Способ предупреждения происшествий от дефектной дуги в электрической сети или электроустановке переменного тока и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G08B17/06 

Изобретение относится к области безопасности электрических сетей (далее по тексту «ЭС») и электроустановок (далее по тексту «ЭУ»), а именно к способам и устройствам предупреждения (предотвращения) аварий и катастроф, возникающих при воздействии дефектной дуги (искрение, пробой дуги, замыкание дуги) в месте нарушения целостности электрической цепи на различных видах объектов от отдельной квартиры до гидро (тепло) электростанции и химически опасной лаборатории.

Эксплуатация данных объектов нередко сопровождается пожаром, взрывом или опасной ложной командой (донесением), приводящих к инциденту, аварии или катастрофе (далее по тексту «происшествие»). Основная причина возникновения происшествий - нарушение надёжности изготовления и хранения устройств электромонтажной схемы. или соединения её элементов. Нарушения могут возникать и развиваться на воздухе или в другом газе, внутри кабеля или электрического жгута, при ненадёжном соединении проводов, неплотном прижатии электрической контактной пары, при их замыкании или ненадёжном разрыве при их расхождении, окислении контактов или в другом нарушении элементов электропроводки.

Опасность приведенных нарушений заключается в микроразрыве провода или контакта с мгновенным восстановлением проводимости электрической цепи мало известной нештатно созданной ионизированной плазмой.

К другим видам отказов, также нередко сопровождаемых большим материальным ущербом, гибелью и/или увечьем людей, могут относиться известные короткое замыкание, ток перегрузки, ток утечки, недопустимое увеличение или уменьшение напряжения в ЭС или ЭУ, как правило, выявляемые существующей аппаратурой контроля.

В мире появляются первые стандарты по защите от дефектной дуги. Так, появился ГОСТ IEC 62606-2016 «Межгосударственный стандарт устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое»), во многом ещё не отвечающий требованиям надёжности и достоверности показателей электробезопасности и поэтому не выходящий за безопасность электрооборудования «спальни».

Имеется немало громких катастроф при эксплуатации объектов повышенной опасности, не защищённых сегодня от воздействия дефектной дуги, - объектов добычи, хранения и транспортировки нефтепродуктов и газа, объектов горнодобывающих отраслей промышленности, авиационной промышленности, объектов эксплуатации взрывоопасных устройств или их отдельных систем.

Однако, официальная их статистика отсутствует. Тем не менее, предварительная оценка позволяет сделать вывод о высокие доли катастроф на высокотехнологичных объектах при отказе электрооборудования, приводящего, как правило, к формированию ложных команд или донесений из-за плавления изоляции по причине воздействия дефектной дуги.

Известен способ предупреждения пожара от неисправности в ЭС или ЭУ (варианты) (RU2159468 С1, 20.11.2000, [1]), возникающего из-за неисправностей электропроводки и др. элементов ЭС или ЭУ. Базируется на использовании в качестве контролируемого параметра величины переходного сопротивления путем измерения тока высокочастотного спектра (второй и более высоких гармоник), являющегося функцией этого сопротивления. По результатам контроля формируется предупреждающий сигнал или команда на отключение ЭС или ЭУ. Переходные сопротивления образуются в местах соприкосновения подвижных и неподвижных контактов коммутирующих элементов (реле, выключателях, разъединителях и др.), а также в местах соединения проводов и подключения в ЭС или ЭУ различных элементов (соединительных коробок, штекерных соединений, электрических ламп, плавких вставок и др.).

Способ осуществляется путём фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра измеренного суммарного тока, формирования суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник и накопления его в течение установленного времени. Сравнивают величину накопленного сигнала с заданным значением уровня опасности, принятым для соответствующих степеней пожароопасности ЭС или ЭУ, в зависимости от величины накопленного сигнала формируют сигнал или сигналы предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации и/или формируют команду на отключение ЭС или ЭУ или на отображение уровня опасности.

Из аналога [1] также известно устройство для предупреждения пожара, содержащее блок измерения суммарного тока в электрической сети или электроустановке, блок усиления, блок выпрямления усиленного сигнала, блок накопления выпрямленного сигнала, блок сравнения величины накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями, блок формирования предупреждающего сигнала или сигналов и/или команды на отключение, исполнительный орган для оповещения и/или отключения, блок питания.

При этом введен блок формирования суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник, вход которого подключен к выходу блока измерения суммарного тока, а выход - к входу блока усиления.

Недостатком способа и устройства по патенту [1] является невозможность определения параметров тока искрения с заданной точностью и достоверностью в разветвлённой электрической сети.

Также известен способ обнаружения дугового короткого замыкания в сети переменного тока (US2009103216, 23.04.2009) [2], в котором с целью повышения достоверности измерения и расчёта серии дуговых замыканий измеряют абсолютные значения положительного и отрицательного тока нагрузки, их складывают в первом цикле образца переменного тока и создают первый абсолютный положительный текущий уровень и первый абсолютный отрицательный текущий уровень. Путём их последующего сложения создают первую сумму текущих уровней.

В последующем цикле аналогичным образом создают вторую сумму текущих уровней. Вычитанием второй суммы из первой суммы определяют текущий уровень разницы, и указывает на неисправность серии дуги в случае, если текущий уровень разницы превышает заданный пороговый уровень.

Из аналога [2] также известно устройство для обнаружения дугового короткого замыкания, включающее:

- электрическую нагрузку переменного тока (AC);

- источник электрического питания переменного тока;

- шину электропитания переменного тока для передачи мощности от источника к нагрузке;

- блок управления системой для управления электрической системой, которая обнаруживает и указывает наличие событий последовательного дугового короткого замыкания переменного тока (AC) в токе, подаваемом источником питания на нагрузку.

Недостатком способа и устройства по патенту [2] является то, что попытка повышения уровня достоверности выдачи команды на отключение ЭС или ЭУ или донесения не может подтверждать истинность предлагаемого решения, так как понятие неисправности серии дуги не охватывает в себе отсутствующие данные о параметрах тока искрения, степени нарушения целостности контролируемой электрической цепи и месте нарушения этой целостности, а также о соотношении тока искрения и суммарного тока нагрузки.

Известен способ предотвращения пожара из-за дефектов электрических цепей и устройств (US8014111 В2, 06.09.2011) [3], по которому измеряют электрический ток контролируемого участка, формируют сигнал второй и/или более высоких гармоник для каждого цикла «гашение-возникновение искры».

В последовательности каждого этого цикла формируют импульс сигнала-признака цикла, от первого его импульса до последнего формируют частоту их следования. Определяют продолжительность затухающей и/или образующей стадий цикла и их суммарную продолжительность, а также определяют количество высокочастотных импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение и по которым рассчитывают величину тока искрения и/или других параметров, характеризующих цикл «гашение-возникновение искры».

При необходимости измеряют хотя бы одного из токов короткого замыкания, перегрузки или утечки, и/или измерения напряжения ЭС или ЭУ, формируют сигналы предупреждения и/или отключения контролируемого участка.

Из аналога [3] также известно устройство, содержащее модуль формирования сигнала первой гармоники, который содержит хотя бы одного из модулей измерения токов короткого замыкания, перегрузки, или тока утечки с датчиком тока утечки, и/или модуль электрической сети измерения напряжения. Модуль определения силы тока снабжен устройством для измерения величины амплитуды импульсов на этапах формирования и/или затухания цикла искрообразования и затухания, и/или устройством измерения количества импульсов на этапе формирования цикла с амплитудой, превышающей заданные значения.

Недостатком способа и устройства по патенту [3] является невозможность количественного определения параметров искрового промежутка и соотношения между током искрения и шунтирующего тока.

В описании патента отсутствует оценка достоверности формируемых команд и донесений.

Также известен способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке (RU 2571513 С1, 20.12.2015) [4], который базируется на определении параметров переходного сопротивления искрового промежутка путем измерения тока высокочастотных составляющих, характеризующих цикл "гашение-возникновение искры" на искровом промежутке до и после переходе тока искрения через нуль. Уровень опасности аварии или катастрофы 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 и/или команда на отключение ЭС или ЭУ.

