равен 1, а затем увеличивается, снижая тем самым налог, синхронно с повышением пожарной безопасности населения в конкретной АТЕ.

Таким образом, вводя и оптимизируя АПЭН, величина которого изменяется для физического и юридического лица в соответствии с произведенной (потребленной) пожаровзрывоопасностью (защитой), и, аналогично распределяя средства «внутри инфраструктуры», где налогооблагаемая база «живет и функционирует», получим эффективную систему финансирования противопожарных мер, ДПО и ВДПО. Существенным при этом с точки зрения самоорганизации является то, что АПЭН должен быть только "местным налогом", а не федеральным, т.к. зависит от конкретной "пожарно-энергетической инфраструктуры" АТЕ ^[1,10,13].