Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования с применением сенсора сравнения, способ ее использования и испытания Российский патент 2024 года по МПК G08B17/117 G01N27/407 

Область техники, к которой относится заявленная группа изобретений

Группа изобретений относится к системам выявления аварийных и предпожарных ситуаций, а именно к системам автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, способам их использования и испытания.

Уровень техники

По статистике неисправность электрооборудования является причиной 30% пожаров. Зачастую такие пожары происходят из-за избыточного нагрева токопроводящих элементов, контактных соединений и изоляции. Своевременное выявление дефектов электрооборудования, сопровождающихся перегревами, позволяет устранить неисправности до возникновения возгораний и тем самым снизить количество пожаров и технологических нарушений. Для выявления перегревов элементов электрооборудования разработано множество методов, которые можно классифицировать как прямые (измерение температуры контролируемого оборудования с помощью термодатчиков), а также косвенные (измерение других параметров, изменяющихся вследствие роста температуры). Одним из примеров косвенного метода определения перегрева является газоаналитический метод, сущность которого заключается в обнаружении газовыми сенсорами веществ, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов за счет термодеструкции или возгорания.

В качестве сенсоров в газоаналитическом методе используются полупроводниковые, термокаталитические, кондуктометрические, электрохимические или оптические сенсоры с различным принципом действия, но служащие одной цели выявления в газовой фазе продуктов, свидетельствующих о наличии перегрева.

В источнике [RU 2022250, дата публикации 30.10.1994] описаны устройство и способ для информирования о предпожарной ситуации, основанные на определении продуктов термодеструкции различных веществ методом инфракрасной спектроскопии в трех диапазонах длин волн, для которых характерно поглощение углеводородных, хлорсодержащих и кислородсодержащих радикалов и молекул, образующихся в результате термического разложения или воспламенения электроизоляционных материалов. Повышение надежности устройства достигается тем, что из одновременно регистрируемых величин интенсивности излучения, прошедшего через анализируемую газовоздушную смесь, вычитают сигналы, соответствующие допустимой концентрации радикалов, и сравнивают эту разность с пороговым значением. Особенностью предлагаемых устройства и способа является то, что обеспечение высокой точности и оперативности определения концентрации углеводородных, хлорсодержащих и кислородсодержащих радикалов может достигаться только в замкнутых помещениях разного класса и назначения: атомные станции, обитаемые глубоководные аппараты, судовые помещения, угольные шахты, отсеки космических и летательных аппаратов, зернохранилища, склады и т.п., поскольку при использовании описываемого изобретения в открытых помещениях или на открытом воздухе инфракрасные сенсоры могут зафиксировать также посторонние газообразные вещества, поглощающие в тех же спектральных диапазонах, на которые настроены сенсоры по описываемому изобретению. Кроме того, устройством детектируются газы, выделяющиеся при возникновении пламени, т.е. тревожное извещение формируется после возгорания.

Способ обнаружения предпожарной ситуации и предотвращения пожара, описанный в источнике [SU 1277159 A1, дата публикации 15.12.1986], основан на измерении интенсивности монохроматического излучения, изменяющегося при поглощении на частоте, соответствующей газообразным продуктам термодеструкции. При превышении пороговых величин срабатывает управляющий сигнал подачи пожарной тревоги. Приведенный способ отличается невысокой надежностью и большой вероятностью ложных срабатываний. Кроме того, способ позволяет зафиксировать только активно развивающиеся процессы термодеструкции, близкие к моменту воспламенения, поскольку управляющий сигнал вырабатывается только на основании превышения сигналом порогового значения без учета скорости нарастания концентрации, а также без учета фоновой концентрации анализируемых газов в окружающей среде.

Для уменьшения количества ложных срабатываний, возникающих в результате детектирования сенсорами сторонних газов, а также выявления фактов перегрева контролируемых элементов до начала термодеструкции, используют специальные термоактивируемые материалы (наклейки), которые устанавливают на контролируемых элементах. При нагреве выше заданной пороговой температуры такие наклейки выделяют сигнальные газы, обнаруживаемые сенсорами. Так, в источнике [JP 666648, дата публикации 11.03.1994] раскрывается устройство для раннего обнаружения перегрева в труднодоступных местах электрического и механического оборудования, состоящее из одоранта, инкапсулированного в термоплавкой композиции, и сенсора, улавливающего сигнальный одорант. При этом термоплавкую композицию с одорантом располагают рядом с контролируемым объектом. Альтернативными вариантами изобретения являются микрокапсулы из термоплавкого состава, заполненные одорантом, а также одоранты, смешанные с жирными кислотами, такими как воск. Термоплавкая композиция может быть нанесена на листовой материал с клеящим слоем для получения термочувствительного стакера, либо смешана с клеящим агентом для получения выделяющей запах краски. Особенностью данного изобретения является использование термоплавких полимеров, которые при разогреве до температуры размягчения или плавления могут плавиться, стекать с контролируемого элемента или образовывать пенный слой. Несмотря на то, что подобные системы настроены на регистрацию веществ, не содержащихся в воздухе помещений при нормальных режимах эксплуатации, они, тем не менее, не застрахованы от ложных срабатываний, поскольку сенсоры могут улавливать сторонние вещества из окружающего воздуха, близкие по своим оптическим или другим свойствам к детектируемым газам.

Из уровня техники известна также система обнаружения локальных перегревов электрооборудования, в которой раскрыто использование микропористого полимерного композиционного материала, способного выделять содержимое пор в режиме множественных циклов нагрева и охлаждения [RU 2596953, дата публикации 10.09.2016]. Описанная система состоит из газового сенсора, соединенного с регистратором, который подключен к системе подачи сигнала, и полимерного композиционного материала, наносимого на склонные к нагреву участки электрической цепи и имеющего температуру вскрытия в диапазоне 80-200°С. Несмотря на то, что в качестве содержимого пор полимерного композиционного материала устройства по данному документу используются специальные маркерные газы, тем не менее, сенсор устройства может реагировать на присутствие в окружающей среде сторонних газов, близких по спектральным свойствам к используемым легкокипящим веществам. Кроме того, системы, основанные на использовании термочувствительных газовыделяющих наклеек, способны контролировать перегрев только того участка электрооборудования, на которые установлены наклейки.

Следует отметить, что описанные выше системы, основанные как на использовании газовыделяющих наклеек, так и обнаружении газов, выделяющиеся при термолизе изоляционных материалов, включают в себя одиночные сенсоры, которых недостаточно для контроля состояния оборудования больших размеров, объектов, состоящих из нескольких изолированных друг от друга секций, крупногабаритного оборудования и т.п. Из уровня техники известны системы, определяющие перегрев с помощью газоаналитического метода, которые включают в себя несколько сенсоров, устанавливаемых в разных частях контролируемых объектов, или настроенных на отбор проб воздуха из различных изолированных друг от друга секций, с последующим измерением концентрации определенных сигнальных газов. Такая схема позволяет не только оперативно выявлять факт возникновения опасного нагрева, но и с высокой точностью определять место аварии или возгорания и своевременно принимать меры по минимизации последствий.

Например, в источнике [US 2021/0299498 A1, дата публикации 20.01.2021] описана система для тушения пожара в помещении, в которой несколько стационарных устройств пожаротушения ответственны за подавление возгорания в отдельной зоне помещения, а точное установление зоны, в которой произошло возгорание, происходит с помощью матричного сенсора со множеством чувствительных к электромагнитному излучению пикселей, причем каждый пиксель покрывает определенную зону контролируемого помещения. При определении зоны возгорания по количеству пикселей, зарегистрировавших электромагнитное возмущение, срабатывают соответствующие этой зоне устройства пожаротушения. Описанную систему легко масштабировать на защиту больших помещений или помещений со сложной геометрией. Кроме того, она является простой в программировании и быстрой в установке и эксплуатации. Каждый пиксель можно индивидуально настроить на порог электромагнитного излучения, выделяемого стационарными источниками тепла, что предотвращает ложные срабатывания системы. Однако при каждом перемещении, демонтаже или установке этих стационарных источников необходимо проводить перепрограммирование матричного сенсора. Кроме того, такая система не обладает высокой надежностью, поскольку за определенную зону контролируемого объема ответственен только один пиксель, а при его выходе из строя или его несрабатывании по какой-либо причине возгорание может быть не определено или зафиксировано на поздней стадии. Также описанную систему нельзя использовать на промышленных объектах и оборудовании, функционирующих при высоких рабочих температурах, значение которых близко к пороговым.

Способ и устройство для обнаружения возгорания в одной или нескольких контролируемых зонах с помощью системы всасывающих трубопроводов, соединяющих множество контролируемых зон с помощью воздухозаборных отверстий, описаны в источнике [ЕР 2004/009450, дата публикации 24.04.2004] и позволяют с высокой точностью определить место появления пожара за счет подключения множества всасывающих трубопроводов, контролирующих определенные зоны, к одному сенсору. Подобный принцип работы раскрыт также в источнике [US 11189143, дата публикации 30.11.2021], раскрывающем систему аспирационного обнаружения дыма для обнаружения возгорания и места его возникновения, включающую в себя блок обнаружения взвешенных в воздухе частиц дыма, а также один или более локальных сенсоров, расположенных удаленно от блока обнаружения дыма, для измерения свойств воздуха из интересующей области, которая втягивается в систему обнаружения дыма при аспирации. Для более точного определения места возгорания и снижения числа ложных срабатываний была разработана аспирационная детекторная система [ЕР 2881922, дата публикации 10.06.2015], содержащая двойную сеть подачи анализируемого воздуха, одна из которых работает и детектирует состояние окружающей среды непрерывно, а другая запускается только в случае выявления первой системой признаков пожара. При этом вторая система активируется только в тех зонах, в которых первая система выявила отклонения от нормальных показателей, с некоторой задержкой, учитывающей скорость прохождения всасываемого воздуха до детектора. Сигнал тревоги формируется только в том случае, если детектор второй системы подтверждает данные, полученные от первой системы.

