Инновации, способные спасти сотни жизней, не востребованы чиновниками
Первый пуск ракеты на новом Амурском полигоне, предпринятый в мае с.г., был сорван. По обнародованной информации, имели место неисправности в гироскопе и кабеле. По данному случаю президент Владимир Путин строго поставил вопрос: "Почему до настоящего времени мы выходим на пуск ракеты с ранее не выявленным отказом?" В соответствии с приведенной информацией можно предположить одну из возможных причин этого отказа, скорее всего скрытого. А именно - возникновение электрической дуги в месте нарушения целостности одной из электрических цепей кабеля или в месте соединения его, например, с гиростабилизированной платформой. Воздействие этой дуги могло привести к оплавлению изоляции разнофункциональных проводов внутри кабеля, приведшего к нарушению функционирования системы приведения осей гироскопов в исходное положение к пуску, о чем и было сформулировано соответствующее донесение на пункте управления.
В связи с этим представляется целесообразным более детально рассмотреть само понятие скрытого отказа и его опасное проявление на других объектах.
Откуда растут корни
В 8 часов 13 минут 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС произошла катастрофа, унесшая практически мгновенно 75 жизней россиян.
Накануне катастрофы в 20 часов 20 минут 16 августа возник пожар на Братской ГЭС, автоматически регулирующей и распределяющей нагрузку между ГЭС Сибирского региона. В помещении АТС сработала пожарная сигнализация. Станция по причине выхода из строя всех основных и резервных каналов связи в течение длительного времени оказалась неспособной обеспечивать автоматические функции управления. Это привело к ручному распределению нагрузки в энергосистеме Сибирского региона в условиях отказа системы его телеметрического контроля, обусловившее резкое неоднократное изменение нагрузки гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС (3000-4200 мегаватт). Данный агрегат шесть раз проходил опасную зону своей перегрузки, из-за чего на нем сорвало крышку и произошло его разрушение.
Таким образом, первопричиной возникновения катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС явилось проявление дефектной дуги (искрения) в одной из электрических цепей аппаратуры связи АТС Братской ГЭС. Однако большая государственная комиссия, проводившая расследование данной катастрофы, не установила ее первопричину, а значит, не создала благоприятные условия для исключения из жизни подобных катастроф и аварий в будущем или хотя бы для существенного уменьшения вероятности их возникновения.
Главное, комиссией не была поставлена задача определения первопричины пожара на Братской ГЭС и не были даны рекомендации для ее устранения. И это в условиях, когда и Минэнерго, и Ростехнадзору уже было известно новое техническое решение, предназначенное для защиты всех видов объектов военного и гражданского назначения от разрушающего скрытого отказа в их электрооборудовании и впервые в мире защищенное патентом России № 2159468.
Тем более уже 1 декабря 2003 года бывший министр энергетики Игорь Юсуфов лично заслушал автора разработки по указанному техническому решению, обратившего его внимание на проблему отсутствия нормативной базы. После заслушивания министр дал поручение своему заместителю организовать проведение испытаний опытного образца нового изделия, взять на контроль результаты его испытаний и по положительным результатам принять решение о практическом использовании устройства.
Испытания устройства "Искра" были проведены в лаборатории Мосгосэнергонадзора, по результатам которых автором разработки в 2004 году было получено следующее решение руководителя ФГУ "МОСГОСЭНЕРГОНАДЗОР" В.Л. Титова: "В соответствии с моим поручением была создана комиссия по испытаниям вашего устройства. К настоящему времени работа комиссии завершена, результаты работы оформлены, заключение комиссии положительное. Устройство показало возможность выявления наличия искрения в электроустановке и оно может использоваться потребителями при эксплуатации электроустановок жилых и общественных зданий".
К сожалению, уже через 12 дней после получения положительного решения данное министерство (министр сменился) отказалось от своего решения по рассмотрению вопросов создания нормативной базы и соответствующего устройства защиты от искрения.
А отказ-то никуда не делся
В немалой степени в силу необоснованной позиции заместителя министра в 2004 году, некачественного расследования Саяно-Шушенской трагедии в 2009 году, а также демонстрации безразличия других чиновников катастрофы и аварии до настоящего времени не прекращаются.
Скрытый отказ продолжает проявляться незаметно "из-за угла" либо в виде пожара на самолете Ту-154М в Сургуте 1 января 2011 года, либо в виде частых отказов двигателя самолета (не исключено, что и на "Боинге-777" 12 февраля 2016 года над Доминиканской Республикой), либо на сотнях других самолетов и вертолетов.
