СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ОТ ИСКРЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ИЛИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G08B17/00 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих из-за искрения в электрической цепи электрооборудования сети (ЭС) или электроустановках (ЭУ) в помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах.

Примечание. Здесь и далее под пожарной безопасностью понимается пожарная и/или взрывобезопасность, а также отказ важных функциональных систем, приводящих к катастрофе или аварии, например, из-за плавления изоляции проводов или других элементов электрооборудования по причине искрения (дефектной дуги) на искровом промежутке без ее возгорания. Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов нередко сопровождается пожарами или взрывами, возникающими из-за искрения в электрических сетях (ЭС) и электроустановках (ЭУ).

В России согласно официальной статистике пожар из-за искрения в электрооборудовании по количеству и тяжести последствий занимает второе место после неосторожного обращения с огнем.

Особо опасны указанные выше отказы, приводящие к происшествиям не только на объектах добычи, хранения и транспортировки нефтепродуктов и газа и других пожароопасных объектах, но и вызывающие катастрофы по причине нарушения систем управления объектами в воздухе, космосе и в море. Для примера можно привести гибель самолетов в Сургуте и Челябинске, гибель первого космического аппарата Аполло-1, подводных лодок и многих других трагических событий. Имеют место неоднократные отказы бортовых аккумуляторных батарей самолетов по причине нарушения соединения хотя бы с одной перемычкой с одним из нескольких десятков последовательно соединенных аккумуляторов.

С целью улучшения данной печальной статистики осуществлялись разработки различных способов и устройств защиты от искрения, применяемых в ЭС и ЭУ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен «способ обнаружения дефектной последовательной дуги переменного тока» [1], с помощью которого обнаруживают и отображают наличие последовательной дефектной дуги в электрическом токе, поступающем от источника электропитания переменного тока под электрической нагрузкой. Включает в себя двукратные измерения (измерения двух периодов переменного тока) значений его положительного и отрицательного полупериодов и определения их абсолютных значений, далее их суммирования на каждом периоде и по разнице двух сумм устанавливая наличие дефектной последовательной дуги в случае, если эта разница превышает заданный пороговый уровень.

Как показывают исследования, является необоснованным полагаться на разницу результатов измерения «искрящих» периодов, так как, с одной стороны, эта разница может отсутствовать, а, с другой стороны, разность показаний в сравнении двух сумм может иметь место и для «не искрящих» периодов переменного тока. Кроме этого, в данном техническом решении обоснование построено на анализе сигналов лишь промышленной частоты (50, 60 Гц и др. низкой частоты) без учета высокочастотных составляющих, образующихся в момент возникновения искрения и являющихся основными признаками этого искрения.

Таким образом, наличие искрения, конечно, может быть зафиксировано, но без определения его уровня опасности и при этом с очень низким показателем достоверности, т.е. часть пожароопасных ситуаций не будет замечена, другая, наоборот, выдаст сигнал опасности при отсутствии таковой в действительности.

Известен «способ определения времени возникновения предпожарной ситуации от искрения в электрической сети» [2], в котором сигнал переменного напряжения выпрямляют и преобразуют в двухполупериодный сигнал. Каждый полупериод напряжения преобразуют в прямоугольный сигнал, по переднему фронту которого формируют сигнал, соответствующий переходу напряжения диагностируемой сети через нуль, формируют интервал времени, равный по длительности максимальному расстоянию между максимальными значениями мгновенной мощности за полупериод при максимально возможной угловой разнице фаз между током и напряжением диагностируемой сети…

Недостатки данного способа.

Согласно изложенным в формуле признакам способ не содержит в себе операции по измерению какого-либо тока в сети, что не позволяет определять ни мощность сети, ни величину тока искрения, ни момент его перехода через нуль. Из этого следует, что использование данного изобретения не способно идентифицировать опасность искрения.

Известен «способ и устройство предупреждения пожара от неисправностей в электрических сетях и электроустановках» [3], который наряду с измерением амплитуды импульсов на затухающей и возрастающей стадиях цикла «возникновение - гашение искры» и количества импульсов на возрастающей стадии данного цикла дополнительно содержит измерение по крайней мере одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений.

