• Сегодня: Понедельник, Декабрь 18, 2017

Защита от техногенных катастроф при сейсмических воздействиях

Монтаж защитных систем для отключения электроэнергии во время сильных землетрясениях

Авторы:

Сунатулла Сулаймонов
Доктор технических наук, Ташкентский архитектурно-строительный институт, Узбекистан

Нулуфар Хамрабаева
Кандидат технических наук, Ташкентский государственный технический университет, Узбекистан

Надира Мавлянова
Доктор геолого-минералогических наук, Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Россия


Аннотация

В связи с ростом урбанизации, с одной стороны, и увеличением количества природных опасностей — с другой, существенно повышается вероятность того, что в зону риска природно-техногенных катастроф будут вовлечены территории, насыщенные сложными инженерными сооружениями. Сейсмическое воздействие может стать причиной серии техногенных катастроф: пожаров, взрывов, выбросов химических и радиоактивных веществ, которые могут нанести урон, сопоставимый с землетрясением, а иногда и намного его превышающий. Системы электроснабжения и газоснабжения городов в результате сильного землетрясения могут иметь катастрофические повреждения и стать потенциальными источниками возникновения пожаров. В статье рассматриваются защитные системы для отключения электроэнергии и газоснабжения при сильных землетрясениях.


Ежедневно в мире происходят сотни катастроф природного и техногенного характера, но землетрясения занимают среди них особое место. Сильное землетрясение происходит внезапно, длится около минуты, и за это время трудно предпринять какие-либо меры для защиты. С развитием урбанизации землетрясения приносят всё бóльшие людские и материальные потери.

Социально-экономические последствия катастрофических землетрясений, произошедших в 2010–2011 годах в Гаити (12 января 2010 года, M = 7,1), Чили (27 февраля M = 8,8) и Японии (11 марта 2011 года, M = 8,9), еще раз напомнили человечеству, что стихийное бедствие может стать причиной серии техногенных катастроф: пожаров, взрывов, выбросов химических и радиоактивных веществ, которые могут нанести урон, сопоставимый с землетрясением, а иногда и намного его превышающий. В результате существенно расширяется зона бедствия, увеличиваются экономические потери, а также ухудшается состояние окружающей среды. В XX веке во всём мире основное внимание в сфере защиты населения уделялось проблеме «восстановления», т. е. ликвидации последствий катастроф, но сегодня наиболее актуальной становится концепция «готовности к землетрясениям». Приоритет «готовности» над «восстановлением» означает, что все действия по защите общества и государства от сильных землетрясений и их последствий должны быть предприняты до очередного землетрясения, которое неизбежно в сейсмоактивной зоне [1].

Системы электроснабжения и газоснабжения городов в результате сильного землетрясения могут получить катастрофические повреждения и стать потенциальными источниками возникновения пожаров. Так уже бывало при землетрясениях в Кобе, Япония (17.01.1995, М = 6,9) — именно пожаром, возникшим от землетрясения, была уничтожена вся старинная часть города, что также привело к многочисленным жертвам среди населения; землетрясение в Измите, Турция (17.08.1999, М = 7.6) — на местном нефтеперерабатывающем заводе вспыхнул пожар, потребовалось несколько дней для его ликвидации.

Разработка планов мероприятий по предотвращению пожаров — один из важнейших шагов по предотвращению техногенных катастроф при сейсмических воздействиях. Пожары наносят огромный экономический ущерб жизни, имуществу людей и производственным мощностям. Поэтому целесообразно разрабатывать и внедрять технические средства по предотвращению пожаров в разрушенной землетрясением части города. Известно, что причинами возникновения пожаров являются короткие замыкания в сетях электроснабжения и утечка газа из-за нарушений герметичности системы газоснабжений зданий.

Для защиты от техногенных катастроф необходимо снабжать электрические сети и системы газоснабжения техническими средствами, автоматически и автономно отключающими подачу электроэнергии и природного газа. С этой целью авторами разработаны технические решения по предотвращению пожаров в разрушенной землетрясением части города путем мгновенного отключения подачи электрической энергии и природного газа, которые срабатывают при землетрясении с интенсивностью 4–5 баллов по шкале MSK 64.

Известно, что для подачи электрической энергии в жилые и административные здания применяются подстанции с понижающими трансформаторами. В них предусмотрено защитное реле на случай возникновения различных повреждений. В трансформаторах и на их соединениях с другими элементами систем электроснабжения могут возникать следующие повреждения (аварийные режимы): межфазные кроткие замыкания в обмотках и на выводах; однофазные короткие замыкания на землю (корпус) при установке в сетях с заземленной нейтралью и между витками обмотки (витковые замыкания); недопустимое понижение уровня масла. К ненормальным режимам относятся перегрузка и внешние короткие замыкания, приводящие к появлению в обмотках трансформаторов больших токов, особенно при внешних коротких замыканиях, уменьшение уровня масла ниже определенного предела [2]. Однако они не реагируют на сейсмические колебания.

