СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ АВАРИЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02H3/00 

Изобретение относится к схемам защиты в области электроэнергетики и пожарной безопасности, осуществляющим автоматическое отключение и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения или без такового, а именно, к способам динамического обнаружения аварийного электрического разряда.

В электроустановках и кабельных линиях по причине механических, химических и температурных воздействий образуются повреждения изоляции, которые приводят к нарушению порядка функционирования электрической цепи, изменению соответствующей ей совокупности характеристик и возникновению аварийных режимов работы. Наибольшую сложность в обнаружении представляют аварийные режимы, при которых протекают физические процессы с электрическими разрядами.

Особенностью современных электроустановок является наличие в них устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами или устройств, в штатном режиме работы генерирующих форму тока, сходную с током разряда. В связи с этим, при разработке способа динамического обнаружения аварийного электрического разряда возникла необходимость его разграничения на два класса - штатный электрический разряд и аварийный электрический разряд.

Под штатным электрическим разрядом (ШЭР) будем понимать разряд любого типа - искровой, дуговой и др., присущий ряду электрических машин и устройств (коллекторные электродвигатели, выключатели, контакторы, реле, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т.д.). К штатному электрическому разряду также можно отнести электрические процессы, протекающие в контролируемой сети, которые обладают рядом характерных признаков - переходные и коммутационные процессы, сопровождающие работу импульсных источников питания и преобразователей напряжения, устройств частотного привода и т.п.

Аварийным электрическим разрядом (АЭР) будем считать разряд любого типа - искровой, дуговой и др., не характерный для электроустановок, машин и устройств, находящихся в исправном состоянии, который может привести к возгоранию или воспламенению изоляционных материалов и окружающих предметов и веществ.

Аварийный электрический разряд, в свою очередь, целесообразно разделить по ряду признаков и особенностей детектирования на три вида: последовательный, параллельный и разряд на землю.

Последовательный аварийный электрический разряд возникает при нарушении надежного электрического контакта в цепи с подключенной нагрузкой. Ток последовательного аварийного электрического разряда ограничивается номинальным током нагрузки.

Параллельный аварийный электрический разряд возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными и (или) нейтральным проводниками.

Аварийный электрический разряд на землю является частным случаем параллельного аварийного электрического разряда и возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными проводниками и заземленными частями электроустановки (проводник защитного заземления).

При аварийной ситуации первоначально появляются одиночные искровые разряды, характеризующиеся крайне малым временем протекания разрядного тока. Выделяющаяся теплота при достаточной частоте появления искровых разрядов способствует обугливанию изоляционного материала и перетеканию аварийного электрического разряда в следующую, более устойчивую фазу - дуговой разряд. Аналогично процесс развивается при нарушении электрического контакта в клеммниках и других коммутационных изделиях.

Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта и повреждений элементов электроустановок, которые не приводят к коротким замыканиями и перегрузкам, достигает 80% [Павлов Д.Д. Исследование и разработка интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики: дис. канд. техн. наук: 05.13.05 Владимир, 2006 РГБ ОД, 61:06-5/3843, стр.12], поэтому способ защиты от аварийного электрического разряда актуален и его следует применять на электроустановках всех категорий как промышленного, так и бытового назначения.

Существующие способы защиты с помощью автоматических выключателей (АВ) и устройств защитного отключения (УЗО) не позволяют выявить наличие аварийного электрического разряда и произвести своевременное отключение поврежденной части электроустановки, поэтому для значительного повышения уровня безопасности электроустановок возникла необходимость в разработке новых способов защиты.

Известно техническое решение [патент России 2254615 G08B 17/06, G08B 25/10, опубл. 20.06.2005], согласно которому на вводе электрической сети измеряют суммарный электрический ток. Из измеренного суммарного тока путем фильтрации выделяют сигнал, содержащий высшие гармоники, появляющиеся при искрении и горении электрической дуги. Сформированный сигнал усиливают, выпрямляют и накапливают в течение установленного времени. В процессе накопления сравнивают величину суммарного сигнала с заданным уровнем, который выбирается для соответствующей степени пожарной опасности сети. В зависимости от величины накопленного сигнала, соответствующего достигнутому уровню, формируют сигнал предупреждения и (или) команду на отключение электрической сети.