При этом осуществление указанного способа также характеризуется тем, что дополнительно оно содержит как минимум одного из блоков измерения тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки и измерения величины отклонения напряжения сети от требуемых значений.

Однако данный способ не учитывает влияния параллельных токов (токов шунтирования) и ширины искрового промежутка на точность определения уровня опасности искрения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления» [4], которое обладает более широкой совокупностью признаков, наиболее близкой к совокупности существенных признаков изобретения. Поэтому данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога из числа известных и принято за прототип.

В соответствии с данным техническим решением и согласно уровню техники [3] измеряют электрический ток контролируемого участка ЭС или ЭУ, из измеренного тока формируют низкочастотную составляющую и высокочастотные сигналы, характеризующие процессы электрического пробоя искрового промежутка и восстановления напряжения на нем в области перехода тока через нуль. В данной временной области осуществляются процессы возникновения и затухания искрения (дефектной дуги). Параметры выделенных сигналов определяются интенсивностью и величиной этого тока искрения, зависящего от переходного сопротивления. При необходимости сигнал усиливают и выпрямляют. При этом накопление тепловой энергии, адекватной частоте следования циклов и току искрения, осуществляют с учетом предварительно рассчитанной величины данного тока. Величина тока искрения рассчитывается на основе измерения и последующего расчета выбранных параметров цикла «возникновение - гашение искры» на его образующей и затухающей стадиях. К данным параметрам цикла, определяющим величину тока искрения, относят амплитуду образующей и (или) затухающей стадий цикла, их продолжительность и (или) количество импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение. Результат накопления сигнала за установленное время сравнивают с заранее заданным (заданными) его допустимыми значениями. При этом на выходе устройства формируется сигнал предупреждения о соответствующем уровне пожарной опасности и (или) команда на отключение контролируемого участка неисправной ЭС или ЭУ, поступающие на блок отображения информации и (или) на блок отключения контролируемого участка ЭС или ЭУ.

Устройство для осуществления указанного способа характеризуется тем, что оно содержит блок определения величины тока искрения (фиг.2, 3 уровня техники [4]), включающий в себя модуль 3 формирования сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» в момент перехода тока через нуль, модуль 4 измерения и расчета параметров цикла (частоты следования циклов, продолжительности образующей и (или) затухающей стадий цикла; количества импульсов на затухающей стадии цикла, амплитуда которых превышает установленное значение), модуль 5 расчета величины тока искрения, модуль 6 хранения рассчитанной величины тока искрения и блок 11 накопления.

Все команды на выполнение заданного алгоритма работы устройства формируются в блоке 15 управления, исполненного, например, в виде микроконтроллера. Электропитание устройства обеспечивается блоком 16 питания от ЭС и (или) от автономного источника.

При исправном состоянии контролируемого участка электрической сети (электроустановки) искрение в любой точке контролируемого участка отсутствует, поэтому величина высокочастотной составляющей сигнала на входе корректирующего устройства равна нулю.

При возникновении искрения, связанного с образованием ионизированного переходного сопротивления R_перех в месте, например, некачественного контакта, в электрической цепи 4 появляется ток искрения (ток свободных ионов и электронов), проявляющийся в виде последовательности циклов «возникновение - гашение» искры (электрической дуги).

В соответствии с сигналом на входе блока определения величины тока искрения в модуле 3 формируются сигналы-признаки циклов. По первому импульсу (сигналу-признаку цикла) в модуле 4 формируется временной интервал и осуществляется накопление поступающих импульсов сигналов-признаков циклов. По истечении установленного времени этим же модулем фиксируется измеренное количество импульсов и рассчитывается величина параметра цикла (частота следования циклов). Полученный результат передается в модуль 5. Здесь по заданному функционалу, аргументом которого является частота следования циклов, происходит расчет величины тока искрения, которая запоминается в модуле 6. Результат расчета передается в блок накопления 11, одновременно в блок управления 15 передается сигнал для формирования им команды на проведение нового счета продолжающих поступать импульсов сигналов-признаков циклов.

Как недостаток данного технического решения следует отметить отсутствие измерения ширины искрового промежутка, величина зазора которого вместе с величиной тока искрения наиболее полно определяют количество выделяемой тепловой энергии на данном искровом промежутке, а значит, и точность определения уровня пожарной опасности.