Для защиты от токов внешних коротких замыканий используют максимальную токовую защиту, действующую так же, как резервная защита при отказе других защит. Кроме того, максимальная токовая защита работает в качестве основной при коротком замыкании в мертвой зоне токовой отсечки, если она установлена. Защиту от токов перегрузки выполняют в виде максимальной токовой защиты в одной фазе. Она действует, как правило, на сигнал с соответствующей выдержкой времени [2]. Она также бездействует при землетрясениях. Для отключения подачи электроэнергии при сейсмическом воздействии авторами разработан сейсмический выключатель. Он устанавливается вместе с реле максимальной токовой защиты. Устройство и принципиальная схема работы сейсмического выключателя подачи электроэнергии от трансформатора приведены на рис. 1.

Сейсмический выключатель подачи электроэнергии
Рис. 1. Сейсмический выключатель подачи электроэнергии. а — общий вид; б — в рабочем состоянии; 1— корпус; 2 — шток; 3 — пружина; 4 — контакты короткого замыкания; 5 — седло-замыкатель; 6 — воронка; 7 — пластинчатые пружины; 8— шаровидный груз; 9 — крышка.

Сейсмический выключатель действует следующим образом. При землетрясении интенсивностью 4 и более баллов груз 8 под действием силы упругости сбрасывается пластинчатыми пружинами 7 в воронку 6 и под действием гравитационной силы падает на седло-замыкатель 5. При этом мгновенно замыкаются контакты 4 и происходит междуфазное короткое замыкание. Срабатывает реле максимальной токовой защиты трансформатора. Мгновенно отключается подача электрической энергии. Сейсмический выключатель приводится в действие автоматически и автономно. Груз 8 сейсмического выключателя находится в состоянии неустойчивого равновесия. При смещении груза 9 центр его масс опускается. В состоянии покоя груз удерживается силой сопротивления движения. Его значение зависит от величины силы тяжести и геометрической формы груза. В сейсмическом выключателе установлен груз в форме шара. Вес груза принимается с учетом силы упругости пружины и суммарного веса штока и седла-замыкателя. При этом должно выполняться условие G >> F (где G — сила тяжести груза, Н; F — сила упругости пружины, Н). Расчет силы тяжести груза сейсмического выключателя проводится в зависимости от того, при какой интенсивности землетрясения требуется отключать подачу электроэнергии или газа. Для этого задаются условия смещения груза в форме шара, находящегося в состоянии неустойчивого равновесия. Составляется уравнение движения груза:

017

отсюда после преобразований:

018

где ã — значение ускорения центра масс груза при интенсивности землетрясения I, балл; ƒ — коэффициент сопротивления движению груза.

Ускорение, которое придают сейсмические толчки массе неструктурного элемента, можно вычислить эмпирической формулой, предложенной авторами работы [3, 6, 7]:

019

где ã — среднее значение ускорения колебаний поверхности земли, см/с2 ; I — интенсивность землетрясения, балл.

Значение интенсивности I, в свою очередь, зависит: от магнитуды подземного толчка; от расстояния между эпицентром подземного толчка и местом расположения района, где находятся здания; от состава почвы; от уровня подземных вод; от глубины расположения очага подземных толчков [3, 6, 7]. Формулы (3) и (4) запишем в следующем виде:

020

Определяем значение коэффициента сопротивления движению при интенсивности землетрясения 4 балла по формулам (5, 6):

021

По формуле (2) определяем значение коэффициента сопротивления движения груза:

022

Если учесть, что груз в форме шара и пластинчатые пружины (рис. 1) сейсмического выключателя изготовлены из металла, то его чувствительность увеличивается на порядок. Время срабатывания разработанного сейсмического выключателя подачи электрической энергии регулируется в широких диапазонах и определяется следующей формулой:

023

где h — высота установки груза над седлом-замыкателем, м; g — ускорение свободного падения, g = 9,82 м/с2.

Если принять значение времени срабатывания равным t = 0,1 с, то:

024

Время срабатывания сейсмического выключателя электроэнергии целесообразно устанавливать на 0,1 с, т. к. продолжительность землетрясений очаговой зоны принята с продолжительностью 2–3 с [3, 4, 5].

Система газоснабжения зданий предназначена для бесперебойной подачи газа потребителям от источника. Жилые дома чаще всего присоединяются к газопроводам низкого давления (рис. 2). При их отсутствии или недостаточной мощности возможно подключение жилых домов к газопроводам среднего и высокого давления с обязательной установкой газорегуляторного пункта (рис. 2).