Отдельно расследуется гибель 36 шахтеров в Воркуте в феврале-марте этого года. По этой трагедии президентом России руководителю Ростехнадзора публично было поручено проработать вопрос повышения эффективности защиты шахтеров от взрывов и пожаров в шахте. Хотелось бы, чтобы Ростехнадзором при выполнении данного поручения не была бы упущена проработка известного данному ведомству способа защиты любых видов объектов, в том числе подземных от искрения.
Согласно опубликованным данным, к подобным происшествиям также можно отнести некоторые общественно-резонансные катастрофы: 24 октября 1960 года - боевая ракета Р16; 27 января 1967 года - американский космический корабль "Аполло-1"; 28 января 1986 года - гибель американского космического корабля "Челленджер" с семью астронавтами на борту. Несколько слов о предполагаемой версии причины его гибели. Версия базируется на облачке серого дыма, появившемся через 0,678 секунды после старта корабля (в качестве источника дыма может рассматриваться и дефектная дуга). Такое короткое время свидетельствует скорее всего о возгорании изоляции жгута проводов бортовой сети при нагрузке в несколько сотен ампер в каком-либо нарушенном электрическом соединении системы управления ракеты.
Сюда же можно отнести аварии: 7 июня 1971 года - советская космическая станция "Салют"; 11 ноября 2011 года - вынужденная посадка "Боинга-747" в Домодедово; 29 октября 2014 года - взрыв на старте американской ракеты "Антарес"; 28 апреля 2015 года - гибель космического грузовика "Прогресс М-27М" и 16 мая - ракеты-носителя "Протон-М" с разгонным блоком "Бриз-М".
В этой же нише - потеря бесценного богатства нашей страны при пожаре в библиотеке ИНИОН РАН, гибель инвалидов при пожаре в психоневрологических интернатах 36 пациентов в сентябре 2013 года в Новгороде и 23 больных в декабре 2015 года в Воронеже.
Актуальность проблемы
В ночь на 12 февраля сего года над Доминиканской Республикой примерно через полчаса после взлета осуществил аварийную посадку российский лайнер "Боинг-777", следовавший из Пунта-Каны в Москву. По предварительным данным, причиной аварии стал отказ двигателя. Стоит ли считать совпадением события, связанные с отказом двигателя еще на двух других суперсовременных самолетах одного и того же типа? Стоит!
Авария одного из них, "Боинга-777-326", произошла 17 января 2008 года при заходе на посадку в лондонском аэропорту Хитроу из-за потери тяги обоих двигателей по причине отказа системы управления автоматикой двигателя. Катастрофа другого самолета, "Боинг-777-28", произошла 6 июля 2013 года при посадке в аэропорту Сан-Франциско, погибли 3 школьницы и пострадали 182 человека.
Что же общего во всех этих случаях?
Единая компьютерная система управления автоматикой двигателя, включающая в себя систему датчиков и электро-, пневмо- и гидромеханических силовых клапанов и электрических автоматов, не сильно отличающихся от классических устройств. При этом важно, что многие из них являются неконтролируемыми с точки зрения выявления нарушения целостности в любой из тысяч электрических цепей управления автоматикой двигателя, в том числе управления его тягой.
В условиях высокой температуры и вибрации повышается вероятность нарушения целостности его электрических цепей, вызывающих возникновение опасной дефектной дуги (искрения). Здесь и далее под дефектной дугой будем понимать электрическую дугу (искрение), образованную в месте несанкционированного (нештатного, неожидаемого) разрыва электрической цепи. К санкционированному (штатному) разрыву цепи относятся функционально заданный разрыв между щетками и ламелями ротора генератора или двигателя, между контактами выключателя, автомата, реле и других технических средств.
Согласно имеющейся статистике, отказ двигателя и любой другой системы самолета - наиболее частая причина возникновения, как правило, катастрофы или аварии, в немалой степени связанной с неисправностями в электрооборудовании системы управления самолета. В частном случае из проанализированной авторами материала статистике такого рода следует, что вероятность повреждения двигателя от скрытых отказов увеличивается с его мощностью.
При этом следует отметить, что постановка задачи должна формулироваться шире, охватывая другие отрасли промышленности и народного хозяйства, а также разработки и производства специальной и военной техники, что подтверждается, к примеру, статистикой пожаров в России за 2013 год. В последнем случае из анализа имеющейся информации авторами сделан вывод о том, что до 20% всех происшествий от искрения приходится на жилые помещения, общественные здания и объекты социального назначения (объекты с электрооборудованием). Что касается высокотехнологичных объектов, то доля происшествий на них от искрения повысилась бы до 40% за счет уменьшения доли выявляемых отказов.