Кроме этого данное техническое решение не учитывает влияние шунтирующего тока (тока, параллельного току искрения) на точность определения тока искрения в разветвленной электрической цепи. Особенно искажающей результаты измерения становится величина шунтирующего тока, преобладающая над током искрения.

Приведенные недостатки в определенных условиях существенно влияют на точность расчета уровня пожарной опасности, а значит, и снижают достоверность предупреждения происшествия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является повышение достоверности и точности измерения уровня пожарной опасности от искрения и других неисправностей в ЭС и ЭУ, направленных на улучшение тактико-технических характеристик предлагаемого технического решения.

Цель достигается тем, что способ предупреждения пожара от искрения в электрической цепи ЭС или ЭУ содержит измерение электрического тока контролируемого участка; формирование низкочастотной (промышленной частоты) и высокочастотных составляющих из сигнала измеренного тока; при необходимости усиление и выпрямление высокочастотных сигналов; формирование импульса сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» в момент перехода тока через нуль; измерение и расчет частоты следования циклов; измерение при необходимости амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла; измерение продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, а также при необходимости количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; измерение, по крайней мере одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений; отображение результатов измерения и расчета и (или) отключение контролируемой электрической сети или электроустановки; управление процессом измерения и расчета, например, с помощью микроконтроллера; электропитание устройства. При этом дополнительно вводят операции по определению величины искрового промежутка, образованного в месте разрыва электрической цепи, и тока искрения с учетом влияния тока шунтирования на точность определения параметров тока искрения.

Таким образом, в известное техническое решение [4] наряду с операциями измерения электрического тока контролируемого участка, формирования из сигнала измеренного тока низкочастотных и высокочастотных составляющих, дополнительно вводят операции по определению величины искрового промежутка, а также определяют величину тока искрения с учетом воздействия шунтирующего тока.

Наличие в заявляемом техническом решении совокупности отличительных признаков, не известных из уровня техники, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения, предопределяющих

получение указанного технического результата, явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где представлены:

фиг. 1 - график суммирования тока искрения и тока шунтирования на входе датчика (1 - ток искрения, 2 - ток шунтирования, 3 - суммарный ток нагрузки);

фиг. 2 - график сигнала суммарного тока на выходе датчика (4 - момент образования искрения (пробоя искрового промежутка), 5 - момент затухания искрения);

фиг. 3 - взаимосвязь тока искрения с «провалом» и током шунтирования (4 - момент образования искрения, 5 - момент затухания искрения, 6 - заштрихованная площадь тока искрения, 7 - заштрихованная площадь тока шунтирования);

фиг. 4 - модуль измерения тока искрения с учетом величины шунтирующего тока (8 - блок измерения электрического тока контролируемого участка, 9 - плата измерения и расчета параметра цикла (из уровня техники), 10 - плата расчета величины тока искрения (из уровня техники), 11 - модуль формирования сигнала-признака цикла «возникновение - гашение» искры (электрической дуги), 12 - модуль измерения и расчета параметра цикла, 13 - модуль хранения величины тока искрения, 14 - модуль расчета величины тока искрения, 15 - модуль измерения тока искрения с учетом величины шунтирующего тока (предлагается), 16 - блок определения величины тока искрения (из уровня техники);

фиг. 5 - плата определения ширины искрового промежутка (10 - плата расчета величины тока искрения (из уровня техники), 17 - модуль формирования сигнала-признака цикла «возникновение - гашение» искры, 18 - плата измерения частоты следования циклов, 19 - плата измерения количества импульсов, 20 - плата измерения продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, 21 - плата определения ширины искрового промежутка, 22 - плата измерения момента гашения искры первого цикла и его сохранения, 23 - плата измерения момента возникновения искры (пробоя) второго цикла соседнего полупериода тока, 24 - плата расчета ширины искрового промежутка, 25 - модуль измерения и расчета параметров цикла).

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 представлены зависимости тока искрения и шунтирования от времени. При прохождении тока искрения 1 через нуль наблюдается заметное искажение его синусоидальной формы, так называемый «провал». Ввиду малости изменения тока в приграничной области с нулевым значением указанного участка («провала») сложно говорить о явно выраженных параметрах этого «провала», тем более с учетом влияния тока шунтирования 2.