Система газоснабжения здания
Рис. 2. Система газоснабжения здания. а — от газопровода низкого давления; б — от газопровода среднего давления; в — наружный ввод; 1 — футляр; 2 — просмоленная прядь; 3 — цементная (битумная) стяжка; 4— ввод; 5 — арматура; 6 — разводящий трубопровод; 7 — стояк; 8 — поэтажная разводка; 9 — газовый прибор (плита); 10 — защитный короб; 11 — газорегуляторный щитовой пункт; 12 — уличная сеть среднего давления; 13 — уличная сеть низкого давления; 14 — ответвление; 15 — задвижка; 16 — ковер; 17 — дворовая (внутриквартальная) сеть; 18 — конденсатосборник; 19 — сейсмический запорно-предохранительный клапан.

Система газоснабжения здания состоит из ответвлений дворовых (внутриквартирных) сетей, вводов в здание, внутренних газопроводов, газовых приборов и арматуры. На промышленных сетях предусматриваются также продувочные трубопроводы. Ответвления служат для подачи газа из уличной сети в дворовую. Дворовые газопроводы являются развитым ответвлением и подводят газ к отдельным зданиям и вводам. Вводы предназначены для подачи газа во внутренние газопроводы. Они присоединяются к дворовому газопроводу или непосредственно к ответвлению. Внутренние газопроводы служат для распределения газа между потребителями внутри здания. Ответвление присоединяют к уличной сети в точке, наиболее близкой к газифицируемому зданию или группе зданий. На тротуаре или около красной линии застройки устанавливают запорную арматуру [6]. Как видно из рис. 2, в системе газоснабжения здания при сейсмическом воздействии не отключают подачу газа к потребителям, что является уязвимым местом системы. Для предотвращения утечки газа при сейсмическом воздействии авторами разработана модернизированная система газоснабжения с сейсмическим запорно-предохранительным клапаном. Разработанный сейсмический запорно-предохранительный клапан устанавливается в газорегуляторном пункте (ГРП). На входе и выходе газопровода из ГРП на расстоянии не менее 5 и не более 100 м от него устанавливают отключающие устройства. Однако все предохранительные устройства ГРП не имеют сейсмических запорно-предохранительных клапанов. Устройство предложенного сейсмического запорно-предохранительного клапана ГРП и ГРУ системы газоснабжения зданий города представлено на рис. 3.

Сейсмический запорно-предохранительный клапан системы газоснабжения зданий города
Рис. 3. Сейсмический запорно-предохранительный клапан системы газоснабжения зданий города. а — общий вид; б — в рабочем состоянии; 1 — корпус; 2 — клапан; 3 — шток; 4 — направляющий штока; 5 — пружина; 6 — седло; 7 — воронка; 8 — пластинчатые пружины; 9 — груз; 10 — крышка.

Он действует следующим образом. При землетрясении с интенсивностью 5 и более баллов (MSK 64) груз 9 под действием силы инерции, возникающей при сейсмических колебаниях, падает в воронку 7. Под действием гравитационной силы стремительно двигается вниз и нажимает на седло 6. Движение седла 6 через шток передается клапану 2. Клапан 2 плотно закрывает подачу газа в систему газоснабжения зданий. Условия срабатывания сейсмического запорно-предохранительного клапана, время и интенсивность, землетрясения, при которых он должен реагировать, определяются по формулам (2, 9).

Время срабатывания разработанного сейсмического запорно-предохранительного клапана можно менять в широких диапазонах. Целесообразно устанавливать его на 0,1 с.

Прекращение подачи электроэнергии и природного газа в жилые и административные здания во время сейсмического воздействия полностью предотвращает такие техногенные катастрофы, как возникновение пожаров и взрывов. Сейсмический выключатель подачи электрической энергии и сейсмический запорно-предохранительный клапан системы газоснабжения зданий приводятся в действие автоматически и автономно.


Литература

  1. Мавлянова Н.Г. Типизация городов Узбекистана для оценки сейсмической уязвимости // Геоэкология. 2014. № 1. C. 56–66.
  2. Будзко И.А. Зуль Н.М. Электроснабжение сельского хозяйства. —М.: Агропромиздат, 1990. 496 с.
    Плотникова Л.М., Нуртаев Б.С., Сейдузова С.С.,. Джалалов Д.Б. Оценка сейсмической опасности для г. Ташкента в свете управления сейсмическим риском // Geologiya va mineral resurslar. 1999. № 2. C. 40–45.
  3. Плотникова Л.М. О соотношении сейсмических параметров грунтов, определяемых по записям слабых и сильных землетрясений (на примере землетрясений Ташкентской эпицентральной зоны) // Сейсмическое микрорайонирование. — М.: Наука, 1977. С.181–189.
  4. Плотникова Л.М. Спектральные и спектрально-временные особенности землетрясений потенциально опасных зон района Чарвакского водохранилища // Районирование сейсмических аспектов. — Ташкент: Фан, 1990. С. 154–168.
  5. Кязимов К.Г. Справочник газовика: Справочное пособие. 3-е изд., стер. — М.: Высшая школа; Изд. центр «Академия», 2000. 272 с.
Надира Мавлянова

Доктор геолого-минералогических наук
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Россия