Недостатками данного технического решения является низкая достоверность детектирования электрической дуги при использовании в электрических сетях с изменяющейся нагрузкой и высокой частотой коммутаций, так как в качестве информативного показателя используется ток нагрузки, меняющийся при ее включении и отключении, а также несоответствие заданных пределов степеней пожарной опасности реальным условиям функционирования электроустановок.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ [заявка на патент США 2009/0059449 А1, опубл. 05.03.2009], в котором зарегистрированный сигнал тока контролируемой сети подается на два независимых канала; первый канал содержит фильтр высоких частот (ФВЧ), предназначенный для удаления из сигнала основной гармоники сети переменного тока, второй - фильтр низких частот (ФНЧ), служащий для подавления высокочастотных составляющих тока, возникающих, в частности, при искрении. Сигналы тока каждого из каналов после фильтрации оцифровываются и обрабатываются с помощью микропроцессора следующим образом. Сигнал первого канала анализируется для выявления одной или нескольких статистических характеристик. Сигнал второго канала служит для вычисления среднеквадратичного значения тока нагрузки. Статистические характеристики сигнала первого канала сравниваются с определенными диапазонами значений, зависящих от среднеквадратичного значения тока нагрузки. В случае, если значения статистических характеристик попадают в заданные для определенного значения тока нагрузки пределы, значения логического счетчика увеличиваются. При достижении предельного значения формируется сигнал, приводящий к обесточиванию контролируемой сети.

Существенными недостатками данного технического решения являются: возможность ложного срабатывания устройства при нормальном функционировании нагрузок с большими пусковыми токами и высоким уровнем штатных электрических разрядов - коллекторных двигателей и импульсных источников питания, необеспечение пожарной безопасности при наличии аварийного электрического, в том числе дугового, разряда, являющегося одним из видов аварийного электрического разряда малой мощности, зависимость предельного уровня аварийного электрического разряда от тока нагрузки контролируемой сети, приводящая к недопустимому повышению его порогового значения, невозможность устойчивой регистрации кратковременных искровых разрядов.

Задачей предлагаемого способа динамического обнаружения аварийного электрического разряда является обеспечение устойчивого функционирования и отсутствия ложных срабатываний для всех видов нагрузок, в том числе при наличии штатных электрических разрядов и для пусковых токов любого уровня, и обеспечение стабильного и постоянного порогового уровня аварийного электрического разряда, основанного на экспериментальных данных по минимальной энергии разряда, необходимой для возгорания, регистрация как дуговых, так и искровых электрических разрядов.

Задача решается таким образом, что в способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда, характеризующемся тем, что зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки контролируемой сети подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом в первом канале на первой ступени оценивают отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени (более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение, на второй ступени для повышения достоверности обнаружения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа Т, на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту, являющуюся стохастической частью исходного сигнала, путем вычитания регулярной компоненты из зарегистрированного сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся отклонения сигнала за несколько периодов анализа, а на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток, равный трем и более периодам анализа, со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности, затем полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и, в случае их превышения, формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети.

По заявляемому способу на первой ступени для определения отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции из значений сигнала за текущий период анализа вычитают значения за предыдущий период анализа и рассчитывают среднеквадратичное значение x₁(t), являющееся оценкой апериодичности сигнала тока, по формуле:

$$x_1\left(t\right)=\frac{1}{2\tau \sqrt{T}}\sqrt{{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{\left({\displaystyle \underset{\rho -\tau }{\overset{\rho +\tau }{\int }}\left(i\left(\theta \right)-i\left(\theta -T\right)d\theta \right)}\right)}^{2}d\rho }}$$ ,

где i(t) - зарегистрированный сигнал тока;

Т - период анализа - фиксированный временной промежуток, для переменного тока и постоянного тока, определяемый временем срабатывания защитных устройств - автоматического выключателя или устройства защитного отключения, установленных совместно и обеспечивающих дополнительную защиту электроустановки;

t - момент поступления зарегистрированного сигнала в каналы для обработки;

τ - радиус малой окрестности t;

ρ- моменты времени, лежащие на отрезке [t-T;t], по которым происходит усреднение;

θ - момент преобразования сигнала.