Несмотря на то, что такие системы позволяют не только определять факт возникновения предпожарной ситуации, но и с высокой точностью и достоверностью выявлять точное ее расположение даже в помещениях большой площади, а также нескольких не связанных между собой помещений, их особенностью является задержка между моментом всасывания воздуха и его анализом детектором, обусловленная удаленностью детектора от воздухозаборных отверстий. Кроме того, такие системы также склонны к детектированию сторонних газов, возникших в воздухе контролируемых помещений не в результате пожароопасной ситуации, а вследствие других причин, что может привести к ложным срабатываниям даже при наличии параллельной подтверждающей аспирационной системы, описанной в источнике [ЕР 2881922]. Другой особенностью подобных систем является сложность их монтажа и невозможность использования для контроля связанных с перегревом дефектов отдельных элементов небольшого электрооборудования, а также низкая чувствительность детекторов.

Известно устройство для обнаружения возгорания в электротехнических изделиях, включающее в себя систему всасывающих труб, которая сообщается с контролируемым изделием по меньшей мере через одно всасывающее отверстие и через которое отбирается репрезентативная проба воздуха; модуль раннего обнаружения пожара, имеющий один или более сенсоров для обнаружения по меньшей мере одного вещества в отобранной пробе воздуха, свидетельствующего о воспламенении; контроллер для выдачи сигнала раннего обнаружения пожара в ответ на результат, обнаруженный по меньшей мере одним блоком обнаружения [US 7796047, дата публикации 10.05.2007]. При этом модуль раннего обнаружения возгорания выполнен в виде стеллажа для установки в контролируемое изделие, а система всасывающих труб сообщается с отдельными стойками электрического оборудования, подлежащего контролю, с помощью как минимум одного соответствующего всасывающего отверстия, через которое происходит отбор репрезентативных проб воздуха, анализируемых в системе раннего обнаружения пожара. Отличительными особенностями приведенного изобретения являются большие габариты, сложность монтажа, невозможность его использования для электроустановок нестандартных форм и размеров, а также невысокая чувствительность метода и высокая вероятность ложных срабатываний.

Способ и устройство для обнаружения и определения места возникновения воспламенения в одной или нескольких контролируемых зонах описаны в источнике [RU 2342709 C2, дата публикации 10.11.2007]. Система всасывающих трубопроводов с помощью воздухозаборного устройства подает пробы воздуха из каждой отдельной контролируемой зоны в сенсор для детектирования по меньшей мере одного продукта горения в отобранных пробах воздуха. При этом после получения положительного результата с по меньшей мере одной пробы воздуха воздухозаборное устройство анализирует повторную пробу, взятую из той же зоны. По анализу концентраций в двух последовательных пробах воздуха, полученных из одной зоны, делается вывод о месте воспламенения, а также степени его развития.

Разность показаний, полученных последовательно с одного сенсора, обеспечивает возможность прогнозирования развития пожароопасной ситуации и запуска соответствующих механизмов противопожарной защиты при использовании полезной модели [RU 84717 U1, дата публикации 20.07.2009]. Подобной цели служит изобретение [RU 2596063 C1, дата публикации 27.08.2016], в котором описывается способ предаварийного, аварийного и поставарийного контроля источников опасности в герметичных обитаемых объектах, в частности, подводных лодках, основанный на разделении контролируемого объекта на сигнальные зоны, каждая из которых контролируется набором сенсоров, в том числе контролирующих выделение высокодисперсных аэрозолей, образующихся в результате перегрева различных полимерных материалов, электротехнических узлов и элементов, определении параметров сигнальных зон при различных режимах работы, а также фиксации превышения установленных значений в случае возникновения аварийной ситуации. При этом система контроля, получающая сигналы с сенсоров, сравнивает показания, полученные с соседних сенсоров, для проведения физического и математического моделирования процессов развития аварий и оперативного принятия решений по устранению внештатной ситуации и ее последствий.

Тем не менее, приведенные выше системы не могут применяться для контроля состояния открытых объектов или больших площадей, поскольку разработаны для обеспечения взрывопожарной безопасности замкнутых объемов. При использовании подобных устройств и систем на крупных промышленных предприятиях или на крупногабаритных установках, особенно расположенных на открытом воздухе, повышается риск ложных срабатываний по причине фиксации газов и аэрозолей, имеющих иной источник возникновения и попавших в зону контроля сенсоров описанных систем в результате диффузии.

Известны устройства для измерения состава газовой среды [RU 111675 U1, дата публикации 20.12.2011; RU 159702 U1, дата публикации 20.02.2016], содержащие газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль, схему питания устройства сенсоров и устройства в целом, которые могут быть использованы, например, как автономные беспроводные предпожарные извещатели или датчики токсичных газов. В частности, сенсоры настроены на детектирование концентрации метана или угарного газа в воздухе. Предлагаемые устройства решают задачу полной энергонезависимости от сетевого питания и увеличения времени автономной работы.

В документе [RU 2175779, дата публикации 10.11.2001] описан способ диагностики предпожарной ситуации и предотвращения возникновения пожара посредством контроля значений информативных параметров, характеризующих состояние воздуха на охраняемом объекте. Техническим результатом является упрощение способа и обеспечение раннего обнаружения возгорания за счет измерения в качестве информативных параметров концентрации газообразных продуктов термодеструкции: СО, CO₂, NO_x HCl, Н₂, CH₄, NH₃, O₂, Cl₂, H₂S, SO₂, НСОН, С₆Н₅ОН - и других газов-восстановителей и окислителей, а также концентрации взвешенных частиц в воздухе и его температуры. При этом для каждой зависимости информативных параметров от времени, по крайней мере, одно значение производной определяют во временном интервале 0.1-60 с. По результату обработки данных параметров судят о возникновении предпожарной ситуации.

На подобном механизме действия основано устройство, описанное в источнике [RU 95849, дата публикации 10.07.2010] и выбранное в качестве прототипа, которое определяет параметры газовой среды, в том числе, содержание СО и Н₂, что позволяет использовать это устройство в качестве пожарного извещателя. Изобретение состоит из газовых сенсоров, режимами работы которых управляет микропроцессорный модуль, аналоговой измерительной части, модуля обработки и хранения измерений, а также блоков питания устройства. Программно-аппаратный интерфейс интегрирован в электронную схему устройства для передачи данных и команд по беспроводным сетям, причем в течение межкалибровочного интервала устройство может работать автономно и бесперебойно без замены блоков питания, благодаря оптимизации алгоритма проведении измерений и передачи данных.

Для увеличения надежности срабатывания, описанные выше устройства могут содержать несколько одинаковых сенсоров или сенсоров различных типов, призванных подтверждать тревожный сигнал, получаемый от одного из сенсоров. Также приведенные устройства отличаются высокой чувствительностью к детектируемым газам и высокой надежностью, поскольку пожароопасность оценивается по концентрациям нескольких контролируемых газовых компонентов. Тем не менее, общей особенностью этих устройств является обнаружение первых признаков горения, а не избыточных нагревов. Причиной этого являются высокие пороговые концентрации продуктов термолиза, соответствующие интенсивному развитию дефекта (горению). Снижение пороговых концентраций приводит к множественным ложным срабатываниям из-за присутствия в окружающем воздухе газов, сходным по своим параметрам с продуктами термодеструкции. Иными словами, сенсоры описанных устройств с высокой вероятностью могут улавливать из окружающей среды посторонние газы, чьи спектральные или другие свойства близки к используемым маркерным веществам. Ложные срабатывания таких систем характерны при эксплуатации на химических производствах, где могут происходить выбросы различных химических веществ, а также вблизи промышленных предприятий и производственно-транспортной инфраструктуры.

Своевременное и точное выявление аварийных дефектов, сопровождающихся сверхнормативными нагревами вплоть до начала возгорания или тления, является важной задачей для обеспечения безопасности эксплуатации различного оборудования, в том числе электротехнического назначения. Несмотря на существующее разнообразие систем и методов обнаружения предпожарных и аварийных ситуаций, их общим недостатком, ограничивающим их массовое применение, является высокая вероятность ложных срабатываний при попадании в контролируемые объекты сторонних газов, схожих по своей структуре с продуктами термодеструкции. Существующие газоаналитические системы не позволяют выявлять дефекты на ранней стадии их развития в силу того, что при низкой концентрации продуктов термодеструкции их невозможно надежно зафиксировать на фоне высоких концентраций прочих газов. Существующие газоаналитические системы, способные с высокой точностью численно определять абсолютную концентрацию заданного газа в воздухе, применяются только в узконаправленных областях в силу сложности их обслуживания, больших габаритов и высокой стоимости и не могут применяться в типовых электроустановках.

Тем самым, существует потребность в разработке высокочувствительной и надежной газоаналитической системы автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, возникающих задолго до момента возгорания, и учитывающей содержание фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны.

Группа изобретений направлена на повышение достоверности выявления предпожарных ситуаций, происходящих вследствие перегревов элементов электрооборудования с помощью газоаналитического метода.

Термины и определения, используемые в настоящей группе изобретений

Представленные ниже термины имеют пояснительный характер и не ограничивают объем правовой охраны заявленного изобретения только указанными формулировками.