Из аналога [4] известно устройство измерения тока искрения с учетом величины шунтирующего тока включает в себя: блок измерения суммарного тока контролируемого участка; плату измерения и расчета параметра цикла; плату расчета величины тока искрения; модуль формирования сигнала-признака цикла «гашение-возникновение искры» (дефектной электрической дуги); модуль измерения и расчета параметра цикла; модуль хранения величины тока искрения; модуль расчета величины тока искрения; модуль измерения тока искрения с учетом величины шунтирующего тока и определение его величины по отношению к суммарному току; блок определения величины тока искрения.

Устройство определения ширины искрового промежутка содержит: плату расчета величины тока искрения; модуль формирования сигнала-признака цикла «гашение-возникновение искры»; плату измерения частоты следования циклов; плату измерения количества импульсов; плату измерения продолжительности стадий цикла «гашение-возникновение»; плату определения ширины искрового промежутка; плата измерения момента времени параметров гашения искры первого цикла и его сохранения; плату измерения момента времени возникновения искры.

Кроме того, при необходимости, на базе использования структуры технических средств защиты объекта от дефектной дуги и их программного обеспечения используют сигналы первой гармоники, на основе которых определяют требуемые параметры тока короткого замыкания, и/или тока перегрузки, и/или тока утечки и/или напряжения ЭС.

Недостатком способа и устройства по патенту [4] является то, что предлагаемый интегральный показатель опасности в виде накопленной тепловой энергии на момент окончания цикла измерения (4 сек) не оценивает прогноз развития уровня опасности по времени и определения места возникновения и проявления дефектной дуги, чем снижает достоверность своевременности принятия решения на устранение возникшей опасной ситуации.

Отсутствует количественная оценка достоверности формирования команды на отключение опасного контролируемого участка или отображения уровня опасности.

Известен способ определения места искрения в электрической сети и устройство для его осуществления (RU 2700659 от 13.12.2017) [5]. Их реализация осуществляется сравнением результатов измерения сигналов-признаков цикла «возникновение-гашение искры» практически одновременно на входах контролируемой сети и каждого контролируемого участка. По совпадению результатов этих измерений делается вывод о выбранном адресе искрящего контролируемого участка.

Недостатками являются отсутствие обоснования достоверности и её оценки определения присваивания адреса искрящей цепи или контролируемого участка, а также порядка принятия решения (команды) на отключение искрящего участка для различных уровней опасности искрящей цепи. Также к недостатку относится отсутствие раскрытия характера совпадающих параметров сигнала-признака электрической сети и ВЧ-сигналов контролируемых участков.

Из рассмотренных технических решений аналог [4] по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.

Решаемой технической проблемой является необходимость повышения эффективности системы предупреждения инцидентов, аварий и катастроф из-за воздействия дефектной дуги в ЭС или ЭУ переменного тока.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является заблаговременное предсказание максимально опасной

температуры и момента времени её достижения в области искрового промежутка и оценки достоверности принятия решения по исполнению этого предсказания.

Сущность заявленного способа состоит в том, что осуществляют измерение суммарного электрического тока нагрузки, формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих измеренного суммарного тока нагрузки, преобразование суммарного электрического тока в сигнал его первой производной и измерение данного сигнала, формирование сигнала-

признака цикла искрения «возникновение - гашение искры» при переходе тока искрения через нуль, определение параметров сигнала суммарного тока на затухающей и образующей его стадиях, определение продолжительности тока искрения по величине произведения количества искрящих полупериодов (периодов) и длительности полупераиода (периода) тока искрения на всём цикле измерения контролируемого участка электрической сети или электроустановки, определение тока искрения с учётом совокупности токов шунтирования путём определения соотношения сигнала данного тока искрения с сигналом суммарного тока нагрузки, определение ширины искрового промежутка, при необходимости, определение, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины напряжения сети и их отклонений от требуемых значений, формирование донесения об опасности и передача его на средства хранения и/или отображения и/или отключение контролируемой электрической сети или электроустановки при превышении требуемых значений.

Отличается тем, что согласно представленным на фиг.5 действиям прогнозируют изменение температуры в области искрового промежутка до её максимального значения и момент времени её достижения, исходя из накопленной на нём тепловой энергии от воздействия дефектной дуги в течение заданной продолжительности одного цикла измерения, по значению которых принимают решение на отключение искрящей электрической цепи или на принятие мер по устранению данного отказа, при этом прогнозирование осуществляют модулем расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги.

В процессе испытаний реально функционирующего опытного образца прибора ИСКРА, представленного на фиг.6, при контроле отдельной электрической цепи при токе её нагрузки 5,4 А ток шунтирования программой принимался равным нулю.

Нарушение целостности электрической цепи осуществлялось её микроразрывом путём создания и поддержания дефектной дуги в течение одного цикла контроля в течение 4 сек, по окончании которого на дисплее данного прибора демонстрировались следующие показания: величина тока искрения - 5.4 А; максимально опасная температура на искровом промежутке – 32 град Цельсия, далеко не достигшую максимально опасную температуру, например, температуру 200 град ; прогнозируемое время достижения этой температуры – 1,1 час. На другой странице дисплея зафиксированы и хранятся в десятке последних циклов измерения: ток искрения – 5,4 А; количество искрящих периодов – 6% (12 периодов из 200 возможных); уровень опасности – 10% (0,1 из максимально возможной единицы).

Действия, предшествующие полученному результату испытаний прибора ИСКРА.

Перед началом измерения суммарного тока задают временную задержку для предотвращения ложного сигнала опасности при возможном включении или отключении штатной нагрузки при расчёте на максимальное её значение.

Вводят требуемое значение температуры в области искрового промежутка, при достижении прогнозируемой температуры возгорания формируется команда на отключение искрящей цепи или системы.

Вводят требуемое значение температуры в области искрового промежутка, при достижении прогнозируемой температуры плавления изоляции формируется команда на отключение искрящей цепи или системы, в целом.

Выполняют первую стадию оценки достоверности показателя уровня опасности искрения, для этого определяют постоянную времени гашения сигнала-признака искрения, по параметрам которой принимают решение на продолжение работы системы управления или на приведение её в исходное состояние.

Определяют параметры «провала» суммарного тока нагрузки, однозначно характеризующие максимально высокую рейтинговую оценку достоверности «Очень высокий» при 100%-ой доверительной вероятности в случае отсутствия тока шунтирования или не вхождения значения «провала» суммарного тока нагрузки в область его допустимой погрешности, при этом в области допустимой погрешности суммарного тока нагрузки величина доверительной вероятности оценки достоверности снижается по заданному закону изменения от 100% перед входом в данную область погрешности до нулевого значения при амплитудном значении тока шунтирования, равного амплитудному значению суммарного тока нагрузки.

Сущность заявленного устройства состоит в том, что устройство для предупреждения происшествий от дефектной дуги в электрической сети или электроустановке переменного тока содержит контролируемую электрическую сеть с напряжением Uсети, суммарный ток нагрузки которой преобразуется в сигнал низкочастотной и высокочастотных его составляющих с помощью трансформатора тока ТрТ, блок измерения и расчёта параметров суммарного тока нагрузки контролируемого участка ЭС или ЭУ и его составляющих с измерением и расчетом частоты следования циклов, амплитуды импульсов на затухающей и/или образующей стадиях цикла и их продолжительности, панель определения сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» и количества этих циклов с измерением количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение, плату измерения ширины искрового промежутка, плату измерения шунтирующего тока, блок измерения по крайней мере одного из значений тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений, блок отображения информации. Отличается тем, что содержит плату прогнозирования опасности тока искрения, вход которой через блок прогноза опасности тока искрения и оценки его достоверности соединен с одним из выходов панели измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, а выход соединен с другим из входов этой же панели.

В частных случаях допустимо осуществлять способ следующим образом.

Вход платы оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения и оценки его достоверности соединен через модуль определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги с выходом платы прогнозирования опасности тока искрения.

Вход модуля определения доверительной вероятности рейтинговой оценки достоверности прогнозирования тока искрения соединен с выходом модуля расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока, а выход соединён с входом модуля определения рейтинговой оценки «Очень высокой» достоверности показателя опасности дефектной дуги, выход которого соединён с входом модуля выбора предполагаемого решения на отключение или неотключение искрящей электрической цепи или контролируемой электрической сети. При этом модуль выбора предполагаемого решения на отключение или неотключение искрящей электрической цепи или контролируемой электрической сети соединён с выходом модуля расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги, а выход соединён с входом блока формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ.