По заявляемому способу для выделения иррегулярной компоненты на первой ступени из значений зарегистрированного сигнала тока вычитают значения регулярной компоненты, затем вычисляют среднеквадратичное значение x₂(t), по формуле:

$$x_2\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T}}\sqrt{{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{\left(i\left(\rho \right)-\frac{1}{2\tau }{\displaystyle \underset{\rho -\tau }{\overset{\rho +\tau }{\int }}i\left(\theta \right)d\theta }\right)}^{2}d\rho }}$$ .

По заявляемому способу на второй ступени в каждом из каналов для повышения достоверности определения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигналов за несколько периодов анализа, и берут их абсолютные значения, рассчитывая по формуле:

$$y_k\left(t\right)=\left|x_k\left(t\right)-\frac{1}{rT}{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{x}_k\left(\rho \right)d\rho }\right|$$ ; k∈{1,2}

где r - число периодов анализа, по которым происходит усреднение.

k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

По способу на третьей ступени сигналы, полученные на выходах второй ступени в каждом из каналов, фильтруют, применяя амплитудные фильтры, и суммируют с отфильтрованными с помощью фильтров низких частот сигналами, полученными за предыдущие периоды анализа, по формуле:

$$\{\begin{array}{c}{z}_k\left(t\right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{z}_k\left(\theta \right)\exp \left(a_k\left(\theta -t\right)\right)d\theta +\sqrt{2e}\sqrt{b_k}\frac{y_k^2\left(t\right)}{A}\exp \left[-b_k{\left(\frac{y_k\left(t\right)}{A}\right)}^2\right],t\ge 0}\\ z\left(t\right)=\mathrm{0,}t<0\end{array}$$

k∈{1,2}

где $$A=\frac{1}{\tau }{\displaystyle \underset{t-\tau }{\overset{t}{\int }}{y}_k\left(\theta \right)d\theta }$$

a_k - параметр успокоения, характеризует степень влияния предыдущих значений на текущее;

b_k - параметр подавления, характеризует степень влияния единичных импульсов большой амплитуды;

k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

Сущность способа заключается в выделении из зарегистрированного сигнала тока, пропорционального току нагрузки контролируемой сети, двух составляющих - компонент, обладающих различными свойствами и характеристиками и анализе динамики характеристик этих компонент во времени. Одна из компонент, определенная нами как регулярная, является детерминированной составляющей зарегистрированного сигнала. Вторая компонента, определенная как иррегулярная, - стохастическая составляющая зарегистрированного сигнала, представляющая собой случайную или, в случае работы устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами, псевдослучайную величину.

Предлагаемый способ иллюстрируются фиг.1-2.

На фиг.1 показана структурная схема, поясняющая способ.

На фиг.2 показаны области штатного и аварийного электрического разрядов в соответствии с изменением значений z_k.

Сигнал тока нагрузки контролируемой сети, регистрируемый датчиком тока 1, подключенным к одному из ее проводников, подается на два параллельных канала блока обработки, в каждом из которых зарегистрированный сигнал проходит три ступени обработки (X, Y и Z).

В первом канале на первой ступени (ступень Х на фиг.1) выделяют регулярную компоненту из зарегистрированного сигнала следующим образом: проводят исключение периодической составляющей сигнала путем суммирования входного сигнала с инвертированным сигналом предыдущих периодов анализа (линия задержки 2, инвертор 3) и проводят усреднение по малому промежутку времени, предшествующему моменту поступления зарегистрированного сигнала в канал для обработки с помощью элемента усреднения (линии задержки 4 и сумматора-делителя 5), после чего определяют среднеквадратичное значение регулярной компоненты за временной промежуток Г с помощью среднеквадратичного детектора 6.