"Бегущее среднее значение" - функция, значение которой в каждой точке определения равно среднему значению исходной функции за предыдущий период. Применительно к настоящей группе изобретений бегущим средним значением концентрации газа является среднее значение концентраций, зафиксированных сенсором за определенный период до настоящего момента.

"Внешняя зона" - это область электроустановки, отгороженная от контролируемой зоны стенками или другими перегородками и сообщающаяся с окружающей средой. Применительно к настоящему изобретению, внешняя зона это смежная с контролируемой зоной область электроустановки, отгороженная от нее стенкой или перегородкой, в которую устанавливается сенсор сравнения таким образом, чтобы воздействие на него сигнального газа было минимальным.

Термин "возгорание" обозначает процесс начала горения материала. Применительно к заявленной группе изобретений, возгорание включает в себя начало тления или горения кабелей, контактных соединений, изоляционных материалов или других элементов электрооборудования в результате нагрева электрическим током или дугой.

"Газоаналитическая система" - совокупность изделий и устройств, позволяющих выявлять факт перегрева контролируемых элементов с помощью газоаналитического метода. Газоаналитическая система может включать в себя различные газовые сенсоры, связанные между собой контроллером, изделия или покрытия, в состав которых входят термоактивируемые газовыделяющие материалы, контрольно-приемные устройства, обрабатывающие поступившие с контроллера извещения, систему сигнализации и прочие элементы, обеспечивающие визуализацию срабатывания системы, передачу информирующих или управляющих извещений.

Под "газоаналитическим методом определения перегрева элементов электрооборудования" понимается метод определения перегрева элементов электрооборудования, заключающийся в регистрации в газовой фазе одного или нескольких веществ, свидетельствующих о нагреве контролируемого элемента выше некоторой температуры.

"Газовый сенсор" - это устройство, предназначенное для определения содержания в газовой смеси одного или нескольких веществ, формирующее электрический сигнал, связанный с концентрацией контролируемых веществ в газовой фазе, и передающее его на контроллер. Различают следующие типы газовых сенсоров: полупроводниковые, термокаталитические, кондуктометрические, электрохимические, оптические и др. сенсоры. В настоящем изобретении различают два типа сенсоров. "Контролирующий газовый сенсор" (S_К) предназначен для обнаружения сигнального газа, то есть газа, выделяющегося при перегреве контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов. "Газовый сенсор сравнения" (S_ср) предназначен для определения концентрации фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны, то есть газов, не связанных с перегревом контролируемого элемента.

"Дефект" - это несоответствие объекта требованиям, установленным документацией, хотя бы по одному показателю.

"Извещение о перегреве" набор команд, сообщений и оповещений, сформированных контроллером, предназначенное для информирования персонала или смежных систем о возникновении перегрева. Извещение может включать в себя световое, графическое, звуковое, электронное или другие типы оповещения персонала, пакет данных, переданных в смежную систему, изменение положения реле сухого контакта и прочие действия.

Термин "контроллер" по настоящему изобретению означает любые логические устройства, к которым могут быть подключены по проводной или беспроводной связи по меньшей мере два газовых сенсора, один из которых является контролирующим, а другой - сенсором сравнения, в частных случаях контроллер может быть соединен с одним из сенсоров путем совмещения с ним. Контроллер анализирует сигналы от газовых сенсоров с помощью набора логических операций и формирует извещение, информирующее о возникновении перегрева. В зависимости от пользовательских характеристик, извещение может быть сформировано в световом, звуковом, графическом или ином виде, а также представлять из себя пакет данных для передачи в смежные системы или изменение положения реле сухого контакта. Извещение может передаваться контроллером на другое устройство, в частности, внешнее приемное устройство или верхнеуровневую систему. В этом случае извещение может дополнительно включать управляющую команду, например, на разрыв электрической сети, запуск системы пожаротушения и другие.

Под "контролируемой зоной" понимается область электроустановки, полностью или частично ограниченная стенками или другими перегородками, внутри которой находятся контролируемые одним из сенсоров системы элементы электрооборудования. В частном случае, контролируемая зона может представлять собой внутренний объем электрического щита, секцию распределительных устройств, отсек выключателя, коробку блока распределения начал обмоток и т.д., внутри которых располагаются элементы, подлежащие контролю. Контролируемая зона может быть герметично или негерметично отделена от внешней зоны и других контролируемых зон. Степень не герметично ста контролируемой зоны электрооборудования может определяться параметром класса IP.

Термин "контролируемый элемент" описывает элемент электрооборудования, перегрев которого определяется с помощью газоаналитической системы по заявленной группе изобретений.

"Миллионная доля" или "ррт" - это единица измерения каких-либо относительных величин, равная 1⋅10^-6 от базового показателя. Применительно к заявленной группе изобретений, величина ppm означает содержание измеряемых газов в контролируемой зоне в данный момент времени и определяет абсолютную концентрацию этих газов. Концентрация газов, выраженная в миллионных долях, может быть пересчитана в процентную концентрацию следующим образом: 1% = 10000 ррm.

Понятие "множественные срабатывания системы" характеризует возможность газоаналитической системы регистрировать факт перегрева в повторяющихся циклах «нагрев - охлаждение» более одного раза без замены компонентов системы.

Термин "модельный газ" означает вещество или группу веществ, которые используются при проведении испытаний системы и включают в себя соединения, близкие по тем или иным характеристикам к сигнальным, фоновым газам или веществам, выделяемым при перегреве термоактивируемого газовыделяющего материала.

Под термином "перегрев (нагрев, нагревание) элементов электрооборудования" понимается достижение элементами электрооборудования температуры, превышающей температуру нормальной эксплуатации, за счет возникновения дефекта, дуговых разрядов и других причин.

Понятие "пороговая концентрация сигнального газа" или "порог газоаналитической системы" - минимальная концентрация сигнального газа или минимальное значение сигнала газового сенсора газоаналитической системы, при котором происходит формирование тревожного извещения.

Термин "самодиагностика" раскрывает выполняемую в автоматическом режиме совокупность процессов, направленных на определение работоспособности системы.

"Сигнал газового сенсора" и "значение сигнала газового сенсора" электрический сигнал, сформированный газовым сенсором, один из параметров которого зависит от концентрации заданных веществ (например, сигнальных или фоновых газов) в газовой смеси. В соответствии с настоящим изобретением сигнал передается от газового сенсора контроллеру посредством проводной или беспроводной связи. Газовый сенсор может дополнительно включать в себя логические модули, преобразующие или модулирующие сигнал, различные фильтры, усилители сигнала и другие компоненты.

Термин "сигнальный газ" означает вещество или группу веществ, которые выделяются в газовую фазу при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов и на обнаружение которых настроен газовый сенсор.

"Степень негерметичности" закрытого объема характеризует отношение суммарной площади постоянно открытых участков данного объема к площади ограждающих конструкций, выраженное в процентах. В качестве количественной оценки степени негерметичности электрических шкафов и распределительных щитов также может использоваться параметр класса защиты IP.

Код IP (согласно ГОСТ 14254-2015) обозначает систему кодификации, применяемую для обозначения степеней защиты, обеспечиваемых ограждающими конструкциями, от доступа к опасным частям, попадания внешних твердых предметов, воды, а также для предоставления дополнительной информации, связанной с такой защитой.

Под термином "термоактивируемый газовыделяющий материал (ТГМ)" понимается материал, способный выделять газ при нагреве выше заданной пороговой температуры, преимущественно в диапазоне 60-150°С. В частности, такой материал может входить в состав термоактивируемых газовыделяющих наклеек, клипс, кембриков, прочих изделий, а также специальных покрытий (лаков, красок и пр). Термоактивируемый газовыделяющий материал может включать микрокапсулы или микропористые компоненты, содержащие сигнальные газы, на детектирование которых настроен газовый сенсор. Массовая доля веществ, переходящих в газовую фазу при нагревании термоактивируемого газовыделяющего материала до пороговой температуры, должна составлять не менее 30%. Температура, при которой термоактивируемый газовыделяющий материал начинает выделять газ, называется пороговой температурой газовыделения или просто пороговой температурой. В зависимости от строения термоактивируемого газовыделяющего материала при нагревании до пороговой температуры может происходить полное или частичное выделение содержащегося в нем газа. В последнем случае, при повторном нагревании выше пороговой температуры материал будет снова выделять часть содержащегося в нем газа. Такое свойство ТГМ обеспечивает возможность многократного срабатывания газоаналитической системы.

Термин "фоновый газ" раскрывает вещество или группу веществ, которые могут присутствовать в воздухе зоны эксплуатации электроустановки, могут определяться газовым сенсором, и возникновение которых не связано с перегревом контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов.

Под термином "электрооборудование" понимается совокупность устройств, предназначенных для производства, распределения, передачи и потребления электроэнергии, в основу работы которых положены принципы электротехники.

"Электрический шкаф" или "распределительный щит" - каркас, в который устанавливается различное электрооборудование, в том числе предназначенное для приема и распределения энергии. "Закрытый электрический шкаф" представляет собой корпус, как правило, выполненный из металла или пластика, полностью или частично закрытый со всех сторон. Щит отличается от шкафа тем, что оборудование монтируется в специальной нише в стене и закрыто только с лицевой стороны.

Сущность группы изобретений

Заявленная группа изобретений направлена на повышение надежности и достоверности выявления начальных стадий дефектов элементов электрооборудования с помощью газоаналитического метода, учитывающего текущую концентрацию фоновых газов, определенную с помощью сенсора сравнения.

Задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, заключается в создании системы, способа ее испытания, а также способа автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, обладающих высокой достоверностью и чувствительностью.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение надежности и безопасности эксплуатации электрооборудования за счет своевременного выявления дефектов, сопровождающихся перегревами элементов электрооборудования. Для достижения указанного технического результата, группа изобретений использует определение перегревов газоаналитическим методом с применением сенсора сравнения. Сенсор сравнения позволяет учитывать концентрацию фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны, что позволяет снизить пороговую концентрацию сигнального газа при формировании извещения о перегреве, а также снизить количество ложных срабатываний.

В первом варианте указанный технический результат достигается за счет использования системы автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающей:

- газовый сенсор S_к, предназначенный для обнаружения газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов;

- газовый сенсор S_ср, предназначенный для определения концентрации фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны;

- контроллер, выполненный с возможностью соединения с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один контролирующий сенсор S_к и как минимум один сенсор сравнения S_ср, и формирования извещения о перегреве и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство.

Дополнительного группа изобретений может включать использование термоактивируемых газовыделяющих материалов преимущественно многократного действия (ТГМ) и специальных алгоритмов обработки сигнала, позволяющих зафиксировать дефект до начала развития необратимых изменений в структуре материалов контролируемых элементов, например, термодеструкции изоляции. ТГМ, применяемые для выявления фактов перегревов элементов электрооборудования, имеют фиксированную пороговую температуру газовыделения, которая, как правило, ниже температуры начала необратимой деструкции элементов электрооборудования. Таким образом, использование ТГМ позволяет фиксировать перегревы на стадии, позволяющей сохранять работоспособность элементов электроустановки. Кроме того, способность некоторых ТГМ выделять сигнальный газ в повторяющихся циклах нагрева/охлаждения обеспечивает возможность многократного детектирования перегревов элементов электрооборудования без замены системы или отдельных ее частей и уточнять остаточный ресурс работы оборудования.

В качестве объекта контроля по настоящему изобретению выбраны элементы электрооборудования. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, надежность и безотказность функционирования электроустановок является важным и неотъемлемым фактором обеспечения безопасности и надежности функционирования практически всех видов производств, объектов социального назначения, транспорта, городской инфраструктуры и пр. Во-вторых, электроустановки являются источником повышенной пожарной опасности. Как уже было отмечено в начале заявки, возгорания по причине нарушений правил эксплуатации электрооборудования занимают первое место после неосторожного обращения с огнем. В-третьих, в большинстве случаев, электроустановки высокого класса напряжения не позволяют проводить их визуальный осмотр под нагрузкой, что не позволяет своевременно выявлять дефекты с помощью тепловизионного осмотра или других методов визуального контроля. Отдельно следует отметить, что материалы, из которых изготавливается электрооборудование: провода, кабели, изоляторы или корпуса электрооборудования в большинстве случаев являются негорючими. Обнаружить их перегрев типовыми пожарными (дымовыми, тепловыми, инфракрасными и прочими) датчиками не представляется возможным.

Необходимость использования газового сенсора сравнения, определяющего концентрацию фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны, связана с необходимостью формирования тревожного извещения о перегреве при обнаружении контролирующим сенсором сигнального газа в самых низких концентрациях газа. Задача датчика сравнения исключение ложных срабатываний, вызванным постоянным изменением концентрации фоновых газов в окружающем воздухе, и, как следствие, возможность снижения порога срабатывания газоаналитической системы и реализации адаптивного порога. Целесообразность контроля сигнального газа в минимальных концентрациях связана со следующим обстоятельством. Как правило, скорость развития дефектов, связанных с перегревом электрооборудования, экспоненциально зависит от температуры. Иными словами, чем меньше температура, тем медленнее развивается дефект, и тем больше запас времени для проведения ремонта или подготовки к отключению. С технической точки зрения наиболее целесообразно выявлять дефекты на самых ранних стадиях их развития. Однако при незначительном перегреве концентрация выделяющихся газов очень мала. Это обусловлено не только низкой скоростью реакции деполимеризации, но и выветриванием выделившихся газов из электроустановки во времени. В настоящий момент известно большое количество сенсоров, позволяющих фиксировать продукты, выделяющиеся при разложении изоляции, или специальные сигнальные газы в предельно низких концентрациях, равных единицам или десяткам ррm. Однако такие сенсоры хорошо работают только в идеальной среде, то есть при постоянных температуре, влажности, содержании СО₂, кислорода и других атмосферных газов. Обеспечить такие "идеальные" условия в электроустановках невозможно. Изменение воздействия вышеупомянутых факторов в процессе эксплуатации приводят либо к необходимости существенно загрублять систему и поднимать порог срабатывания газоаналитической системы, либо мириться с большим количеством ложных срабатываний. Приведенное выше обстоятельство является одним из существенных факторов, ограничивающих область применения газоаналитической системы. Не менее значимым фактором является изменение чувствительности сенсора во времени, а также зависимость сигнала сенсора от температуры, магнитных полей и других факторов.

Газоаналитическая система должна обладать необходимой универсальностью, а также работать эффективно и достоверно вне зависимости от внешних условий и типа используемых изоляционных материалов. Как правило, предсказать условия окружающей среды, при которых будет эксплуатироваться система, а также состав и количество фоновых газов, воздействию которых будет подвергаться система в процессе эксплуатации, невозможно.

Сигнальные газы, на обнаружение которых настроены газовые сенсоры, используемые в газоаналитической системе, представляют собой не индивидуальное вещество, а совокупность веществ, качественный и количественный состав которых может значительно различаться. По этой причине используемые в газоаналитическом методе сенсоры, как правило, настроены не на индивидуальное вещество, а на группу веществ, объединенных наличием того или иного структурного фрагмента.

Принимая во внимание, что любой параметр, измеряемый такими сенсорами, напрямую характеризует концентрацию (содержание) газа или группы газов в газовоздушной среде, в данной заявке будет использовано понятие "концентрация" при упоминании содержания сигнальных или фоновых газов. При этом сенсор формирует сигнал, значение которого определяется измеряемым параметром газовой смеси, поэтому можно сказать, что значение сигнала, полученного от сенсора контроллером, также характеризует содержание определенной совокупности веществ в контролируемой зоне и так или иначе связано с их концентрацией.

Основная сложность повышения чувствительности газовых сенсоров при обнаружении сигнальных газов заключается в том, что при настройке сенсора на определение максимального значения параметра которое в наибольшей степени характеризует сигнальный газ (фиг. 7а, сплошные линии b), он, тем не менее, может реагировать на присутствие других фоновых веществ, максимальное значение параметра X для которых находится рядом с определяемой величиной. Это связано с тем, что, как правило, графики зависимости значения параметров I(Х) от концентрации имеют форму, близкую к распределению Гаусса. Поэтому, даже при несовпадении максимумов значений параметров X, среднеквадратическое отклонение от фоновых газов (фиг. 7а, пунктирные линии а) может наложиться на сигнальных газов, что при высоком содержании сторонних веществ может привести к срабатыванию системы.

Использование в системе изделий, включающих термоактивируемые газовыделяющие материалы (ТГМ) и устанавливаемых на контролируемые элементы, или термоактивируемых газовыделяющих покрытий, наносимых на эти элементы, позволяет настраивать сенсоры на регистрацию специфических сигнальных газов, которые выделяются при нагреве ТМГ выше пороговой температуры. Такие сигнальные газы, как правило, выбираются таким образом, чтобы максимальное значение параметра - как можно больше отличалось от максимальных значений этого параметра для других фоновых газов (например, СО₂, кислорода, воды и других атмосферных газов), как указано на фиг. 7а, жирная линия с. Тем не менее, на практике зависимость I(Х), регистрируемая сенсором, будет выглядеть подобно графику, приведенному на фиг. 7б, а поскольку содержание фоновых газов при определенных условиях может во много раз превышать концентрацию сигнального газа, происходит частичное перекрытие области с максимальным значением параметра X, характерным для сигнальных газов, выделяющихся из ТГМ, и возникновение ложных срабатываний системы.

В связи с этим, важной задачей современных систем выявления перегревов с помощью газоаналитических методов является сочетание возможности регистрации низкого содержания газов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, и минимизация ложных срабатываний. Нами было обнаружено, что учет текущего содержания фоновых газов позволяет многократно повысить чувствительность системы, а также существенно снизить число ложных срабатываний, возникающих по причине обнаружения сенсорами сторонних газов.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что обнаружение газов, выделяющихся при нагревании контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, происходит контролирующим сенсором с учетом концентрации фоновых газов, определяемой сенсором сравнения в воздухе вблизи контролируемой зоны. Причем контролирующий сенсор устанавливается в одной области с контролируемым элементом (контролируемой зоне), а сенсор сравнения вблизи контролируемой зоны, но вне ее, то есть таким образом, чтобы на сенсор сравнения равным образом воздействовали все те же газы, которые воздействуют на контролирующий сенсор, за исключением газов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов. Обычно контролирующий сенсор располагают внутри электрооборудования рядом или над контролируемым элементом (элементами), а сенсор сравнения - либо снаружи электроустановки, либо в другой части электроустановки (соседнем отсеке или ячейке). Сенсор сравнения задает нулевое значение (базовую линию), относительно которой контроллер анализирует содержание газа в контролируемой зоне и принимает решение о формировании тревожного извещения; и/или позволяет отличить ложное срабатывание от истинного по разнице сигналов, зафиксированных сенсором сравнения и контролирующим сенсором. Такой подход позволяет снизить пороговое значение содержания контролируемых газов при формировании тревожного извещения и снизить вероятность ложных срабатываний. Кроме того, поскольку сенсор сравнения эксплуатируется в тех же условиях, что и контролирующий сенсор, отравление чувствительного элемента, температурная зависимость сигнала, а также другие параметры сенсора сравнения и контролирующего сенсора будут близки. Это позволяет еще больше повысить чувствительность метода. Принимая во внимание экспоненциальную зависимость скорости развития дефекта от температуры, использование сенсора сравнения позволяет существенно увеличить выявляемость дефектов на ранних стадиях и сократить количество ложных срабатываний.