Зарубежный опыт
Следует обратить внимание на поиск решений в затронутой нами области исследования высокоразвитыми зарубежными странами, в частности Соединенными Штатами. Сложностей на этом пути у них тоже немало.
Впервые на эту область исследования обратили внимание ученые исследовательских центров и организации НАСА. В частности, в июне 2007 года ими совместно с рядом других организаций воздушно-космической отрасли Америки был опубликован совместный емкий труд под названием "Обнаружение дефекта электропровода стареющего самолета - вызов проблеме обнаружения дефекта электропровода". Далее материал приводится в виде кратких выдержек из данного труда и других оригинальных материалов без технической редакции и каких-либо комментариев.
Проблеме стареющей электропроводки самолета стали уделять большое внимание в конце 1990-х годов из-за двух несчастных случаев в июле 1996 года: взрыв в воздухе самолета "Боинг-747" компании TWA и крушение авиалайнера MD-11 компании Swissair в Новой Шотландии. Национальное управление безопасности транспорта (NTSB) позже определило их причины. Катастрофа "Боинга-747" была вызвана отказом электропровода, который привел к искре воспламенения в топливном баке. Катастрофа самолета MD-11, как полагают, была вызвана электрическим искрением, возникшим в полете на кабеле видеоаппаратуры развлечения пассажиров.
При исследовании в США проблемы обнаружения неисправности электропроводки известны многие причины ее возникновения, обязывающие обратить на них самое пристальное внимание, но которые, как правило, игнорируются или способы их решения находятся в зачаточной стадии. Очевидно, обнаружение провода и дефекта его соединения и сама проблема прогноза трудны, и каждое агентство делает лучшее, что можно сделать при имеющихся ресурсах.
Береговая охрана и Командование авиационных систем ВМС США, а также агентство НАСА и Федеральная авиационная администрация США - все они имеют программы, чтобы оценивать наиболее существенные отказы в электрической проводке. Хотя каждое агентство имеет свою авиацию, свои эксплуатационные методы, совокупные методы анализа других данных и других операционных систем, все эти агентства испытывают очень похожие вопросы по стареющим электропроводкам.
Специалистами ВМС США был проведен анализ информации по опасным отказам в системах электропроводки в период 1980-1999 годов, который широко использовался при обучении специалистов. В частности, из данного анализа был сделан вывод о том, что треть всех данных дефектов - около 37% от общего их числа - определяется трущимся проводом. Это число действительно представлено в сообщениях эксплуатационного персонала. В следующую категорию дефектов электропровода включена неопределенная перемычка, а в третью категорию входит уже повреждение проводов, которое могло произойти из-за их перетирания и плохих эксплуатационных методов.
Хотя знания этих категорий дефектов в электропроводке ВМС являются полезными для определения основной статистики опасных инцидентов, однако остается невозможным должным образом оценить причину и следствие этих категорий. Это позволит проводить дальнейший статистический анализ, но корневые причины (первопричины) все еще будут трудны в определении. Также трудно понять, как дефект в электропроводке развивался со временем и как это ухудшение могло влиять на электрические сигналы, проводимые по проводам жгута.
Итог оценки ситуации: потери человеческих жизней и величина материального ущерба от воздействия скрытого отказа, приводящего к искрению в электрооборудовании авиационной и другой техники, велики и практически неизменны по времени.
Это требует государственного вмешательства в постановку и решение задач глубокого анализа всех происшествий от искрения и создания нормативной базы и самого устройства. Работа должна проводиться соответствующими отраслевыми организациями под контролем государства. Каждый год раскачки, безусловно, будет приносить значительные дополнительные людские потери и существенный материальный ущерб.
Суть проблемы
Более детально остановимся на содержании проблемы. Будем считать, что организационный аспект ее решения был достаточно подробно рассмотрен в начале статьи, а далее попытаемся вскрыть ее технический аспект.
К возможным видам происшествий от искрения относятся пожары, взрывы и опасные отказы систем, связанные с тепловым повреждением изоляции проводов в электрическом жгуте или вне его. Данный вид происшествий связан с несанкционированным формированием ложных команд или донесений при тепловом повреждении изоляции, которые и являются непосредственной причиной (но не первопричиной) развития происшествия.