На второй ступени (ступень Y на фиг.1) полученное среднеквадратичное значение преобразованного сигнала суммируют с инвертированным с помощью инвертора 15 средним арифметическим значений преобразованных сигналов за r предыдущих периодов анализа T, полученным с помощью линии задержки 11 и сумматора-делителя 12.

Таким образом, фактически происходит исключение повторяющихся колебаний значения сигнала, в сети переменного тока соответствующих частоте основной гармоники сети, либо в сети постоянного тока - частоте коммутаций импульсных блоков питания или частотных преобразователей, и выделение для дальнейшей обработки высокочастотных составляющих из сигнала. На заключительном этапе второй ступени берут абсолютное значение сигнала с помощью мостового выпрямителя 7.

Далее сигнал поступает на третью ступень (Z), где его фильтруют с использованием амплитудного фильтра 8, снижающего чувствительность к одиночным импульсам большой амплитуды, значительно превышающей (в 10 и более раз) среднюю амплитуду преобразованного сигнала. После чего сигнал суммируют с накопленными за предыдущее время уровнями выходного сигнала, получаемого на выходе фильтра низких частот, включенного в цепь положительной обратной связи и образованной линией задержки 20 и интегрирующим звеном 19, благодаря чему обеспечивают влияние истории предыдущих значений сигнала на формирование текущего уровня выходного сигнала.

Во втором канале на первой ступени (ступень Х на фиг.1) выделяют иррегулярную компоненту из зарегистрированного сигнала: сигнал суммируют с инвертированным с помощью инвертора 9 сигналом первого канала, благодаря чему осуществляют исключение выделенной регулярной компоненты из исходного сигнала, после чего определяют среднеквадратичное значение иррегулярной компоненты за период Т с помощью среднеквадратичного детектора 10.

На второй ступени (Y) обработка преобразованного сигнала, полученного на предыдущей ступени (ступень X), происходит аналогично обработке на второй ступени для первого канала (используются элементы: линия задержки 13, сумматор-делитель 14, инвертор 16, мостовой выпрямитель 17.

Преобразования на третьей ступени (Z) второго канала аналогично преобразованиям первого канала проводят с использованием амплитудного фильтра 18 и фильтра низких частот в цепи обратной связи, образованной линией задержки 22 и интегрирующим звеном 21.

После прохождения третьей ступени обработки выходные сигналы первого и второго каналов поступают на компараторы 9 и 23 соответственно, с помощью которых уровни сигналов сравниваются с заданными пороговыми сигналами α и β, которые подаются от источников опорных напряжений 25 и 26. Логические сигналы с компараторов подаются на устройство логического умножения И, с выхода последнего дискретный сигнал поступает на устройство управления 24. В случае одновременного превышения обоих пороговых значений устройство управления на основе поступившего на него логического сигнала ИСТИНА формирует команду для отключения контролируемой сети, посылает тревожный сигнал на пульт диспетчера и т.д.

На фиг.2 изображена взаимосвязь пороговых значений α и β с режимами работы контролируемой сети, z₁ и z₂ - выходные сигналы первого и второго каналов, поступающие на вход компараторов 9 и 23. Рост значений z₁ и z₂ сигнализирует о переходе режима работы сети из режима без разрядов или с наличием штатного электрического разряда в режим аварийного электрического разряда. Существует переходная область - зона неопределенности, в которой возможно срабатывание устройства в отсутствие явно выраженного аварийного разряда. Однако, такие срабатывания нельзя считать ложными, так как они вызваны режимами, близкими к аварийным (чрезмерный износ щеток коллекторных двигателей, прогорание контактных площадок коммутационных устройств и т.д.)

Данный способ может быть реализован с помощью устройства, прототип которого описан в заявке на патент США 2009/0059449 А1. Прототип по причинам, изложенным ранее при описании известного способа, не обеспечивает необходимой достоверности детектирования аварийного электрического разряда, а устройству присущи ложные срабатывания.