С целью более наглядного представления характера изменения зависимости суммарного тока 3 от времени и расширения возможностей ее анализа в области «провала», например, путем применения трансформатора тока (датчика) выполнено дифференцирование его по первой производной - измерение крутизны изменения суммарного тока нагрузки на вторичной обмотке данного трансформатора, как это представлено на фиг. 2.

Сигнал суммарного тока на выходе датчика формируется в блоке 8 измерения электрического тока контролируемого участка, с выхода которого он поступает в модуль 15 измерения тока искрения с учетом величины шунтирующего тока.

В данном модуле из сигнала первой производной в области «провала» выделяют заштрихованные участки и измеряют их площади (энергии). При этом площадь заштрихованного участка 6 соответствует току искрения, площадь заштрихованного участка 7 соответствует току шунтирования.

Путем перерасчета соотношений измеренных токов (тока искрения i_искр и суммарного тока i_sum) и заштрихованных площадей 6 и 7, величину сигнала тока искрения определяют по формуле

Далее рассмотрим процесс измерения ширины искрового промежутка. Здесь и далее под средой искрового промежутка будем понимать воздушную или другую диэлектрическую среду.

Под искровым промежутком будем понимать соответствующее ему расстояние между соседними циклами «возникновение - гашение искры» (так называемого «провала»), равное разнице времени между моментами возникновения импульсов на затухающей стадии одного цикла до перехода током нуля (4) и образующей стадии последующего за ним цикла соседнего полупериода после перехода током нуля (5), что соответствует воздушному или другому виду промежутка, разделяющему электроды в установках высокого или низкого напряжения (при напряженности электрического поля до 33 кВ/см и напряжении на электродах до 380 В ширина промежутка не более 115 микрон).

Ширина искрового промежутка предварительно определяется шириной «провала» между точками 4 и 5 фиг. 2, 3 следующим образом.

В модуль 12 измерения и расчета параметров цикла дополнительно вводят плату определения ширины искрового промежутка (фиг. 5).

При появлении на плате 20 измерения продолжительности образующей (затухающей) стадий цикла высокочастотных сигналов их распознают, как признаки процесса искрения и формируют в виде сигналов-признаков следующих друг за другом двух циклов «возникновение - гашение искры», каждый из которых принадлежит одному из соседних полупериодов и дополнительно соединяют эту плату с платой 21 определения ширины искрового промежутка. При этом, согласно представленной на фиг. 5 структурной схеме данной платы, выполняют следующие операции:

- сначала с использованием представленной на фиг. 5 платы 22 измеряют момент времени t_гаш гашения искры первого цикла, его сохраняют и передают в плату 24 расчета ширины искрового промежутка;

- затем, с использованием платы 23 измеряют момент времени t_воз возникновения искры второго цикла соседнего полупериода тока искрения, фиксируют время t_воз и передают его на ту же плату 24 расчета искрового промежутка;

- с использованием платы 24 рассчитывают ширину «провала» t_провал по формуле

- определяют ширину искрового промежутка t_зазор, для чего

- при активной нагрузке тока искрения искровой промежуток соответствует ширине «провала» тока искрения, т.е.

- при реактивной нагрузке тока искрения искровой промежуток соответственно изменяется на величину сдвига фаз

$$t_{зазор}=k\cdot (t_{провал}-\varphi ),(4)$$

где φ - угол сдвига фаз между моментом времени t_гаш тока искрения при прохождении его через нуль и моментом времени t_сети напряжения электрической сети при прохождении его через нуль;

k - коэффициент, устанавливающий взаимосвязь между зависимостями напряжения электрической сети от времени и напряженности электрического поля на искровом промежутке.

Окончательно результат расчета ширины искрового промежутка с платы 24 передается на плату 10 расчета величины тока искрения, вместе с которой объединяется в интегральный показатель уровня пожарной опасности. Данный показатель рассчитывается в плате 10 как зависимость уровня пожарной опасности от величины тока искрения с учетом шунтирующего тока, от ширины искрового промежутка и от интенсивности искрения, а также от характеристики теплоотводящих свойств электрооборудования и окружающей среды.