В простейшем случае система принимает значение сигнала I_ср, характеризующего содержание фоновых газов и сформированного одним или несколькими сенсорами сравнения, за базовую линию. Контроллер формирует извещение о перегреве при отклонении значения сигнала I_к, характеризующего содержание сигнальных газов и зафиксированного одним или несколькими контролирующими сенсорами, от этой базовой линии в сторону увеличения в соответствии с формулой: В случае непревышения значения сигнала I_к над значением сигнала I_ср или равенства значений этих сигналов, т.е. когда формирования контроллером извещения о перегреве не происходит. Таким образом, использование системы по заявляемой группе изобретений позволяет распознавать и отфильтровать ложные срабатывания путем сравнения значений сигналов, регистрируемых контролирующим сенсором, со значениями сигналов, регистрируемых сенсором сравнения, по простейшему алгоритму, приведенному выше, или по более сложным алгоритмам, раскрытым в описании ниже.

В настоящем изобретении могут использоваться различные методики сравнения значений зарегистрированных сенсорами сигналов, характеризующих содержание газов: могут сравниваться абсолютные значения сигналов в каждый момент времени, усредненные значения сигналов за различный временной период, интегральные или дифференциальные значения сигналов (в последнем случае будет учитываться не сами относительные значения сигналов, а скорость их роста), усредненные значения сигналов, полученные с нескольких внешних сенсоров сравнения или контролирующих сенсоров. Все эти подходы позволяют оптимизировать работу системы к конкретной прикладной задаче, поскольку каждый тип дефекта имеет свои особенности развития. Общим во всех случаях является то, что анализируются сигналы, зарегистрированные контролирующим сенсором, фиксирующем суммарное содержание фоновых и сигнальных газов, и сенсором сравнения, фиксирующем концентрацию только фоновых газов.

Учет текущего содержания фоновых газов посредством определения их концентрации в воздухе вблизи контролируемой зоны позволяет снизить пороговую концентрацию сигнального газа, необходимую для формирования извещения, а также распознавать и минимизировать ложные срабатывания, связанные с изменением во времени состава атмосферных (фоновых) газов. Раннее выявление дефектов, связанных с перегревами элементов электрооборудования, обеспечивает повышение надежности и безопасности эксплуатации электрооборудования.

Заявленная система может содержать более одного S_ср, и/или более одного S_к. В случае, если система содержит более одного S_ср, формирование извещения о перегревах элементов электрооборудования и/или передачи информации о таких перегревах на другое устройство может происходить сравнением заранее усредненных значений сигналов, характеризующих содержание фоновых газов, детектируемых всеми или некоторыми S_ср с одинаковым или различным вкладом каждого отдельного сенсора. Аналогично при использовании нескольких контролирующих сенсоров могут применяться различные алгоритмы расчета значения сигнального газа: по усредненной концентрации или по меньшему зафиксированному значению сигнала.

В ряде случаев система может реализовывать адаптивную логику работы. В этом случае установленное пороговое значение концентрации изменяется в процессе эксплуатации исходя из максимального изменения (амплитуды колебания) сигналов контролирующего сенсора или сенсора сравнения в течение длительного периода. Такой подход является предпочтительным, поскольку в зависимости от внешних условий и особенностей контролируемого электрооборудования достоверно определить пороговые значения сигнального газа не всегда возможно, а использование единого фиксированного (универсального) порогового значения для всех типов электроустановок может привести либо к ложным срабатываниям, либо, напротив, к снижению чувствительности системы. В случае адаптивной логики контроллер формирует извещение о перегреве при превышении сигнала контролирующего сенсора сигнала сенсора сравнения не на фиксированное значение пороговой величины, а на постоянно изменяющееся значение порога. В самом простом случае значение адаптивного порога может быть равно максимальной разнице значений между контролирующим сенсором и сенсором сравнения, умноженной на константу (значение которой, преимущественно, находится в диапазоне от 2 до 5). В другом варианте расчета массив значений сигналов, полученных со всех сенсоров сравнения, формирует дисперсию (т.е. меру разброса) значений сигналов фоновых газов относительно усредненного значения этих сигналов. На основе этих данных контроллер также может рассчитывать стандартное отклонение, обычно представляющее собой квадратный корень из дисперсии, или рассчитываемое другими методами расчета. Формирование извещения о перегреве происходит только в том случае, если сигнал, зарегистрированный одним из S_к, выбивается из множества, сформированного дисперсией или стандартным отклонением от усредненного значения сигналов S_ср. Если же значения S_к лежат в пределах указанного множества, то формирование извещения о перегреве не происходит. При этом весь набор вычисляемых величин формируется в зависимости от данных, полученных со всех S_к и S_ср, в каждый момент времени.

Адаптивное пороговое значение и использование описанного выше принципа работы системы в случае наличия нескольких S_ср и/или S_к дополнительно увеличивает достоверность выявления перегревов электрооборудования, поскольку позволяет уменьшить абсолютное значение пороговой концентрации, при определении которой сенсором S_к происходит срабатывание системы, и делает систему независимой от установленных пороговых значений.

В случае, если система содержит более одного S_к, формирование извещения о перегревах элементов электрооборудования и/или передачи информации о таких перегревах на другое устройство может происходить при превышении усредненного значения сигналов, характеризующих содержание газов, зарегистрированных всеми или некоторыми S_к, с одинаковым или различным вкладом превышенных значений сигналов, зарегистрированных каждым отдельным S_к. Увеличение числа контролирующих сенсоров дополнительно способствует повышению достоверности выявления перегревов элементов электрооборудования, особенно в крупногабаритном электрооборудовании, например, таком как распределительные шкафы большого объема, поскольку каждый S_к будет анализировать определенный окружающий его объем воздуха. Газы, выделяющиеся при перегреве элементов оборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, первоначально локализованы в непосредственной близи от места перегрева и распространяются по объему электрооборудования с течением времени вследствие диффузионных процессов, скорость которых зависит от многих факторов, например, принудительной вентиляции. В этом случае важно, чтобы S_к находился как можно ближе к месту перегрева для снижения задержки формирования системой извещения о локальных перегревах. Поэтому размещение нескольких S_к в различных местах контролируемых зон позволит своевременно выявлять предпожарные ситуации, связанные с выделением продуктов полимерной изоляции и других материалов.

В другом варианте осуществления система может использовать комбинацию фиксированного порогового значения и адаптивной логики и основываться на расчете и сравнении бегущих средних параметров, зафиксированных сенсором. Контроллер, получая данные от контролирующего сенсора, рассчитывает два показателя: длительное бегущее среднее, вычисляемое как среднее значение зафиксированных параметров за длительный промежуток времени, характеризующий скорость изменения параметров воздушной смеси, не связанного с перегревом контролируемого элемента (обычно более 5 минут) и короткое бегущее среднее, вычисляемое за временной период, равный времени активного роста концентрации сигнальных газов, при достижении контролируемым элементом пороговой температуры (предпочтительно, менее одной минуты). Длительное бегущее среднее фактически характеризует наличие фоновых газов, концентрация которых обычно медленно изменяется во времени, и задает базовую линию, относительно которой ведется сравнение короткого бегущего среднего, характеризующего усредненную концентрацию сигнальных газов. Пороговое значение разницы короткого и длительного бегущих средних (вычисляемой как разность этих параметров или по более сложным алгоритмам) может либо задаваться при изготовлении, проектировании, вводе в эксплуатацию оборудования, пуско-наладочных работах, либо настраиваться в автоматическом режиме с учетом колебания концентрации фоновых газов в процессе эксплуатации, фиксируемых в том числе сенсором сравнения. Точность и чувствительность системы можно регулировать, выбирая временной промежуток для расчета длительного бегущего среднего: чем более длительный период времени берется в расчет, тем меньший вклад в значение короткого бегущего среднего будут вносить фоновые газы. Такая регулировка также может осуществляться в автоматическом режиме в зависимости от данных, получаемых с сенсора сравнения. Наличие S_cp необходимо не только для корректировки адаптивного порога и временного периода для определения длительного бегущего среднего, но и для подтверждения превышения порогового значения контролирующим сенсором, в случае резкого нарастания концентрации сигнальных газов в окружающем воздухе по причинам, не связанным с перегревом контролируемых элементов.

Как правило, средний объем одной ячейки электрооборудования (например, электрических щитов, комплектных распределительных устройств, низковольтных комплектных устройств, коробок блока распределения начал обмоток и др.) составляет от 100 л до 1000 л (1 м³). Экспериментально было установлено, что масса продуктов, выделяющихся из изоляционных материалов при перегревах элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, на определение содержания которых настроены газовые сенсоры, не превышает 1 г. При нормальных условиях молярный объем любого газа принимается за 22.4 л/моль, молярная масса воздуха равна 29 г/моль, а средняя молярная масса сигнальных газов составляет 200 г/моль. Тогда концентрация измеряемых продуктов в контролируемой зоне будет составлять в среднем 30-300 ррm. Поэтому для надежной и достоверной работы система должна фиксировать превышение сигнальных газов в диапазоне 30-300 ррm. При этом концентрация других газов, которые также могут улавливаться сенсорами, значительно выше, например, концентрация CO₂ в атмосфере в некоторых случаях может достигать 1000 ppm и выше. Этот факт дополнительно свидетельствует о необходимости использования датчика сравнения.