Авторами технических решений заявленной группы изготовлены опытные образцы этих решений, испытания которых подтвердили достижение технического результата.

На чертежах представлены.

Фиг. 1. Блок-схема комплексного устройства защиты.

Фиг. 2. Параметры сигнала суммарного тока при воздействии дефектной дуги.

Фиг. 3. Взаимосвязь тока искрения с «провалом» суммарного тока и с токами его шунтирования.

Фиг. 4. Прогноз опасности дефектной дуги и оценка его достоверности.

Фиг. 5. График изменения прогнозируемой температуры на искровом промежутке.

Фиг. 6. Фрагмент опытного образца комплексного устройства защиты ИСКРА.

Фиг. 7. Блок-схема определения места проявления искрящей цепи.

Перечень ссылочных обозначений по фиг. 1.

1 - вводной щит для соединения контролируемой ЭС или ЭУ с комплексным устройством защиты (КУЗ);

2 - контролируемая ЭС или ЭУ с напряжением Uсети;

3 – электрический жгут на входе электрической сети Uсети;

4 – автомат контролируемой электрической сети или электроустановки с дистанционным или ручным управлением;

5 – автомат контролируемого участка электрической сети или электроустановки с дистанционным или ручным управлением;

6 – основной датчик (ТрТ) восприятия сигнала суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ;

7 – датчик восприятия ВЧ-сигнала от контролируемого участка ЭС или ЭУ;

8 – контролируемые участки контролируемой ЭС или ЭУ;

9 – ответвленные электрические цепи контролируемых участков от ЭС или ЭУ;

10 – блок формирования команды на отключение электрической цепи или системы от воздействия дефектной дуги или донесения по воздействию дефектной дуги или другого вида опасности;

11 – блок измерения, по крайней мере, одного из значений тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений;

12 – плата измерения тока утечки и перегрузки;

13 – плата измерения потребления электроэнергии;

14 – плата измерения угла сдвига фазы суммарного тока относительно напряжения контролируемой ЭС или ЭУ;

15 – блок отображения информации;

16 – блок формирования команды на отключение контролируемой ЭС или ЭУ;

17 – свободный;

18 – блок управления КУЗ с платой хранения исходных данных и параметров, измеренных и рассчитанных КУЗ;

19 – плата оценки достоверности;

20 – плата оценки достоверности принятия решения;

21 – блок питания КУЗ.

Перечень ссылочных обозначений по фиг. 4.

22 – блок прогноза опасности тока искрения и оценки его достоверности;

23 – плата прогнозирования опасности тока искрения;

24 – плата оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения;

25 – плата хранения исходных и оперативных данных;

26 – модуль выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги;

27 – модуль расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги;

28 – плата принятия решения на отключение искрящей электрической цепи или системы, её используемую;

29 - модуль выбора предполагаемого решения;

30 – модуль формирования донесения о месте проявления опасности, например, о номере искрящей цепи и передача его в блок отображения информации 15;

31 – плата разрешения на отключение искрящего контролируемого участка или отключения ЭС или ЭУ при отсутствии адреса искрящего контролируемого участка;

32 – модуль определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги - определения постоянной времени её гашения;

33 – модуль определения второй стадии оценки достоверности измерения опасности дефектной дуги, при условии максимально высокой рейтинговой оценки;

34 – модуль расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока;

35 – модуль определения доверительной вероятности рейтинговой оценки;

36 – модуль определения рейтинговой оценки «Очень высокой» достоверности - блок измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих;

38 – панель измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения;

39 – плата измерения ширины искрового промежутка;

40 – плата измерения шунтирующего тока;

41 – блок формирования команды на отключение ЭС или ЭУ в целом;

Перечень ссылочных обозначений по фиг. 7.

42 – область комплексного устройства защиты от воздействия дефектной дуги;

43 – модуль поочерёдного подключения к датчику 7 контролируемого участка 8;

44 – модуль формирования команды на отключение опасного контролируемого участка ЭС или ЭУ;

45 - плата присвоения условного номера адресу искрящего контролируемого участка ЭС или ЭУ;

46 – плата задержки отключения автомата 4 ЭС или ЭУ при аварийном режиме работы КУЗ;

47 - модуль измерения ВЧ-сигнала, поступающего с датчика 7 восприятия данного сигнала от соответствующего контролируемого участка ЭС или ЭУ;

48 – блок определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью.

Осуществление способа.

Предлагаемые операции способа поясняются схемами, представленными на фигурах 1 - 4.

Способ предупреждения аварии или катастрофы от искрения (дефектной дуги, дугового пробоя, дугового замыкания) на контролируемом участке разветвлённой электрической сети переменного тока или электроустановки, или отдельной электрической цепи включает в себя:

- измерение суммарного электрического тока нагрузки;

- формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих измеренного суммарного тока нагрузки;

- преобразование суммарного электрического тока в сигнал его первой производной и измерение данного сигнала;

- формирование сигнала-признака цикла искрения «возникновение - гашение искры» при переходе тока искрения через нуль;

- определение параметров сигнала суммарного тока на затухающей и образующей его стадиях;

- определение продолжительности тока искрения по величине произведения количества искрящих полупериодов (периодов) и длительности полупериода (периода) тока искрения на всём цикле измерения контролируемого участка электрической сети или электроустановки;

- определение тока искрения с учётом совокупности токов шунтирования путём определения соотношения сигнала данного тока искрения с сигналом суммарного тока нагрузки;

- определение ширины искрового промежутка;

- при необходимости, определение, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины напряжения сети и их отклонений от требуемых значений;

- формирование донесения об опасности и передача его на средства хранения и/или отображения и/или отключение контролируемой электрической сети или электроустановки при превышении требуемых значений.

Цель достигается тем, что в известное техническое решение [4] с учётом уровня техники [3] к известным операциям измерения и расчёта параметров цикла «гашение-возникновение искры» дополнительно вводят следующие действия:

- прогнозирование модулем (27) расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги путём определения значения максимальной температуры и момента времени её достижения из-за нагрева области искрового промежутка от воздействия дефектной дуги, на основе использования которых определяют значение показателя уровня опасности дефектной дуги, в результате воздействия которой возникнет происшествия и по величине которых принимают решение на момент времени отключения искрящей электрической цепи или контролируемого участка, в целом.

- определение величины показателя постоянной времени изменения сигнала суммарного тока в начале участка гашения цикла «гашение-возникновение искры». Истинность принимаемого решения на базе его использования характеризует первую стадию наличия сигнала-признака искрения или его отсутствия, по которой оценивают первую стадию оценки достоверности определения этого показателя. Данное утверждение подтверждается второй стадией оценки этой достоверности наличием или отсутствием «провала» на графике суммарного тока или по наличию и глубине «провала» суммарного тока искрения от амплитудного до нулевого значения (Фиг. 2 и 3);

- при необходимости, измерения потребляемой энергии контролируемой сети и угла сдвига фазы между суммарным током и данной сетью;

- оценка достоверности принимаемого решения на момент времени отключения искрящей электрической цепи по результату прогнозирования максимально опасной температуры в области искрового промежутка и момента времени её достижения.

Реализация их на практике является основным подходом к оценке уровня опасности при воздействии дефектной дуги и других факторов опасности, блоком измерения и расчёта параметров суммарного тока нагрузки и его составляющих (6) и блоком измерения, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений (11).

Прогнозирование начинается с выбора известной функциональной зависимости модулем выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги (26), устанавливающей изменение температуры в области искрового промежутка от времени и определения момента времени при достижении её максимального значения.

Основным аргументом данной функции является тепловая энергия, определённая накопленной в области искрового промежутка в течение заданного времени при выполнении одного текущего цикла измерения согласно уровню техники [4], например, 4 сек. и являющейся основной составляющей исходных данных при расчёте изменения (уменьшения) температуры контролируемого заранее штатно или несанкционировано нагретого объекта, например, металлического баллона по известной функциональной зависимости.

Для использования данной зависимости предполагается знания большой группы исходных данных, которая может быть условна разделена на соответствующие группы специалистов, владеющих ниже приведенными исходными данными. К данным специалистам относятся разработчики объекта и устройства его защиты, специалисты систем электроснабжения, ответственных за разработку и эксплуатацию контролируемых электрических сетей.