Предлагаемое устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда содержит датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают М отсчетов i_m за промежуток времени T_j, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени T_j-1:

$$i_{m\mathrm{,1}}=\{\begin{array}{c}{i}_m-i_{m-M},m\ge M+1\\ i_m,m\le M\end{array}$$ ,

где i_m - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток T_j;

М - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени T_j;

полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения

$$i_{m\mathrm{,2}}=\frac{1}{m-\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}+1}{\displaystyle \sum _{j=\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}}^m}{i}_{j\mathrm{,2}}$$ ,

где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности τ;

и вычисляют норму полученного результата по формуле:

$$x_{n\mathrm{,1}}=\sqrt{\frac{1}{M+1}{\displaystyle \sum _{j=m-M}^m}{\left|i_{j\mathrm{,2}}\right|}^2}$$ ;

для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов i_m применяют оператор усреднения согласно формуле:

$$i_{m\mathrm{,3}}=\frac{1}{m-\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}+1}{\displaystyle \sum _{j=\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}}^m}{i}_j$$ ,

для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов i_m поэлементно вычитают i_m,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:

$$x_{n\mathrm{,2}}=\sqrt{\frac{1}{M+1}{\displaystyle \sum _{j=m-M}^m}{\left|i_j-i_{j\mathrm{,3}}\right|}^2}$$ ;

далее из полученных значений x_n,1, x_n,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов x_m,k, полученных за последние r промежутков времени T_j, и берут их абсолютные величины:

$$y_{n,k}=\{\begin{array}{c}\left|x_{n,k}-\frac{1}{r+1}{\displaystyle \sum _{m=n-r}^n}{x}_{m,k}\right|,n\ge r\\ \left|x_{n,k}\right|,n<r\end{array}$$ ^, k∈{1,2};

затем, применяя к каждой из последовательностей значений y_n,1, y_n,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:

$$z_{n,k}=\{\begin{array}{c}{\displaystyle \sum _{m=n-p}^{n-1}}{z}_{m,k}\exp \left(a_k\left(m-n+1\right)\right)+\sqrt{2e}\sqrt{b_k}\frac{y_{n,k}^2}{B}\exp \left[-b_k{\left(\frac{y_{n,k}}{B}\right)}^2\right],n\ge \max \left\{p,q\right\}\\ y_{n,k},n<\max \left\{p,q\right\}\end{array}$$

k∈{1,2}

получают значения z_n,1 и z_n,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями α и β, т.е. проверяют выполнение условия:

(z_n,1>α)&(z_n,2>β),

в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

Устройство конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения, и (или) с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами фиг.3-4.

На фиг.3 изображена блок-схема устройства.

На фиг.4 - алгоритм работы функционального модуля устройства.

Устройство (фиг.3) содержит контактную группу 2, блок защиты от волновых перенапряжений 3, датчик тока нагрузки 4, блок питания 7, устройство защиты входа 9, усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, функциональный модуль 14, индикатор 13, реле 10, исполнительный механизм 8 и, в случае совмещения с устройством защиты, тепловой и электромагнитный расцепители, и датчик дифференциального тока 6.

Устройство включается в контролируемую сеть последовательно с нагрузками и функционирует следующим образом.

Напряжение сети подают на входные клеммы 1, которое затем поступает на контактную группу 2, используемую для отключения нагрузки в случае аварийной ситуации, блок защиты от волновых перенапряжений 3, препятствующий прохождению кратковременных импульсных перенапряжений в контролируемую электроустановку и на электронную схему устройства, на датчик тока нагрузки 4 и на выходные клеммы 5.

Сигнал с датчика тока нагрузки 4 подают на устройство защиты входа 9, осуществляющее дополнительную защиту электронной схемы устройства при длительной перегрузке (в том случае, если в составе устройства не предусмотрен автоматический выключатель либо при его повреждении). Далее сигнал усиливается с помощью усилителя 11 и подается на аналого-цифровой преобразователь 12 для оцифровки и дальнейшей обработки с помощью функционального модуля 14.