Первопричиной является нарушение целостности электрической цепи. Виды возможного нарушения: ослабление винтового соединения ламелей проводов или шин; нарушение пайки; нарушение соединения контактов штепсельного разъема и вилки; ослабление плотности соединения контактов силовых автоматов; образование окисной пленки или попадание диэлектрической пыли между контактами и другие подобные нарушения.
Проблема предупреждения пожара или другого вида происшествия заключается в неспособности существующих средств защиты находить искрение и выявлять факт его возникновения в месте нарушения целостности электроцепи. При этом образуется искровой промежуток, ширина которого в зависимости от напряжения сети не превышает единиц микрон в автомобиле до нескольких десятков микрон в домашней электропроводке.
В этих условиях происходит электрический пробой искрового промежутка и создается ионизированная плазма, заменяющая металл или материал проводника другой проводимости на участке нарушенной целостности электроцепи. Так как сопротивление ионизированной плазмы намного меньше сопротивления нагрузки электрической цепи, то при этом практически не изменяется величина тока в этой цепи. Поэтому существующие средства защиты, настроенные на изменение тока нагрузки, не в состоянии "видеть" ток искрения.
Как только ширина разрыва цепи превышает отмеченные значения, понятие нарушения целостности электрической цепи изменяет свой статус. Из состояния скрытого отказа, неуловимого для существующих средств контроля, происходит переход в состояние выявляемого отказа, при котором прекращается функционирования данной электрической цепи, а значит, и снимается проблема искрения (данный зазор уже не может обеспечить электрический пробой). При этом данный вид неисправности устраняется классическими методами технического обслуживания.
Важной особенностью опасности искрения являются относительно малые токи, непосредственно приводящие к возгоранию в электросетях или электроустановках не сразу в момент нарушения целостности электрической цепи, а через какое-то время, определяемое не только величиной тока нагрузки, но и способностью окружающей среды отводить тепло от искрового промежутка. Возможность оплавления изоляции и последующего возгорания намного выше, чем на открытом воздухе.
Встречающееся утверждение о том, что пожар возник по причине короткого замыкания или из-за перегрузки в сети, как правило, не соответствует действительности, так как применяемые автоматы защиты от короткого замыкания и токов перегрузки при соблюдении элементарных требований их эксплуатации достаточно надежны в работе. Скорее всего возгорание произошло именно из-за искрения в электропроводке при токе нагрузки, не превышающем допустимое значение. В этом случае указанные способы защиты бессильны.
Пути решения проблемы
Военной академией РВСН им. Петра Великого на проходившей в минувшем году выставке "Армия-2015" демонстрировался прибор "Искра", вопросы практического применения которого далеко выходили за рамки обеспечения безопасности ракетно-ядерного оружия РВСН в мирное и военное время.
Многие посетители делились своими впечатлениями о проявлениях искрения в быту. При этом подтверждали несрабатывание штатной защиты от КЗ при искрении в розетке, при искрении в распределительной коробке, при оплавлении выключателей. Считаем невредным проинформировать читателя о содержании некоторых интересных аспектов проходившего диалога.
Вопрос школьника: "При поступлении сигнала от вашего прибора, следует ли формировать команду на эвакуацию школьников (чтобы не создавать панику)?"
Ответ: "Прибор оценивает, рассчитывает и определяет восемь уровней опасности и только на восьмом уровне опасности формирует сигнал-команду на эвакуацию детей из школы. Все другие уровни опасности предназначены дежурному персоналу школы для принятия им решения об устранении возникшей неисправности в соответствии с алгоритмом, представленном в руководстве на этот прибор".
Вопрос пожилого посетителя выставки: "Если бы в России с 2005 года до настоящего времени использовались устройства, аналогичные прибору "Искра", какое число катастроф и аварий можно было бы предотвратить из-за искрения в электрооборудовании?
Ответ: "Количество назвать невозможно ввиду отсутствия полной информации по данным происшествиям, но по высокотехнологичным объектам (авиация, космос, атомная энергетика, вооружение и др.) можно назвать их долю - не менее 40% с учетом человеческого фактора и других причин происшествий на объектах с электрооборудованием".
К исследованию проблемы защиты людей и объектов от неисправной электропроводки при проявлении на ней дефектной дуги (искрения) Россия приступила в конце XX столетия, научно обосновав принципиальную возможность создания способа эффективного контроля возникновения и развития искрения в электрооборудовании любых типов и характеристик объектов.