К необходимым исходным данным, характеризующих контролируемую ЭС или ЭУ и используемых для расчёта выбранной функциональной зависимости относятся параметры, непосредственно измеренные и рассчитанные КУЗ, а также параметры ЭС или ЭУ, устанавливаемые специалистами соответствующих систем и должностных лиц, ответственных за защиту объекта, в целом.

К данным параметрам могут относиться, например, диаметр искрящего провода, удельное электрическое сопротивление искрящей цепи, допустимая плотность тока искрящего провода, постоянная времени нагрева провода в месте искрения, коэффициент теплопередачи его материала и другие исходные данные, необходимые для использования в данной функциональной зависимости.

Пример учёта исходных данных. Требования к температуре проводника. Провод размягчается: медь – 190°С; алюминий – 150°С. Провод плавится: 1083°С – медь; 658°С – алюминий. Так, для них при разработке КУЗ должны предусматривать формирование донесения о предупреждении опасности при превышении температуры, например, 180 градусов для систем с медными проводами или формирование команды на отключение искрящей электрической цепи с алюминиевым проводом при превышении прогнозируемой температуры свыше, например, 640 градусов.

Количество выделяемой тепловой энергии определяется величиной токов искрения, шунтирования и ширины искрового промежутка с учётом отводимого от искрового промежутка тепла (охлаждения) окружающей средой с предварительно заданными её параметрами на конкретном контролируемом участке ЭС или ЭУ.

По фигуре 4 блока 22 прогноза опасности тока искрения и оценки его достоверности определяют параметры прогнозирования опасности на измеренный момент времени, соответствующий максимальной величине нагрева искрового промежутка.

С целью предотвращения ложного сигнала опасности при включении или отключении штатной нагрузки в контролируемой ЭС формируют задержку заданной величины, рассчитанной на максимальное значение данной нагрузки. В случае прохождения ложного сигнала на интервале времени введённой задержки формируют сброс системы управления в исходное состояние.

При необходимости, уменьшают значение данной задержки, определяемое ограничением временем на осуществление процесса выявления сигнала опасности, его анализа и формирования соответствующей команды или донесения. При этом оно должно быть достаточным для защиты объекта при мощном кратковременном воздействии дефектной дуги или других факторов опасности, приводящим, например, к взрыву и другим кратковременным последствиям этой дефектной дуги. В противном случае задержку не вводят.

Как и в аналогах [3] и [4] в процессе выявления сигнала опасности, его анализа и оценки выполняют следующие действия:

- измерение суммарного электрического тока контролируемого участка;

- формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих из сигнала измеренного суммарного тока нагрузки;

- определение продолжительности тока искрения на всём цикле измерения контролируемого участка (4 сек или др.) путём измерения количества или частоты искрящих полупериодов или периодов ЭС переменного тока при переходе тока искрения через нулевое значение;

- определение области искрового промежутка, определяемой пересечением током искрения нулевого значения, в которой осуществляются:

- выявление сигналов-признака цикла искрения «гашение-возникновение искры» при каждом переходе тока искрения через нуль в ЭС переменного тока;

- регистрация амплитуды и времени первого появления затухающего сигнала-признака, с которого начинается цикл искрения (достижение нуля при падении значения сигнала-признака). Далее дважды или чаще через заданные промежутки времени, например, через 10÷100 нс, измеряют значения данного сигнала-признака и моменты его измерения. По данным измерениям определяют момент времени пересечения предполагаемой прямой линии, касательной к кривой угасающего сигнал-признака с абциссой графика. По данному моменту времени определяют значение постоянной времени затухающего сигнала-признака, по которому характеризуют первую стадию оценки его достоверности, как это показано на Фиг.2. Данный параметр регистрируют в панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения блока 37 измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих:

- определение величины амплитуды импульсов и моментов их возникновения на затухающей и/или образующей стадиях цикла «гашение-возникновение искры», а также количества высокочастотных импульсов, амплитуда которых превышает установленное значение;

- определение левой и правой границ цикла сигнала-признака искрения по параметрам на его затухающей стадии (одного полупериода суммарного тока) и в возникающей его стадии (соседнего следующего полупериода суммарного тока). При этом область перехода от левой границы цикла искрения к правой границе соседнего цикла искрения характеризует «провал» суммарного тока;

- определение ширины искрового промежутка в плате 39 измерения ширины искрового промежутка панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения;

- определение тока искрения с учётом тока (токов) его шунтирования в плате 40 измерения шунтирующего тока панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения.

Кроме того, в блоке 11 измерения, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений, при необходимости, на базе использования структуры технических средств защиты объекта от дефектной дуги и их программного обеспечения используют сигнал первой и более высоких гармоники, на основе которых определяют требуемые параметры тока короткого замыкания, и/или тока перегрузки, и/или тока утечки и/или напряжения ЭС.

Согласно уровню техники [3] способ определения тока короткого замыкания, перегрузки и утечки реализуется в панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения.

Токи перегрузки и утечки анализируются в плате 12 измерения тока утечки и перегрузки их анализа. При превышении любым из них допустимых значений формируется сигнал ненормы, который через панель 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения передаётся в блок 41 формирования команды на отключение искрящей электрической цепи ЭС или ЭУ.

Ток короткого замыкания измеряется и рассчитывается в панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения совместно с ВЧ-сигналом, характеризующим признак данного КЗ блоком 11 измерения, по крайней мере, одного из значений тока короткого замыкания. Данный признак передаётся в блок 41 формирования команды на отключение искрящей электрической цепи ЭС или ЭУ.

При коротком замыкании, превышении тока перегрузки или утечки в блок информация об отклонении от нормы через блок управления КУЗ с платой 18 хранения исходных данных и параметров, измеренных и рассчитанных КУЗ, передаётся в блок 16 формирования команды на отключение контролируемой ЭС или ЭУ.

Ток перегрузки определяется платой 12 измерения тока утечки и перегрузки, в которой могут быть заложены требуемые допустимые значения тока перегрузки.

В той же плате измерения тока утечки и перегрузки с помощью трансформатора нулевой последовательности ТНП осуществляется измерение тока утечки, в которой также могут быть заложены требуемые допустимые значения тока утечки.

В единой структуре формирования команд (донесений) и их отображения задают, в плате 25 хранения исходных и оперативных данных хранят и используют по назначению данные технические средства в единой системе обеспечения безопасности объекта.

Множество альтернатив вводимых дополнительных операций определяется возможным различием предъявляемых к конкретным устройствам требований, а также технической и экономической целесообразностью в процессе их удовлетворения.

Предлагаемые операции способа, направленного на совершенствование технического решения, поясняются рисунками, представленными на Фиг. 1 ÷ Фиг. 7.

При этом, как вариант, суммарный ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора тока (ТрТ), на его вторичной обмотке преобразуется в сигнал первой производной.

Вновь вводимым дополнительным действиям предшествует следующая известная совокупность операций, характеризующих ЭС промышленной частоты (50 – 60 Гц): измерение электрического суммарного тока контролируемого участка или отдельной электрической цепи; формирование низкочастотной промышленной частоты и высокочастотных составляющих; при необходимости, усиление и выпрямление высокочастотных сигналов; формирование импульса сигнала-признака цикла искрения «гашение-возникновение искры» в каждый момент перехода тока через нуль или при его достижении; измерение продолжительности затухающей или образующей стадии цикла искрения «гашение-возникновение искры»; измерение амплитуды импульсов на образующей и/или возникающей стадиях цикла «гашение-возникновение искры», по которым определяют левую и правые границы «провала» суммарного тока с последующим определением ширины искрового промежутка; определение количества высокочастотных импульсов на затухающей или образующей стадиях цикла искрения «гашение-возникновение искры», амплитуда которых превышает установленное значение; определение продолжительности тока искрения путём измерения частоты следования полупериодов (периодов) искрения на всём цикле измерения контролируемого участка ЭС или ЭУ или электроустановки переменного тока; определение токов искрения с учётом токов шунтирования; в рамках данного технического решения, при необходимости, осуществляется контроль параметров, как минимум одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки и отклонения напряжения ЭС от требуемых значений; формирование команды на отключение контролируемого участка при превышении опасных заданных значений; формирование донесения об опасности и передача его на средства отображения.