Как было отмечено выше, для осуществления непрерывного контроля выделения газов, образующихся при перегреве элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, не целесообразно количественно определять только одно конкретное вещество, а необходимо фиксировать группу схожих по строению веществ. Для этой цели необходимо подобрать сенсор, изменяющий какой-либо параметр при адсорбции или реакции с определенным классом веществ. Например, сенсор может измерять проводимость среды между двумя чувствительными элементами, зависящую от состава этой среды, и формировать сигнал, значение которого будет тем выше, чем больше содержание газов, вызвавших это изменение. В данном случае абсолютная концентрация сигнальных газов будет неизвестна, однако ее изменение приведет к изменению одного из параметров сенсора, что приведет к формированию газовым сенсором сигнала и будет свидетельствовать об изменении состава воздушной среды. Сенсоры, детектирующие изменение состава газовоздушной среды по косвенному изменению их параметров и формирующие сигнал, пропорциональный этому изменению, широко распространены в различных газоаналитических системах, благодаря их удобству, надежности, простоте использования, компактности и низкой стоимости, и поэтому их использование предпочтительно, рамках заявленной группы изобретений.

В качестве газовых сенсоров в заявленной группе изобретений могут применяться полупроводниковые, термокаталитические, кондуктометрические, электрохимические, оптические и другие виды сенсоров, каждый из которых обладает рядом особенностей.

Термокаталитические сенсоры осуществляют контроль тепловыделения, возникающего в результате окисления анализируемого газа на поверхности термокаталитического элемента, представляющего собой нагретую до высокой температуры платиновую нить, покрытую слоем катализатора, а значение тепловыделения напрямую зависит от величины мольной концентрации этого газа. Их преимуществами является высокое быстродействие и наличие взрывонепроницаемой оболочки, однако термокаталитический элемент быстро деградирует, а сам сенсор имеет высокое энергопотребление и требует постоянного подключения к электрической сети, что ограничивает область их использования.

Принцип работы электрохимических сенсоров основан на взаимодействии анализируемого газа с чувствительным слоем, расположенным непосредственно на рабочем электроде или в слое раствора электролита возле него. Такие сенсоры обеспечивают высокую избирательность и точность измерения, однако наличие жидкого электролита снижает срок их службы и делает их менее предпочтительными для использования в электроустановках.

Оптические газовые сенсоры основаны на поглощении газами определенных длин волн, как правило, в инфракрасном диапазоне. При этом коэффициент поглощения прямо пропорционален концентрации газов. Преимуществом оптических сенсоров является долгий срок службы и отсутствие эффекта старения, поскольку чувствительный элемент сенсора защищен от воздействия анализируемых газов. Сенсоры этого типа также могут работать в широком диапазоне концентраций. Однако, несмотря на то, что оптические сенсоры можно настраивать на поглощение определенных длин волн, такие сенсоры высоко чувствительны к концентрации воды, углекислого газа и других соединений, которые могут содержать в атмосфере (например, паров ЛВЖ). Это приводит к значительным колебаниям измеряемых параметров и контролирующего сенсора, и сенсора сравнения во времени. Последнее обстоятельство препятствует снижению порога чувствительности такого типа сенсоров. Настройка оптических сенсоров на определение поглощения длин волн, позволяет повысить селективность и чувствительность, однако существенно усложняет систему.

Полупроводниковые сенсоры являются одним из основных типов сенсоров, используемых в газоаналитических системах. Их принцип действия основан на изменении сопротивления чувствительного слоя при воздействии на него измеряемого газа. В качестве такого чувствительного слоя, как правило, используются широкозонные полупроводники (оксиды и халькогениды металлов: SnO₂, ZnO, ТiO₂, WO₃, SnO₂ и др.), обратимая хемосорбция измеряемых газов на которых приводит к обратимым изменениям проводимости. Их преимуществом является не только высокая чувствительность, широкий динамический диапазон измеряемых концентраций, но и низкое энергопотребление.

Предпочтительность использования сенсоров данного типа для заявленной системы автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования обуславливается тем, что при перегреве изоляционных материалов контролируемых элементов электрооборудования, как правило, включающих в себя сшитый полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), каучук, силикон, эпоксидную смолу и др., выделяются газы-восстановители (например, этилен, винилхлорид, изопрен, бутилен, HCl, Н₂, СО и др.), которые могут определяться окислительными полупроводниковыми материалами в низких концентрациях. В то же время полупроводниковые сенсоры слабо реагируют на продукты полного окисления органических веществ, например, СО₂, кислород, и иные вещества с низкой реакционной способностью, которые присутствуют в воздухе в относительно высоких концентрациях. Это позволяет дополнительно повысить чувствительность системы и обеспечить ее надежное срабатывание при малых концентрациях веществ, образующихся в результате перегревов элементов электрооборудования (например, возникновения частичных дуговых разрядов), свидетельствующих о начальном этапе развития дефекта.

При этом, следует отметить, что заявленная группа изобретений не ограничивается использованием газового сенсора определенного типа. Для надежной и достоверной работы заявленной группы изобретений немаловажным критерием при выборе типа используемых сенсоров является селективная регистрация продуктов, выделяющихся при перегреве изоляционных материалов элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, относительно газов, которые могут присутствовать в атмосфере при нормальном режиме работы системы. К таким газам следует отнести: ЛВЖ, используемые при обслуживании электроустановок, а также при проведении ремонтных и лакокрасочных работ; дымовые газы, выделяющиеся при работе двигателей внутреннего сгорания, котелен, газовых турбин и пр; метан, пары бензина или дизельного топлива, выбросы химических предприятий; одоранты; моющие и дезинфицирующие средства и пр.

Все описанные выше сенсоры, которые могут быть использованы в заявленной группе изобретений, обеспечивают непрерывную и многократную регистрацию продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, а также фоновых газов как в контролируемой зоне, так и за ее пределами на протяжении всего срока службы, что также обеспечивает надежность выявления перегревов элементов электрооборудования.

В предпочтительном случае выполнения сенсоры, используемые в заявленной системе, являются сенсорами полупроводникового типа, чувствительный элемент которых выполнен с возможностью непрерывного или многократного обнаружения газов, выделяющихся при нагревании изоляционных материалов, включающих, в частности, сшитый полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), каучук, силикон, эпоксидную смолу. В частности, сенсоры выполнены с возможностью регистрации указанных газов в концентрациях от 30-100 ррm.

Для повышения чувствительности системы и обнаружения дефектов с температурой нагрева ниже температуры термодеструкции изоляционных материалов в дополнение к сенсору сравнения предпочтительно использование термоактивируемых газовыделяющих материалов (ТГМ). В частных случаях чувствительный элемент сенсоров выполнен с возможностью регистрации продуктов, выделяющихся при нагреве термоактивируемых материалов, предпочтительно многократного действия, входящих в состав изделий или покрытий, установленных или нанесенных на контролируемые элементы электрооборудования.

ТГМ содержат в своем составе капсулированный или иным образом герметично изолированный от окружающей среды сигнальный газ, выделение которого происходит при относительно невысокой температуре. Существующие на рынке капсулированные материалы обладают высоким содержанием сигнальных газов (более 30%) и заданной с достаточно высокой точностью начальной температурой газовыделения. ТГМ обычно используют в составе специальных наклеек, клипс, лаков или покрытий.

Термоактивируемые газовыделяющие материалы целесообразны для использования в следующих случаях:

- контроль перегрева металлических элементов, не покрытых полимерными материалами и не способных выделять сигнальный газ при перегреве;

- контроль других элементов электроустановки при температуре, ниже начала разложения (термодеструкции) полимерных материалов;

- избирательный контроль отдельных элементов (тех, на которые нанесены или установлены ТГМ);

- повышение чувствительности системы и снижения количества ложных срабатываний в силу того, что количество сигнальных газов, выделяющихся из ТГМ, существенно выше, чем при разложении полимерной изоляции. Сигнальные газы, содержащиеся в ТГМ, могут быть выбраны таким образом, чтобы чувствительность и селективность сенсора по отношению к этим газам была максимальной.

Другим преимуществом использования термоактивируемых газовыделяющих материалов является возможность регистрации температуры перегрева контролируемого элемента за счет использования ТГМ с заданной пороговой температурой.

Выделение газа из термоактивируемых материалов при нагревании до пороговой температуры, как правило, происходит скачкообразно, что приводит к резкому нарастанию концентрации сигнальных газов. Это позволяет повысить достоверность выявления перегревов элементов электрооборудования, особенно применительно к описанной в настоящей заявке алгоритмам срабатывания системы. Кроме того, как уже говорилось выше, сигнальные газы, используемые в ТГМ, как правило, выбираются таким образом, чтобы их измеряемые параметры находились за пределами областей, перекрывающихся параметрами фоновых газов, что позволяет более селективно настроить чувствительные элементы сенсоров, тем самым увеличив их чувствительность. Высокая чувствительность позволяет использовать изделия, включающие ТГМ, относительно небольших размеров, например, наклейки длиной 1-20 см, и толщиной 0,5-5 мм, или покрытия, включающие ТГМ. С одной стороны, содержание сигнальных газов в таких изделия (покрытиях) невелико, ввиду небольшого объема термочувствительного слоя. С другой стороны, это количество оказывается достаточным для надежной регистрации перегрева. Небольшой размер изделий, содержащих ТГМ, позволяет устанавливать их на небольшие элементы электроустановок: провода, сечением от 0,75 мм², клеммники, колодки, автоматические выключатели и прочее небольшое оборудование, контроль перегрева которого другими методами невозможен. Другим важным преимуществом повышения чувствительности описанным способом является возможность использования изобретения, включающего ТГМ, даже в вентилируемых электроустановках.