В результате исследований впервые в мире было разработано инновационное техническое решение, реализовано в приборе "Искра" и защищено патентом России на изобретение №2159468 с приоритетом от 12 января 2000 года. Последние результаты исследования защищены патентами России № 2571513 с приоритетом от 22 апреля 2013 года и № 2571521 с приоритетом от 13 сентября 2013 года. Разработка также защищена патентами на изобретения в Китае, США, Европе и Японии. 14 февраля 2005 года изобретение по патенту № 2254615 внесено ФИПС в базу данных перспективных российских разработок, а 26 июня 2008 года патенты № 2159468 и 2254615 объявлены ФИПС номинантом конкурса "100 лучших изобретений России". Автором разработки является один из авторов данной статьи - Игорь Королев, профессор кафедры эксплуатации ракетного вооружения ВА РВСН.
Новый способ предупреждения пожара или другого вида происшествия задолго до начала активного тепловыделения в месте искрения позволяет выявить предпосылку к возгоранию. Он основывается на использовании многих параметров переходного сопротивления в месте несанкционированного нарушения целостности электрической цепи, оценивающих фактическое техническое состояние контролируемого объекта.
Данное устройство выделяет и измеряет ток высокочастотного спектра, определяемый этим сопротивлением. При этом обеспечивается непрерывный контроль всего участка сети (электроустановки), расположенного за подключенным прибором. При возникновении пожароопасной ситуации формируется предупреждающий сигнал, соответствующий уровню опасности искрения, или команда на отключение электросети (электроустановки).
В настоящее время устройство, реализующее рассматриваемый способ, является единственным инструментальным средством, позволяющим диагностировать и достоверно предсказывать все виды техногенной опасности и катастроф по причине нештатного искрения в электрооборудовании всех видов объектов. Устройство изготовлено опытной серией и может использоваться для диагностики различных видов электрических сетей: переменного, постоянного и пульсирующего тока, слаботочных и сильноточных.
Отличие российского технического решения от решений США и других стран заключается в принципиальном различии подходов к оценке момента возникновения искрения, его дальнейшего развития и в определении параметров тока искрения путем:
- оценки уровня пожарной опасности по фактическому состоянию контролируемого участка электрической сети (США - методом математического моделирования процесса искрения, хранения модели в виде шаблона и сравнением реального процесса с шаблоном, при этом обеспечивается малая достоверность ввиду непостоянства параметров окружающей среды и помех);
- повышения достоверности контроля уровня пожарной опасности за счет сужения оцениваемой временной области до 1 мС на интервале пересечения током искрения нулевого значения (США охватывает весь период переменного тока, тем самым при сети 50 Гц в течении 19 мС дополнительно захватывает 95% энергии помех);
- повышения точности определения уровня пожарной опасности из-за учета воздействия шунтирующего тока и определения величины искрового промежутка;
- локализации места проявления искрящей электрической цепи из множества цепей контролируемого участка сети.
Продвижение инноваций - бесполезность санкций
К сожалению, существующая с 2005 года российская промышленно реализованная разработка устройства предупреждения пожаров от искрения в электропроводке не имеет правовой основы для ее широкой реализации по причине отсутствия нормативной базы, определяющей требования к указанному типу устройства. Ее отсутствие не позволяет ни разработчику, ни изготовителю опираться на пока еще формальные неустановленные значения параметров, обеспечивающих непрерывную и надежную работу устройства защиты от искрения, а также никогда не позволит государственным структурам принять обоснованное решение по обязательному использованию разработанного устройства, необходимому для эффективного снижения существующего сегодня количества происшествий.
И последнее. При обязательном использовании данного устройства нетрудно прикинуть налоговые отчисления в бюджет государства и трудовую занятость населения по количеству в стране квартир, зданий общественного и социального назначения, транспорта и других объектов гражданского, военного и специального назначения.
В статье рассматривается проблема реализации конкретного инновационного технического решения. Однако оно в стране не одно, поэтому возможность продвижения таких решений может быть осуществлена только в условиях снижения существующего уровня безразличия отдельных чиновников, обладающих правом принятия решения. Отсюда следует возможность реального повышения развития высокотехнологичных отраслей народного хозяйства, а значит, и рост конкурентоспособности нашей экономики в мире, существенно обесценивающей санкции США и ЕС.
В этом и заключается приоритетная задача государства для обеспечения своей безопасности.
Сергей Анатольевич Федосеев - полковник, начальник НИЦ ВА РВСН им. Петра Великого.
Игорь Сергеевич Королев - полковник в отставке, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации ракетного вооружения, а с 2016 года - старший научный сотрудник ВА РВСН им. Петра Великого