Предлагаемое техническое решение относительно существующих устройств уменьшает количество ложных донесений и команд и повышает показатель достоверности, что приводит к снижению стоимости затрат на реализацию защиты по предупреждению пожаров и взрывов от искрения в электрических сетях и электроустановках, а также повышает надежность электротехнических систем, в целом.

Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использование уже существующих технических решений [3 и 4] с незначительной их схемной и программной доработкой.

Это не требует также перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.

Таким образом, экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохраненных жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов за счет предотвращенных пожаров путем применения предлагаемого технического решения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США US 7633729 от 15.12.2009 «Alternating current series ARC fault detection method». Приоритет от 22.10.2007. Публикация заявки №2009/0103216 A1 от 23.04.2009.

2. Патент России RU 2309461 «Способ определения времени возникновения предпожарной ситуации от искрения в электрической сети и устройство для его осуществления». Приоритет от 27.12.2005 г. Публикация заявки №2005141090/09 27.10.2007, бюл. №30.

3. Заявка №PCT/RU2005/000251 «Способ и устройство предупреждения пожара от неисправностей в электрических сетях и электроустановках». Приоритет от 6.05.2005 г. Публикация заявки №WO 2006/121364 A1 16.11.2006.

4. Патент России RU 2254615 от 20.06.2005 «Способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления». Приоритет от 10.07.2003 г. Публикация заявки №2003120730/09 10.02.2005, бюл. №17.

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетике, а именно к способам и устройствам предупреждения пожара (взрыва) и отказа систем, приводящих к катастрофам и авариям в сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах. Технический результат - повышение достоверности в определении уровня пожарной опасности и надежности системы, в целом. Способ базируется на определении параметров сопротивления искрового промежутка путем измерения тока высокочастотных составляющих, характеризующих цикл "возникновение - гашение искры" при переходе тока искрения через нуль. Уровень пожарной взрывобезопасности и безотказности систем оценивается по интегральному показателю их зависимости от величины тока искрения с учетом воздействия шунтирующего тока, от ширины искрового промежутка и от интенсивности искрения, а также от характеристики теплоотводящих свойств электрооборудования и окружающей среды. По результатам контроля формируется предупреждающий сигнал или команда на отключение электрической сети (электроустановки). 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке, включающий измерение электрического тока контролируемого участка; формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих из сигнала измеренного тока; формирование импульса сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» в момент перехода тока через нуль; измерение и расчет частоты следования циклов; измерение амплитуды импульсов на образующей и/или затухающей стадиях цикла; измерение продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, а также и/или количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; измерение, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений; отображение результатов измерения и расчета и/или отключение контролируемой электрической сети или электроустановки, отличающийся тем, что дополнительно определяют ширину искрового промежутка, образованного в месте нарушения целостности электрической цепи, путем определения разницы времени между моментами возникновения сигналов искрения на затухающей стадии одного цикла перед переходом током нулевого значения и после перехода им нуля на образующей стадии следующего за ним цикла соседнего полупериода; величину тока искрения с учетом влияния шунтирующего тока путем измерения крутизны изменения суммарного тока нагрузки в области нулевого значения тока искрения, суммирования по времени полученных результатов измерения, на основе результатов суммирования определяют величину тока искрения.

2. Устройство для осуществления способа п. 1, содержащее блок измерения электрического тока контролируемого участка, блок формирования низкочастотной и высокочастотных составляющих, блок формирования импульсов сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры», блок измерения и расчета частоты следования циклов, блок измерения амплитуды импульсов на образующей и/или затухающей стадиях цикла; блок измерения продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, а также и/или блок измерения количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; блок измерения по крайней мере одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений, блок отображения информации и/или отключения электрической сети или электроустановки, отличающееся тем, что дополнительно вводят плату определения ширины искрового промежутка, вход которой соединен с выходом платы измерения продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, а выход соединен с платой расчета величины тока искрения, в плату расчета величины тока искрения дополнительно вводят модуль измерения тока искрения с учетом влияния шунтирующего тока, вход которого соединен с блоком измерения электрического тока контролируемого участка, а выход соединен с модулем расчета величины тока искрения.