Таким образом, использование системы по настоящей группе изобретений совместно с ТГМ позволяет существенно повысить чувствительность, снизить вероятность ложных срабатываний и зарегистрировать достижение перегрева локальных элементов до заданных температур до развития аварийных дефектов или пожара.

В электрооборудовании, как правило, нагревы связаны с током нагрузки. Зависимость является квадратичной и подчиняется закону Джоуля-Ленца. Поскольку нагрузка электрооборудования зачастую значительно меняется в течение эксплуатации, после возникновения дефекта нагрев может происходить циклично. В этом случае материалы изоляции нагреваемого элемента будут постепенно, от цикла к циклу, выделять небольшую порцию сигнального газа, вплоть до полной деструкции материала. В этом случае система по заявленной группе изобретений будет формировать извещение при каждом перегреве. В случае с термоактивируемыми газовыделяющими материалами, как уже было сказано выше, многократность регистрации может обеспечиваться особенностями структуры ТГМ, например, содержание большого количества микрокапсулированных частиц разного размера и разной температуры вскрытия.

В заявленной группе изобретений в качестве изделий, включающих ТГМ, предпочтительно использование термоактивируемых газовыделяющих наклеек многократного действия, выполненных из полимерного композиционного материала, содержащего непрерывную фазу, образованную термореактивным полимером, поры которого заполнены серосодержащим одорантом или фреоном [ЕА 201890482, дата публикации 29.06.2018]. Благодаря особой структуре материала и использованию термореактивных полимеров, при достижении заданной температуры происходит вскрытие только части пор с высвобождением содержащегося в них газа и сохранением целостности остальных пор, что обеспечивает многократность газовыделения в повторяющихся циклах нагрева/охлаждения. Поэтому использование таких термоактивируемых наклеек обеспечивает возможность многократного детектирования перегревов элементов электрооборудования без замены системы или отдельных ее частей. Кроме того, в данных наклейках сочетание полимерного композиционного материала с одорантами, заполняющими его поры, обеспечивает не только целостность материала при температурах, близких, но не достигших температуры вскрытия, но и взрывное разрушение части пор при нагреве до пороговых значений, приводящее к одномоментному высвобождению достаточного для детектирования сенсором количества сигнального газа. Таким образом, применение преимущественно термоактивируемых газовыделяющих наклеек, описанных в источнике [ЕА 201890482], обеспечивает многократность срабатывания системы по заявленной группе изобретений, а также ее быстродействие.

В предпочтительном варианте выполнения S_к и S_сp имеют чувствительный элемент одного типа и выполнены с возможностью регистрации газов, относящихся к классам соединений, выбираемых из списка: галогенуглероды, галогеноводороды, галогенуглеводороды, алкены, алканы, меркаптаны, кислоты или их смеси, предпочтительно, газов, выбираемых из списка: четырехфтористый углерод, тетрафторэтилен, тетрахлорэтилен, трифторлорметан, хлороформ, дихлорметан, метилхлорид, метилбромид, трифторметан, этилхлорид, винилхлорид, фтороводород, хлороводород, этилен, пропилен, бутадиен, изопрен, метан, этан, бутан, гексан, метилмеркаптан, диметилсульфид, этилмеркаптан, диэтилсульфид, азотная кислота, азотистая кислота или их смесей.

Как было отмечено выше, сенсоры газоаналитической системы по заявленной группе изобретений формируют отклик (сигнал) не на какой-либо определенный газ, а чаще всего на несколько газов (газовую смесь), на которые настроены сенсоры системы. При этом, одни газы могут вносить больший вклад в этот отклик, а другие меньший. Тем самым, контролирующий сенсор должен быть установлен таким образом, чтобы в максимальной степени обнаруживать именно продукты, выделяющиеся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, а сенсор сравнения, соответственно, должен быть установлен таким образом, чтобы в минимальной степени обнаруживать продукты, выделяющиеся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, и в максимальной степени регистрировались фоновые газы. Предпочтительным является установка контролирующего сенсора над контролируемым элементом, а сенсора сравнения таким образом, чтобы исключить попадание на него.

Значения сигналов, характеризующих содержание газов, на обнаружение которых настроены чувствительные элементы в сенсорах S_к и S_ср, передаются на контроллер, который обрабатывает данные, полученные с обоих сенсоров либо одновременно, либо с определенной задержкой во времени, определяемой экспериментально для конкретной электроустановки.

Контроллер по заявленной группе изобретений выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве после получения и обработки с помощью набора логических операций данных, полученных со связанных с ним сенсоров. Контроллер может выдавать извещение о перегревах контролируемых элементов в виде звукового, светового, графического или другого оповещения, или в виде управляющей команды, например, на отключение или снижение нагрузки. Также контроллер может передавать сформированное извещение на другое устройство, например, на внешнее приемное устройство. Тип использующегося извещения о возникновении предпожарной или аварийной ситуации определяется на основании технической документации контролируемого электрооборудования, а также удобства использования системы.

В частных случаях, контроллер выполнен с возможностью формирования извещения о перегревах элементов электрооборудования, и/или управления ими, при воздействии на S_к продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, в концентрации выше заданного предельного значения вне зависимости от текущей концентрации фоновых газов, определенных S_ср. Данная возможность позволяет выявлять быстроразвивающиеся дефекты, приводящие к мгновенному перегреву, возгоранию и превышению концентрации сигнальных газов во всех контролируемых зонах электроустановки. В этом случае своевременное отключение электроустановки позволяет предотвратить развитие пожара и минимизировать повреждение соседнего оборудования.

Для дополнительного обеспечения надежности и достоверности выявления перегревов элементов электрооборудования заявленная система может использовать различные алгоритмы при формировании извещения о перегревах элементов электрооборудования и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство.

Контроллер может использовать один или несколько из нижеперечисленных алгоритмов для обработки сигналов, полученных с газовых сенсоров:

- расчет бегущего среднего значения от каждого сенсора за заданный промежуток времени;

- корректировка опорного (нулевого) значения;

- определение приведенного бегущего среднего значения как разницы двух бегущих средних значений, полученных от одного сенсора за два различных промежутка времени, преимущественно короткого промежутка, составляющего менее одной минуты, и длительного, составляющего более 5 минут;

- сравнение приведенного бегущего среднего значения с пороговым значением и формирование извещения о перегреве в случае его превышения;

- определение среднего значения сигнала, полученного с разных сенсоров, за счет усреднения приведенных бегущих средних значений;

- сравнение разницы приведенных бегущих средних значений сигналов от сенсора сравнения и контролирующего сенсора, в том числе вычисленных за разный временной промежуток, с заданным пороговым значением;

- определение скорости роста приведенного бегущего среднего значения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- сравнение сигнала, полученного с контролирующего сенсора, с установленным пороговым значением;

- определение скорости роста разницы приведенного бегущего среднего значения сигнала контролирующего сенсора и сенсора сравнения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- определение или изменение пороговых значений исходя из анализа значений сигналов, полученных от сенсоров в процессе эксплуатации;

- адаптивный порог срабатывания.

Более подробно осуществление заявленной группы изобретений, с использованием указанных алгоритмов будет описано в разделе "Осуществление изобретения".

В частных случаях, система по заявленной группе изобретений дополнительно может быть оснащена датчиками температуры для дополнительного повышения точности и определения численного значения температуры, до которой произошел перегрев.

В предпочтительных вариантах осуществления заявленная система дополнительно имеет функцию самодиагностики, информирующую о необходимости замены чувствительного элемента одного или более сенсоров, что повышает общую безопасность использования как системы, так и электрооборудования в целом. Диагностика сенсоров, как правило, заключается в регулярном автоматическом измерении сопротивления чувствительного элемента и/или нагревателя или других параметров сенсора и формировании соответствующего извещения при выходе значения сопротивления за установленные границы.

В частном случае контроллер может формировать извещение о перегреве контролируемого элемента и/или передавать информацию о таком перегреве на другое устройство при воздействии на один или более S_ср продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, а также с учетом концентрации фоновых или сигнальных газов, воздействовавших на сенсоры в течение предыдущего периода времени.

Во втором варианте указанный технический результат достигается за счет способа испытания указанной системы, включающего следующие действия:

- установка S_к в первую газовую камеру и установку S_ср во вторую газовую камеру, подключение контроллера к указанным сенсорам;

- регистрация факта срабатывания системы в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_ср путем нагрева модельного элемента в первой камере и/или определение пороговых концентраций путем дозирования модельного газа в первую камеру;

- регистрация факта отсутствия срабатывания системы при дозировании модельного газа в обе камеры путем заполнения первой и второй камеры фоновым или модельным газом

или

определение пороговых концентраций срабатывания системы путем раздельного дозирования модельного газа в первую и вторую камеры.

При этом, нагрев модельного элемента может включать нагрев термоактивируемого газовыделяющего материала, преимущественно, входящего в состав термоактивируемой газовыделяющей наклейки, предпочтительно многократного действия, установленной на контролируемый элемент в газовой камере с контролирующим сенсором.