В условиях отсутствия воздействия дефектной дуги обеспечивается непрерывная готовность всех систем устройства к принятию сигнала-признака искрения и его анализу, при этом, при необходимости, решается задача контроля параметров электрооборудования с общепромышленной ЭС или ЭУ, таких как измерения суммарного тока Iсум, тока короткого замыкания Iкз, тока перегрузки Iпер, тока утечки Iут, напряжения сети Uсети, угла сдвига фаз и их отклонений от требуемых значений.

Результат данных отклонений (сигнала пожарной или взрывоопасности) передаётся в блок 15 отображения информации отображения информации и/или блока 16 формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ блоком 17 отключения контролируемого участка ЭС или ЭУ. В этом случае блок 37 измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих измеряет и рассчитывает параметры разветвлённой ЭС или отдельной электрической цепи, непрерывно контролируя величину суммарного тока (панель 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения) и угла сдвига фаз между данным током и напряжением контролируемой ЭС или ЭУ (плата 14 измерения угла сдвига фазы суммарного тока относительно напряжения контролируемой ЭС или ЭУ), а также измеряет потребление электроэнергии ЭУ (плата 13 измерения потребления электроэнергии) в нормальном режиме работы контролируемой ЭС. Результат выявленных отклонений передаётся в блок 15 отображения информации и/или блока 16 формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ блоком 17 отключения контролируемого участка ЭС или ЭУ.

При необходимости определяемая потребляемая от ЭС или ЭУ электроэнергия, выводится в блок 15 отображения информации отображения информации и выдаётся, например, по запросу оператора.

При решении всех задач оценки общепромышленной сети используются блоки, панели, платы и модули, полностью входящие в состав известной из уровня техники [3 и 4] структурной схемы устройства защиты объекта от воздействия дефектной дуги, охватываемые областью (А) 50 комплексное устройство защиты от воздействия дефектной дуги или от других видов отказа в ЭС или ЭУ.

Комплексная защита объектов обеспечивается также путём: измерения тока искрения Iискр; измерения тока короткого замыкания Iкз; измерения тока перегрузки Iпер; измерения тока утечки Iут платой 12 измерения тока утечки и перегрузки измерения тока утечки и перегрузки с помощью трансформатора ТНП.

По результату измерения напряжения ЭС Uсети определяется величина отклонения его от заданных значений. Процесс их измерения и расчёта завершается формированием сигнала предупреждения об опасности дефектной дуги и/или команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ.

КУЗ включает в себя датчик измерения сигнала тока искрения, который может быть выполнен в виде, например, сердечника, представляющего вместе с одним проводом сети трансформатор тока (ТрТ). В случае применения защиты от тока утечки также включает датчик измерения тока утечки, который может быть исполнен в виде, например, сердечника, представляющего вместе с проводами сети трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП).

Блок 37 измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих содержит:

- панель 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения;

- плату 39 и плату 40 измерения шунтирующего тока.

Комплексное устройство защиты 5 от воздействия дефектной дуги или от других видов отказа в ЭС или ЭУ с помощью блока 37 измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих и трансформатора тока ТрТ выполняет функции защиты КУЗ от дефектной дуги. При этом они же с помощью дополнительных устройств таких, как трансформатор нулевой последовательности ТНП, подключённый, например, к ЭС 2, блок 11 измерения, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений и блок 21 питания КУЗ определяют параметры общепромышленной электрической сети. Таким образом, контролю подвержена вся электрическая сеть (все электроустановки), находящиеся за местом установки комплексного устройства защиты от воздействия дефектной дуги или от других видов отказа в ЭС или ЭУ (в приведенном примере за вводным щитом).

Пример реализации поставленной цели изобретения.

Работа КУЗ при искрении в контролируемом участке.

Прогнозирование изменения температуры на искровом промежутке.

В процессе испытаний реально функционирующего опытного образца прибора ИСКРА, представленного на фиг.6, при контроле отдельной электрической цепи при токе её нагрузки 5,4 А ток шунтирования программой принимался равным нулю.

Нарушение целостности электрической цепи осуществлялось её микроразрывом путём создания и поддержания дефектной дуги в течение одного цикла контроля в течение 4 сек, по окончании которого на дисплее данного прибора демонстрировались следующие показания: величина тока искрения - 5.4 А; максимально опасная температура на искровом промежутке – 32 град Цельсия, далеко не достигшую максимально опасную температуру, например, температуру 200 град ; прогнозируемое время достижения этой температуры – 1,1 час. На другой странице дисплея зафиксированы и хранятся в десятке последних циклов измерения: ток искрения – 5,4 А; количество искрящих периодов – 6% (12 периодов из 200 возможных); уровень опасности – 10% (0,1 из максимально возможной единицы).

Действия, предшествующие полученному результату испытаний прибора ИСКРА.

Перед началом измерения суммарного тока задают временную задержку для предотвращения ложного сигнала опасности при возможном включении или отключении штатной нагрузки при расчёте на максимально опасное её значение.

Вводят требуемое значение температуры в области искрового промежутка, при достижении прогнозируемой температуры возгорания формируется команда на отключение искрящей цепи или системы.

Вводят требуемое значение температуры в области искрового промежутка, при достижении прогнозируемой температуры плавления изоляции формируется команда на отключение искрящей цепи или системы, в целом.

Определение места искрения электрической цепи.

Как показано на фиг.7, к единой контролируемой электрической цепи относятся все включённые автоматы 4 и 5, основной датчик 6, воспринимающий сигнал-признака искрения любого из контролируемых участков, и датчики 7, воспринимающие ВЧ-сигнал искрящей контролируемой электрической цепи. Практическая одновременность данной процедуры обеспечивается программой либо в одном цикле сигнала-признака искрения, либо с переходом в следующий полупериод переменного тока.

Процесс определения условного номера искрящей электрической цепи (искрящего контролируемого участка) начинается с момента поступления сигнала-признака искрения из панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, поступающего от основного датчика 6 при преобразовании в нём суммарного тока нагрузки, например, первичной обмотки ТрТ в сигнал первой производной вторичной обмотки данного трансформатора тока.

С выхода панели 38 платой 43 к датчику 7 поочерёдно подключают вход модуля 47 с условным номером Мi, заблаговременно закреплённым за каждым контролируемым участком 8 1, 2, …i…n с ответвлением электрической цепи от контролируемой ЭС или ЭУ и хранимых в плате 46, один из выходов которой соединяют с входом платы 43.

Модулем 47 измеряют величину ВЧ-сигнала датчика 7 и передают её плате 45 присвоения условного номера адресу искрящего контролируемого участка ЭС или ЭУ, в которой сравнивают величины ВЧ-сигнала модуля 47 с сигналом-признаком искрения ЭС или ЭУ, определённым панелью 38, и при совпадении присваивают условный номер адресу контролируемого участка ЭС или ЭУ, численно равный условному номеру Мi модуля 47, и в плате 45 формируют сигнал присвоения адреса, выход которого соединяют с входом модуля 44 формирования команды на отключение опасного контролируемого участка ЭС или ЭУ и/или с входом модуля 30 формирования донесения о месте проявления опасности. При наличии сигнала на выходе платы 31, который соединяют с другим входом модуля 44, выход которого соединяют с входом автомата 5, отключающего контролируемый участок от ЭС или ЭУ.

При отсутствии совпадения сигналов другой выход платы 45 соединяют с входом платы 43 переключающей следующего модуля 47 с датчиком 7 для измерения ВЧ-сигнала следующего контролируемого участка ЭС или ЭУ.

В случае несовпадения сигналов с последнего подключённого Мn модуля 47, для предупреждения аварийного режима работы КУЗ третий выход платы 45 соединяют с входом платы 46 задержки отключения автомата 4 ЭС или ЭУ, другой из входов платы 46 соединяют с другим выходом платы 31, совместно с платой 45 принимающее решение на отключение ЭС или ЭУ при неизвестном адресе искрящего контролируемого участка. При этом продолжительность данной задержки должна превышать время доведения команды от момента начала сравнения ВЧ-сигнала и сигнала-признака искрения до автомата 5.

Панелью 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения определяют как амплитудное значение сигнала суммарного тока Im, мВ, так и погрешность его измерения. При этом измеренные и рассчитанные их значения сохраняются в блоке 18 управления КУЗ и хранения исходных данных и параметров, измеренных и рассчитанных в данном блоке управления, которые используются в последующих расчётах.