Функциональный модуль 14 содержит микроконтроллер или иное цифровое логическое устройство с дополнительными элементами, обеспечивающими требуемый режим работы. С его помощью осуществляют сбор, хранение и обработку оцифрованных данных сигнала тока, поступившего с датчика, формирование сигнала на индикатор 13 и команды на реле 10 для приведения в действие исполнительного механизма 8 с целью размыкания контактной группы 2 и обесточивания контролируемой сети при возникновении аварийной ситуации.

Функциональный модуль 14 обрабатывает поступающие сигналы и выдает информационные сообщения или формирует команду на отключение контролируемой сети согласно алгоритму, представленному на фиг.4.

В результате внедрения данного изобретения значительно повышается достоверность определения аварийного электрического разряда, исключаются ложные срабатывания при одновременной работе нагрузок различных видов (чисто активные, индуктивные, емкостные и смешанные). Отдельно следует указать на высокое быстродействие устройства и устойчивую регистрацию аварийной ситуации до зажигания стабильной электрической дуги, приводящей к пожару. Данное изобретение может применяться в сетях как переменного, так и постоянного тока.

Таким образом, внедрение предлагаемого способа и устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда обеспечивает предупреждение пожара при неисправности в электрической сети, повышает степень защиты людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности. Согласно способу зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом в первом канале на первой ступени оценивают отклонения сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени - более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение, на второй ступени - выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа Т, на третьей сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту путем вычитания регулярной компоненты из сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, а на третьей сигнал фильтруют, полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и в случае их превышения формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда, характеризующийся тем, что зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки контролируемой сети подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом: в первом канале на первой ступени оценивают отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени - более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени для повышения достоверности обнаружения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа T; на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту, являющуюся стохастической частью исходного сигнала, путем вычитания регулярной компоненты из зарегистрированного сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся отклонения сигнала за несколько периодов анализа; на третьей степени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности, затем полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и в случае их превышения формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети.

2. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1, при котором на первой ступени для определения отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции из значений сигнала за текущий период анализа вычитают значения за предыдущий период анализа и рассчитывают среднеквадратичное значение x₁(t), являющееся оценкой апериодичности сигнала тока, по формуле:
$$x_1\left(t\right)=\frac{1}{2\tau \sqrt{T}}\sqrt{{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{\left({\displaystyle \underset{\rho -\tau }{\overset{\rho +\tau }{\int }}\left(i\left(\theta \right)-i\left(\theta -T\right)d\theta \right)}\right)}^{2}d\rho }}$$ ,
где i(t) - зарегистрированный сигнал тока;
Т - период анализа - фиксированный временной промежуток для переменного тока и постоянного тока, определяемый временем срабатывания защитных устройств: автоматического выключателя или устройства защитного отключения, установленных совместно и обеспечивающих дополнительную защиту электроустановки;
t - момент поступления зарегистрированного сигнала в каналы для обработки;
τ - радиус малой окрестности t;
ρ - моменты времени, лежащие на отрезке [t-T; t], по которым происходит усреднение;
θ - момент преобразования сигнала.

3. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1, при котором для выделения иррегулярной компоненты на первой ступени из значений зарегистрированного сигнала тока вычитают значения регулярной компоненты, затем вычисляют среднеквадратичное значение x₂(t), по формуле:
$$x_2\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T}}\sqrt{{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{\left(i\left(\rho \right)-\frac{1}{2\tau }{\displaystyle \underset{\rho -\tau }{\overset{\rho +\tau }{\int }}i\left(\theta \right)d\theta }\right)}^{2}d\rho }}$$

4. В способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1 на второй ступени в каждом из каналов для повышения достоверности определения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигналов за несколько периодов анализа, и берут их абсолютные значения, рассчитывая по формуле:
$$y_k\left(t\right)=\left|x_k\left(t\right)-\frac{1}{rT}{\displaystyle \underset{t-T}{\overset{t}{\int }}{x}_k\left(\rho \right)d\rho }\right|$$ ; k∈{1,2},
где r - число периодов анализа, по которым происходит усреднение;
k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