К ним относятся: максимально опасные температуры нагрева искрового промежутка и момента времени её проявления и уровня достоверности, а также параметры опасности от воздействия тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки и величины отклонения напряжения сети от нормы контролируемого участка.

Работа КУЗ при отсутствии искрения в контролируемом участке.

При исправном состоянии контролируемой электрической сети 2 или электроустановки 3 (фиг.1) после включения вводного щита 1 в работу по электрической цепи 4 через первичную обмотку трансформатора тока протекает суммарный электрический ток, величина которого равна сумме токов Isном, включающей в себя ток нагрузки Iном и ток шунтирования Iш всех потребителей контролируемой ЭС или ЭУ.

Трансформатор тока ТрТ преобразует указанную сумму токов в наведённый во вторичной обмотке в сигнал первой производной суммарного тока первичной обмотки.

При необходимости, в плате 13 измерения потребления электроэнергии определяют потребление электрической энергии от контролируемой ЭС или ЭУ путём суммирования по времени значений суммарного тока непрерывно поступающих из панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения блока 6 измерения и расчёта параметров суммарного тока нагрузки и его составляющих.

В плате измерения угла сдвига фазы суммарного тока относительно напряжения контролируемой ЭС или ЭУ платой 14 измеряют угол сдвига фазы (cosφ) между суммарным током нагрузки, принимаемым из панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, и контролируемой ЭС или ЭУ от блока 21 питания КУЗ и также фиксируют в блоке 18 управления КУЗ.

Параметры потребления электрической энергии и cosφ передаются в плату хранения блока 18 управления и, при необходимости, могут запрашиваться оператором.

Блоком 37 измерения суммарного тока нагрузки контролируемой ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих и блоком 21 питания КУЗ измеряют и анализируют сигналы тока короткого замыкания Iкз, перегрузки Iпер и тока утечки Iут, а также параметры напряжения Uсети ЭС или ЭУ.

Измеренные величины входных сигналов приводят к единому виду с элементами КУЗ защиты от дефектной дуги (например, к импульсной форме) и направляют на соответствующие устройства сравнения блока 18 управления КУЗ, после чего отклонения параметров от нормальных значений через данный блок поступают на блок 16 формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ и/или на блок 15 отображения информации.

При работе блока 11 измерения, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений КУЗ находится в непрерывной готовности к переключению в режим защиты объекта от дефектной дуги при первом же поступлении высокочастотного ВЧ-импульса в момент перехода суммарного тока через ноль. Далее, в процессе защиты от дефектной дуги после поступления суммарного тока с заданным количеством непрерывно поступающих отсутствующих циклов искрения, КУЗ переводится в исходный режим работы.

При нарушении целостности электрической цепи, связанной с образованием дефектной дуги, измеряются и анализируются ВЧ-сигналы в начале и по окончании каждого цикла искрения «гашение-возникновение искры», по которым определяется ширина искрового промежутка платой 39 измерения ширины искрового промежутка.

По известной математической зависимости (например, f(t°C, tм, iи), где (t°C – температура искрового промежутка, tм- момент времени проявления максимально опасной температуры искрового промежутка, iи - величина тока дефектной дуги) в модуле 26 выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги (фиг. 4) формируется выражение показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги.

В модуле 27 расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги платы 23 прогнозирования опасности тока искрения рассчитывается значение прогнозируемого показателя уровня опасности дефектной дуги в виде функциональной зависимости максимально опасной температуры в области искрового промежутка от времени и момента его достижения.

Температура искрового промежутка t°C, определяется измеренной платой 39 измерения ширины искрового промежутка, и величиной тока дефектной дуги iи с учётом тока шунтирования, измеренного платой 40 измерения шунтирующего тока.

При необходимости, в данную зависимость вносятся заданные поправки по параметрам окружающей среды.

В плате 24 оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения оценивают результаты прогнозирования и сохраняют их в плате 25 хранения исходных и оперативных данных. В плате 28 принятия решения на отключение искрящей электрической цепи или системы её используемую разрабатывают решение на отключение опасной системы, например, отключение искрящей электрической цепи или на формирование донесения о месте проявления опасности, например, о номере искрящей цепи и передаче его в блок 15 отображения информации.

Данная зависимость относится к основному показателю уровня этой опасности, характеризующим основную составляющую блока 22 прогноза опасности и оценки его достоверности, в целом.

Осуществление устройства.

Устройство для осуществления способа предупреждения происшествий от дефектной дуги и других видов опасности ЭС или ЭУ переменного тока содержит: контролируемую электрическую сеть с напряжением Uсети, суммарный ток нагрузки которой преобразуется в сигнал низкочастотной и высокочастотных его составляющих (2) с помощью, например, трансформатора тока ТрТ; блок измерения и расчёта параметров суммарного тока нагрузки контролируемого участка ЭС или ЭУ и его составляющих (6) с измерением и расчетом частоты следования циклов, амплитуды импульсов на затухающей и/или образующей стадиях цикла и их продолжительности; панель определения сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» и количества этих циклов (38) с измерением количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; плата измерения ширины искрового промежутка (39); плата измерения шунтирующего тока (40); блок измерения по крайней мере одного из значений тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений (11), блок отображения информации (15).

В отличии от прототипа [4] и [5] устройство включает блок 22 прогноза опасности тока искрения и оценки его достоверности содержит в себе плату 23 прогнозирования опасности тока искрения, плату 24 оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения и плата 25 хранения исходных и оперативных данных.

Плата 23 прогнозирования опасности тока искрения содержит модуль 26 выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги, вход которого соединён с выходом панели 38 измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, а выход с входом модуля 27 расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги, выход которого соединён с входом платы 28 принятия решения на отключение искрящей электрической цепи или системы, её используемую, другой вход которой соединён с выходом блока 48 определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью, плата 28 содержит модуль 29 выбора предполагаемого решения, вход которого соединён с выходом модуля 36 определения рейтинговой оценки «Очень высокой» достоверности показателя опасности дефектной дуги, один из выходов модуля 29 соединён с входом модуля 30 формирования донесения о месте проявления опасности, выход которого соединён с входом блока 15 отображения информации, другой из выходов модуля 29 соединён с входом модуля 31 формирования команды на отключение опасного контролируемого участка или ЭС или ЭУ, в целом, выход которого соединён с входом блока 17 отключения контролируемой ЭС или ЭУ.

Плата 24 оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения содержит модуль 32 определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги, вход которого соединён с выходом платы 23 прогнозирования опасности тока искрения, выход платы 32 соединён с входом модуля 33 определения второй стадии оценки достоверности измерения опасности дефектной дуги, при условии максимально высокой рейтинговой оценки, выход которого соединён с входом модуля 34 расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока, выход которого соединён с входом модуля 35 определения доверительной вероятности рейтинговой оценки, выход которого соединён с входом модуля 36 определения рейтинговой оценки «Очень высокой» достоверности показателя опасности дефектной дуги, выход которого соединён с входом модуля 29 выбора предполагаемого решения, входящего в состав платы 28 принятия решения на отключение искрящей электрической цепи или системы, её используемую.

Стадии оценки достоверности предполагаемого решения

Первая стадия достоверности.

Сигнал высокочастотного спектра, образуемый на выходе фильтра блока измерения и расчёта параметров суммарного тока нагрузки контролируемого участка ЭС или ЭУ и его составляющих (6) в начале каждого цикла искрения, анализируется в процессе гашения дефектной дуги, осуществляемом в составе панели определения сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» и количества этих циклов (7) измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, и по которому определяется постоянная времени гашения этой электрической дуги, характеризующая результат расчёта модулем определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги - определения постоянной времени её гашения (32).

Вторая стадия достоверности.

Первоисточник информации, используемый для обоснования достоверности предполагаемого решения – патент России №2571513.

Опасность искрящей электрической цепи определяется величиной тока искрения в условиях шунтирующего тока, шириной искрового промежутка, условиями окружающей среды, отводящей тепло от искрового промежутка и многими другими факторами опасности дефектной дуги. Данный показатель требует оценки достоверности (истинности) расчёта платы прогнозирования опасности тока искрения (23) при определении комплексным устройством защиты не только в процессе эксплуатации объекта защиты, но и в целесообразности его разработки и применения в составе защищаемого объекта.

На Фиг. 4 по величине «провала» суммарного тока представлен порядок расчёта модулем определения второй стадии оценки достоверности измерения опасности дефектной дуги, при условии максимально высокой рейтинговой оценки (33) .

Как представлено в прототипе [4], обоснование достоверности базируется на соотношении тока искрения iискр и суммарного тока нагрузки isum контролируемой ЭС или ЭУ, равного сумме тока искрения и совокупности токов шунтирования (от нуля до заданного количества), параллельных кривой тока искрения.

Данное соотношение токов соответствует соотношению их площадей, выделенных из сигнала первой производной и представленных на Фиг.3 в виде заштрихованных участков в области «провала» суммарного тока и измеренных их площадей (энергий). При этом площадь заштрихованного участка (кривая графика 6) соответствует току искрения (кривая графика 1), площадь заштрихованного участка (кривая графиков 6 и 7) соответствует току (токам) шунтирования. Сумма заштрихованных площадей (кривые графика 6) соответствует суммарному току (кривая графика 3). Поэтому согласно уровню техники [4] в модуле расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока (34) ток искрения определяется этим соотношением.

iискр = isum Sискр/ Ssum (1)

Расчёт этого математического выражения выполняется модулем определения доверительной вероятности рейтинговой оценки (35) с выводом о достоверности попадания результатов измерения в «провал» суммарного тока.

Вывод 1. «Провал» суммарного тока однозначно характеризует результат расчёта модуля определения «Очень высокой» рейтинговой оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги (36) при 100%-ой её доверительной вероятности. При этом выполняется условие, представленное в выражении 2, при котором максимальная величина суммарного тока не должна заходить в область допустимой погрешности устройства измерения суммарного тока нагрузки isum контролируемой ЭС или ЭУ, а именно

isum < Im⋅(1- δ), (2)

где:

Im – амплитудное значение суммарного тока нагрузки, измеренное по уровню техники [4] и хранимое в блоке управления КУЗ с платой хранения исходных данных и параметров, измеренных и рассчитанных КУЗ (18);

δ – допустимая погрешность измерения суммарного тока нагрузки в % блока управления КУЗ с платой хранения исходных данных и параметров, измеренных и рассчитанных КУЗ (18).

При невыполнении условия 2 доверительная вероятность снижается согласно выражению 3.

Вывод 2. При нахождении значения суммарного тока нагрузки в области допустимой погрешности его измерения принимается величина ∆ её изменения, например, по экспоненциальной зависимости.

∆ = δ⋅exp(-t/τ), (3)

где:

t – момент времени измерения суммарного тока в области его допустимой погрешности;

τ- постоянная времени измерения суммарного тока в области его допустимой погрешности.

При этом доверительная вероятность достоверности этого измерения падает со 100% при входе в область допустимой погрешности до нуля при достижении момента времени измерения амплитудного значения Im суммарного тока.

Вывод 3. Чем больше величина тока искрения, тем опаснее дефектная дуга, но при этом тем выше достоверность оценки этой опасности – тем выше уверенность, например, командира воздушного судна в правильности принятого решения на отключение системы, включающей в себя искрящую электрическую цепь.

С другой стороны, чем ниже достоверность принятого решения ввиду близости значения суммарного тока к его амплитудному значению, тем выше максимальная доверительная вероятность минимальной опасности источника опасности – малого значения тока дефектной дуги. При этом, менее дорогой будет ошибка принятого данного решения.

Другими словами, находясь в области допустимой погрешности, цена ошибки снижается при повышении величины шунтирующего тока. То есть достоверность начинает снижаться при попадании амплитудного значения тока шунтирования в область допустимой погрешности измерения суммарного тока

Таким образом, к известным техническим решениям [3] и [4], дополнительно с использованием платы хранения исходных и оперативных данных (25) модулем выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги (26) вводятся операции: прогнозирования максимально опасной температуры в области искрового промежутка и возможного момента времени её возникновения; определения двух стадий достоверности определения опасности дефектной дуги, в частности, определения постоянной времени гашения дефектной дуги в цикле сигнала-признака искрения и впервые предложены операции по обоснованию количественной оценки достоверности опасности дефектной дуги.

Также вводятся дополнительные операции в промышленной части ЭС или ЭУ в части измерения потребляемой электрической энергии и определения угла сдвига фаз между суммарным током нагрузки и напряжением ЭС.

Предлагаемое техническое решение относится к признакам, отличающих его от известных.

Так, в научно-технической литературе не обнаружено технических решений и не известных в уровне техники с указанной выше совокупностью признаков. Следовательно, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию новизна.

При этом цель изобретения достигается всей введённой совокупностью операций, элементов и связей, которая не была известна до даты заявки технического решения, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию существенные отличия.

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 защищаемого технического решения.

В результате внедрения данного изобретения на промышленных и бытовых объектах, а также в структурах контроля качества их проектирования и эксплуатации повышается, в целом, безопасность эксплуатации этих объектов, в частности, их пожарная безопасность и предотвращение формирования ложных команд и донесений при нарушении электропроводки объекта от воздействия дефектной дуги, приводящих к катастрофе, аварии или инцидента на защищаемом объекте. Кроме того, снижается стоимость затрат на их реализацию в ЭС и ЭУ, а также повышается надёжность электротехнических систем, в целом.

Внедрение данного изобретения приведёт к снижению количества случаев возгорания или оплавления изоляции электропроводки в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолётах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах, использующих электрические сети и электроустановки. Кроме того, снизится количество случаев поражения человека электрическим током, а также вывода из строя бытовой и другой техники при недопустимом понижении напряжения в электрической сети или превышения тока нагрузки.

Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использование серийных комплектующих узлов и элементов. Это не требует перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.

Экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохранённых жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов, спасённых от пожаров и других видов аварий и катастроф путём применения предлагаемого технического решения.

Таким образом, внедрение предлагаемого способа предупреждения происшествий при неисправности в электрической сети или электроустановке повысит защиту людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров, а также обеспечит существенную экономию материальных и финансовых средств каждого гражданина и государства, в целом.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

1. Патент России RU 2159468 «Способ предупреждения пожара от неисправности в электрической сети или электроустановке (варианты) и устройство для его осуществления». Приоритет от 12.01.2000 г. Опубликовано: 20.11.2000. Бюл. № 32.

2. 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.

3. Патент США US 8014111 В2 от 6.09.2011 «Method and devise for preventing fire caused by defects in electric circuits and arrangements». Приоритет от 6.05.2005. Публикация заявки №W02006/121364 А1 от 16.11.2006.

4. Патент России RU 2571513 от 20.12.2015 «Способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления». Приоритет от 22.04.2013 г. Публикация заявки 27.10.2014, бюл. №30. Опубликовано: 20.12.2015 Бюл. №35.

5. Патент России RU 2700659 от 13.12.2017 «Способ определения места искрения в электрической сети и устройство для его осуществления». Приоритет от 13.12.2017 Публикация заявки 13.06.2019, бюл. №17. опубликовано: 18.09.2019 Бюл. №26.