5. В способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1 на третьей ступени сигналы, полученные на выходах второй ступени в каждом из каналов, фильтруют, применяя амплитудные фильтры, и суммируют с отфильтрованными с помощью фильтров низких частот сигналами, полученными за предыдущие периоды анализа, по формуле:
$$\{\begin{array}{c}{z}_k\left(t\right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{z}_k\left(\theta \right)\exp \left(a_k\left(\theta -t\right)\right)d\theta +\sqrt{2e}\sqrt{b_k}\frac{y_k^2\left(t\right)}{A}\exp \left[-b_k{\left(\frac{y_k\left(t\right)}{A}\right)}^2\right],t\ge 0}\\ z\left(t\right)=\mathrm{0,}t<0\end{array}$$
, k∈{1,2},
где $$A=\frac{1}{\tau }{\displaystyle \underset{t-\tau }{\overset{t}{\int }}{y}_k\left(\theta \right)d\theta }$$ ;
a_k - параметр успокоения, характеризует степень влияния предыдущих значений на текущее;
b_k - параметр подавления, характеризует степень влияния единичных импульсов большой амплитуды;
k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

6. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда, содержащее датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают М отсчетов i_m за промежуток времени T_j, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени T_j-1:
$$i_{m\mathrm{,1}}=\{\begin{array}{c}{i}_m-i_{m-M},m\ge M+1\\ i_m,m\le M\end{array}$$ ,
где i_m - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток T_j;
М - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени T_j;
полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения
$$i_{m\mathrm{,2}}=\frac{1}{m-\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}+1}{\displaystyle \sum _{j=\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}}^m}{i}_{j\mathrm{,2}}$$ ,
где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности τ;
и вычисляют норму полученного результата по формуле:
$$x_{n\mathrm{,1}}=\sqrt{\frac{1}{M+1}{\displaystyle \sum _{j=m-M}^m}{\left|i_{j\mathrm{,2}}\right|}^2}$$ ;
для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов i_m применяют оператор усреднения согласно формуле:
$$i_{m\mathrm{,3}}=\frac{1}{m-\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}+1}{\displaystyle \sum _{j=\max \left\{m-S\mathrm{,1}\right\}}^m}{i}_j$$ ,
для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов i_m поэлементно вычитают i_m,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:
$$x_{n\mathrm{,2}}=\sqrt{\frac{1}{M+1}{\displaystyle \sum _{j=m-M}^m}{\left|i_j-i_{j\mathrm{,3}}\right|}^2}$$ ;
далее из полученных значений x_n,1, x_n,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов x_m,k, полученных за последние r промежутков времени T_j, и берут их абсолютные величины:
$$y_{n,k}=\{\begin{array}{c}\left|x_{n,k}-\frac{1}{r+1}{\displaystyle \sum _{m=n-r}^n}{x}_{m,k}\right|,n\ge r\\ \left|x_{n,k}\right|,n<r\end{array}$$ ^, k∈{1,2};
затем, применяя к каждой из последовательностей значений y_n,1, y_n,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:
$$z_{n,k}=\{\begin{array}{c}{\displaystyle \sum _{m=n-p}^{n-1}}{z}_{m,k}\exp \left(a_k\left(m-n+1\right)\right)+\sqrt{2e}\sqrt{b_k}\frac{y_{n,k}^2}{B}\exp \left[-b_k{\left(\frac{y_{n,k}}{B}\right)}^2\right],n\ge \max \left\{p,q\right\}\\ y_{n,k},n<\max \left\{p,q\right\}\end{array}$$
k∈{1,2};
где $$B=\frac{1}{q}{\displaystyle \sum _{m=n-q}^{n-1}}{y}_{m,k}$$ ;
получают значения z_n,1 и z_n,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями α и β, т.е. проверяют выполнение условия:
(z_n,1>α)&(z_n,2>β),
в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

7. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.6 конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения.

8. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.6 конструктивно и функционально может быть объединено с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.