Изобретение относится к области безопасности электрических сетей и электроустановок переменного тока (далее по тексту «ЭС или ЭУ»). При непрерывном контроле состояния электрической сети или электроустановки комплексное устройство защиты (КУЗ) способно выявлять, анализировать, прогнозировать и предлагать потребителю наиболее рациональный вариант принятия решения по отключению или неотключению искрящего контролируемого участка ЭС или ЭУ или имеющего другие виды отказа, по крайней мере, таково, как одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины напряжения сети и их отклонений от требуемых значений. Обоснованность принимаемого решения базируется на количественной оценке его достоверности при заданной разработчиком контролируемого объекта доверительной вероятности его реализации. КУЗ предлагает также конкретный адрес искрящего контролируемого участка из определённого заданного их множества. При формировании команды на отключение контролируемого участка и/или отображения результатов прогнозирования, например, максимального значения температуры в области искрового промежутка и момента времени её достижения, а также отображения данных по адресу искрящего контролируемого участка и данных, по количественной оценке, принимаемого решения. Технический результат – обеспечение возможности прогнозирования изменения температуры в области искрового промежутка и момента времени достижения её максимально опасного значения, исходя из накопленной на нём тепловой энергии от воздействия дефектной дуги в течение заданной продолжительности одного цикла измерения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ предупреждения происшествий от дефектной дуги в электрической сети или электроустановке переменного тока, включающий измерение суммарного электрического тока нагрузки, формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих измеренного суммарного тока нагрузки, преобразование суммарного электрического тока в сигнал его первой производной и измерение данного сигнала амплитуды импульсов на затухающей и/или образующей стадиях цикла сигнала-признака искрения и его продолжительности и расчет частоты их следования, формирование сигнала-признака цикла искрения «возникновение - гашение искры» при переходе тока искрения через нуль, определение параметров сигнала суммарного тока на затухающей и образующей его стадиях, определение продолжительности тока искрения по величине произведения количества искрящих полупериодов и длительности полупериода тока искрения на всём цикле измерения контролируемого участка электрической сети или электроустановки, определение тока искрения с учётом совокупности токов шунтирования, определение ширины искрового промежутка, сравнение сигнала-признака искрения контролируемой электрической сети или электроустановки с ВЧ-сигналом на одном из попеременно подключаемых для измерения контролируемых её участков, присвоение условного номера адресу искрящему контролируемому участку с единственно совпадающему с сигналом-признаком электрической сети, определение, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины напряжения сети и их отклонений от требуемых значений, формирование донесения об опасности и передача его на средства хранения и/или отображения и/или отключение контролируемой электрической сети или электроустановки при превышении требуемых значений, например, тока перегрузки, отличающийся тем, что прогнозируют изменение температуры в области искрового промежутка до её максимального значения и момент времени её достижения, исходя из накопленной на нём тепловой энергии от воздействия дефектной дуги в течение заданной продолжительности одного цикла измерения, по значению температуры и момента времени её достижения принимают решение на отключение искрящей электрической цепи или на принятие мер по устранению микроразрыва провода или нарушения контакта, вызывающих дефектную дугу, при этом прогнозирование осуществляют модулем расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги, при отсутствии данных по адресу искрящего контролируемого участка и при наличии сигнала с платы разрешения на отключение электрической сети или электроустановки формируют команду на отключение данных источников электроснабжения при прогнозировании максимально опасного значения температуры в области искрового промежутка, формируют команду на отключение контролируемого участка по результату прогнозирования максимального значения температуры в области искрового промежутка и при фиксированном адресе искрящего контролируемого участка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при контроле отдельной электрической цепи ток шунтирования принимают равным нулю.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед началом измерения суммарного тока задают временную задержку для предотвращения ложного сигнала опасности при возможном включении или отключении штатной нагрузки при расчёте на максимальное её значение.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении прогнозируемой температуры, равной температуре возгорания, формируют команду на отключение искрящей электрической цепи или отказавшей системы контролируемого объекта из-за воздействия дефектной дуги.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении прогнозируемой температуры, равной температуре плавления изоляции, формируют команду на отключение искрящей электрической цепи или отказавшей системы контролируемого объекта из-за воздействия дефектной дуги.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в начале каждого цикла искрения определяют постоянную времени гашения сигнала-признака искрения и выполняют первую стадию оценки достоверности показателя уровня опасности искрения, по параметрам которой делают вывод об истинности принимаемого решения о наличии сигнала-признака искрения или его отсутствии.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что реализуют вторую стадию оценки достоверности показателя уровня опасности искрения, для этого выполняют её рейтинговую оценку и доверительную вероятность этой оценки, обеспечивая уверенность в правильности принимаемого решения на отключение или неотключение искрящей электрической цепи.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что определяют параметры «провала» суммарного тока нагрузки, однозначно характеризующие максимально высокую рейтинговую оценку достоверности «Очень высокий» при 100% доверительной вероятности в случае отсутствия тока шунтирования или не вхождения значения «провала» суммарного тока нагрузки в область его допустимой погрешности, при этом в области допустимой погрешности суммарного тока нагрузки величина доверительной вероятности оценки достоверности снижается по заданному разработчиком контролируемого объекта закону изменения от 100% перед входом в данную область погрешности до нулевого значения при амплитудном значении тока шунтирования, равного амплитудному значению суммарного тока нагрузки.

9. Устройство предупреждения происшествий от дефектной дуги в электрической сети или электроустановке переменного тока, содержащее трансформатор тока для преобразования тока контролируемого участка ЭС или ЭУ в сигнал его первой производной, соединённый с блоком измерения суммарного тока нагрузки контролируемого участка ЭС или ЭУ и расчёта параметров его составляющих с измерением сигнала амплитуды импульсов на затухающей и/или образующей стадиях цикла сигнала-признака искрения и их продолжительности с расчетом частоты их следования, панель определения сигнала-признака цикла «возникновение - гашение искры» и количества этих циклов с измерением количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение, плату измерения ширины искрового промежутка, плату измерения шунтирующего тока панели измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения с возможностью определения тока искрения с учетом токов шунтирования, блок измерения по крайней мере одного из значений тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений, контролируемые участки 1, 2, …i…n с ответвлением электрической цепи от контролируемой электрической сети, автоматы отключения искрящего контролируемого участка или ЭС или ЭУ, целом, основной датчик восприятия ВЧ-сигнала искрения любой искрящей электрической цепи контролируемой сети, датчики восприятия ВЧ-сигнала от контролируемых участков, плата присвоения условного номера адресу искрящего контролируемого участка, плата сравнения величины ВЧ-сигнала контролируемого участка с сигналом-признаком искрения панели и при совпадении определение условного номера контролируемого участка ЭС или ЭУ, отличающееся тем, что содержит плату прогнозирования опасности тока искрения, вход которой через блок прогноза опасности тока искрения и оценки его достоверности соединен с одним из выходов панели измерения суммарного тока и определения сигнала-признака искрения, выход которого соединён с входом модуля выбора показателя уровня опасности от воздействия дефектной дуги, выход которого соединён с входом модуля расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги, автомат отключения опасной контролируемой сети при отсутствии сообщения о присвоенном условном номере контролируемого участка, плата задержки отключения автомата ЭС или ЭУ при прогнозировании максимального значения температуры и при отсутствии адреса искрящего контролируемого участка.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что вход платы оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения соединен через модуль определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги с выходом платы прогнозирования опасности тока искрения, включающей в свой состав плату принятия решения на отключение искрящей электрической цепи или отказавшей системы контролируемого объекта из-за воздействия дефектной дуги, при этом вход модуля определения доверительной вероятности рейтинговой оценки достоверности прогнозирования тока искрения соединен с выходом модуля расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока, а выход соединён с входом модуля определения рейтинговой оценки «Очень высокой» достоверности показателя опасности дефектной дуги, выход которого соединён с входом модуля выбора предполагаемого решения на отключение или неотключение искрящей электрической цепи или контролируемой электрической сети, который соединён с выходом модуля расчёта прогнозируемого показателя опасности воздействия дефектной дуги, а выход соединён с входом блока формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ, при этом входящие в состав платы оценки достоверности прогнозирования опасности тока искрения вход модуля расчёта соотношения тока искрения и суммарного тока, соединён с выходом модуля определения второй стадии оценки достоверности измерения опасности дефектной дуги, вход которого соединён с выходом модуля определения первой стадии оценки достоверности показателя опасности дефектной дуги, один из выходов платы присвоения условного номера адресу искрящего контролируемого участка соединён с входом модуля поочерёдного подключения модуля измерения ВЧ-сигнала-к датчику контролируемого участка, другой выход соединён с входом модуля формирования донесения о месте проявления опасности, третий выход соединён с входом модуля формирования команды на отключение опасного контролируемого участка, четвёртый выход соединён с входом платы задержки отключения автомата электрической сети или электроустановки при аварийном режиме работы комплексного устройства защиты, при этом выход модуля формирования команды на отключение опасного контролируемого участка соединён с входом автомата отключения контролируемого участка, другой вход данного модуля соединён с одним из выходов платы разрешения на отключение электрической сети или электроустановки при отсутствии адреса искрящего контролируемого участка, другой выход данной платы соединён с входом платы задержки отключения автомата электрической сети или электроустановки при аварийном режиме работы КУЗ, другой вход которой соединён с платой присвоения условного номера адресу искрящего контролируемого участка, а выход соединён с входом автомата отключения электрической сети или электроустановки.