Контроллер может быть также совмещен с одним из сенсоров. В этом случае в одну из газовых камер устанавливают такой совмещенный с контроллером сенсор, а другой сенсор, установленный в другую газовую камеру, подключают к контроллеру посредством проводной или беспроводной связи.

Указанный способ обеспечивает четкую регламентированную проверку соответствия системы условиям и алгоритмам, описанным в первом объекте заявленной группы изобретений, для ее дальнейшего использования при выявлении перегревов элементов электрооборудования.

В третьем варианте указанный технический результат достигается за счет способа автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающий:

- размещение системы по первому варианту, при котором

по меньшей мере один газовый сенсор S_к устанавливается внутри контролируемой зоны;

по меньшей мере один газовый сенсор S_ср устанавливается вне контролируемой зоны;

контроллер устанавливается в произвольном месте и связывается с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один S_к и как минимум один S_cp, проводной или беспроводной связью, а также дополнительно может связываться с другим устройством;

- обработка сформированного контроллером извещения о перегреве с последующей выдачей информационного сообщения и/или передачей данных на другое устройство.

Контролирующий сенсор (S_к) может быть установлен внутри электроустановки вблизи контролируемых элементов электрооборудования, то есть внутри контролируемой зоны, таким образом, чтобы регистрировать продукты, выделяющиеся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, а сенсор сравнения S_cp может быть установлен во внешней зоне, т.е. вне контролируемой зоны, но вблизи ее, таким образом, чтобы определять концентрацию фоновых газов в отсутствии продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов. Сенсор сравнения также может быть размещен в другой части электроустановки. Допускается установка сенсора сравнения в контролируемой зоне, в таком месте, в котором концентрация сигнального газа будет минимальной. Например, в месте притока воздуха или в самой нижней части установки. Возможность такой установки сенсора сравнения обусловлена тем, что продукты, выделяющиеся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, имеют температуру выше окружающей и поднимаются наверх.

В частном случае, контроллер формирует извещение о перегреве контролируемого элемента и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство при воздействии на по меньшей мере на один S_ср продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов. Иными словами, в этом случае сенсор сравнения одновременно выполняет функцию контролирующего сенсора, но для элементов того отсека электроустановки (контролируемой зоны), в котором он установлен.

В случае, если контроллер совмещен с одним из газовых сенсоров, он размещается сообразно расположению этого газового сенсора, при этом остальные сенсоры системы связываются с ним посредством проводной или беспроводной связи. В случае отдельно выполненного контроллера, который связывается со всеми сенсорами системы посредством проводной или беспроводной связи, его место размещения не влияет на работу системы по изобретению. Отмечается, что рекомендуется установка контроллера в месте, удобном для монтажа и обслуживания в процессе эксплуатации системы.

Группа изобретений, в частных случаях, предназначена для выявления перегревов контактов и контактных соединений закрытого электрооборудования, включая контактные соединения электрических щитков, комплектных распределительных устройств, низковольтных комплектных устройств, коробок блока распределения начал обмоток. Также группа изобретений может быть предназначена для выявления перегревов изолирующих материалов элементов электрооборудования, включая кабельные муфты, а также для предупреждения возгораний и выявления дефектов изолирующих материалов элементов электрооборудования, возникающих вследствие прохождения дуговых разрядов.

Краткое описание чертежей

Группа изобретений будет более понятна из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая контролирующий газовый сенсор S_к, установленный внутри контролируемой зоны вблизи контролируемого элемента электрооборудования, газовый сенсор сравнения S_cp, установленный во внешней зоне, вне контролируемой зоны, и контроллер, соединенный с обоими сенсорами проводной (а) и беспроводной (б) связью.

Фиг. 2 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая контролирующий газовый сенсор S_к, установленный внутри контролируемой зоны вблизи контролируемого элемента электрооборудования, газовый сенсор сравнения S_cp, установленный во внешней зоне, вне контролируемой зоны, и контроллер, соединенный с обоими сенсорами проводной (а) и беспроводной (б) связью, причем контролируемый элемент дополнительно содержит термоактивируемый газовыделяющий материал (ТГМ). На фиг. 2 приведен частный случай с использованием термоактивируемой газовыделяющей наклейки в качестве ТГМ.

Фиг. 3 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая контролирующий газовый сенсор S_к, помещенный в первую газовую камеру (а) или в газовую камеру, содержащую нагревательный элемент с ТГМ (б), газовый сенсор сравнения S_ср, помещенный во вторую газовую камеру, и контроллер, соединенный с обоими сенсорами проводной связью. На фиг. 3б приведен частный случай с использованием термоактивируемой газовыделяющей наклейки в качестве ТГМ.

Фиг. 4 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая контролирующий газовый сенсор S_к, установленный внутри контролируемой зоны вблизи контролируемого элемента электрооборудования, несколько газовых сенсоров сравнения S_cpn, установленных во внешней зоне, вне контролируемой зоны в различных местах, и контроллер, соединенный со всеми сенсорами проводной (а) и беспроводной (б) связью. На фиг. 4 приведен частный случай с тремя сенсорами сравнения (n=3).

Фиг. 5 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая несколько контролирующих газовых сенсоров S_кm, каждый из которых установлен внутри отдельной контролируемой зоны вблизи контролируемых элементов электрооборудования, несколько газовых сенсоров сравнения S_cpn, установленных во внешней зоне, вне этих контролируемых зон, и контроллер, соединенный со всеми сенсорами проводной (а) и беспроводной (б) связью. На фиг. 5 приведен частный случай с тремя контролирующими сенсорами (m=3) и тремя сенсорами сравнения (n=3).

Фиг. 6 - Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая контролирующий газовый сенсор S_к, установленный в верхней части внутри контролируемой зоны вблизи контролируемого элемента электрооборудования, газовый сенсор сравнения S_ср, установленный в нижней части внутри контролируемой зоны, удаленно от контролируемого элемента, и контроллер, соединенный с обоими сенсорами проводной (а) и беспроводной (б) связью.

Фиг. 7 - Схематичный график зависимости интенсивности I сигнала, фиксируемого газовым сенсором, от параметра X газовой смеси в отдельности для фоновых газов, продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования, и газов, выделяющихся при перегреве установленных на контролируемые элементы электрооборудования термоактивируемых газовыделяющих материалов (а) и в обобщенном виде (б).

На фиг. 1 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, размещенная на электрооборудовании таким образом, что контролирующий газовый сенсор S_к 5 расположен в контролируемой зоне 1, в непосредственной близости от контролируемого элемента электрооборудования 2, для обеспечения возможности регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 данного элемента, а газовый сенсор сравнения S_ср 6 расположен во внешней зоне за пределами контролируемой зоны 1, вне электрооборудования так, чтобы регистрировать фоновые газы без регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемого элемента 2, при этом оба сенсора соединены с контроллером 7 проводной (фиг. 1а) или беспроводной (фиг. 1б) связью 10 или 11, соответственно (варианты исполнения системы).

На фиг. 2 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, размещенная на электрооборудовании таким образом, что контролирующий газовый сенсор S_к 5 расположен в контролируемой зоне 1, в непосредственной близости от контролируемого элемента электрооборудования 2, на котором расположен ТГМ 8, для обеспечения возможности регистрации продуктов (газов) 4, выделяющихся при активации этого материала 8 в результате перегрева 3 данного элемента, а газовый сенсор сравнения S_ср 6 расположен во внешней зоне за пределами контролируемой зоны 1, вне электрооборудования так, чтобы регистрировать фоновые газы без регистрации продуктов 4, выделяющихся при активации материала 8 в результате перегрева 3 контролируемого элемента 2, при этом оба сенсора соединены с контроллером 7 проводной (фиг. 2а) или беспроводной (фиг. 2б) связью 10 или 11, соответственно (варианты исполнения системы). На фиг. 2 приведен частный случай, в котором в качестве ТГМ используется термоактивируемая газовыделяющая наклейка.

На фиг. 3 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, установленная в газовых камерах для иллюстрации способа использования и способа испытания этой системы, таким образом, что контролирующий газовый сенсор S_к 5 размещают в первой газовой камере 9 (фиг. 3а), или в первой газовой камере 9, содержащей контролируемый нагревательный элемент 2, на котором расположен ТГМ 8 (на фиг. 3б в качестве примера использования ТГМ представлена термоактивируемая газовыделяющая наклейка), выделяющий в результате перегрева 3 газы 4, на регистрацию которых настроены сенсоры, а газовый сенсор сравнения S_cp размещают во второй газовой камере 9, при этом оба сенсора соединены с контроллером 7 проводной связью 10 (варианты исполнения системы).

На фиг. 4 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, размещенная на электрооборудовании таким образом, что контролирующий газовый сенсор S_к 5 расположен в контролируемой зоне 1, в непосредственной близости от контролируемого элемента 2, для обеспечения возможности регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 данного элемента, три газовых сенсора сравнения 6 расположены во внешней зоне за пределами контролируемой зоны 1, вне электрооборудования в различных местах (например, сверху, снизу и сбоку, как показано на фиг. 4) так, чтобы регистрировать фоновые газы без учета содержания продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемого элемента 2, при этом все сенсоры соединены с контроллером 7 проводной (фиг. 4а) или беспроводной (фиг. 4б) связью 10 или 11, соответственно (варианты исполнения системы с тремя сенсорами сравнения и одним контролирующим сенсором).

На фиг. 5 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, размещенная на электрооборудовании, состоящим из трех замкнутых контролируемых зон ЭО1-ЭО3, таким образом, что контролирующие газовые сенсоры 5 расположены в контролируемых зонах 1, в непосредственной близости от контролируемых элементов 2 внутри соответствующих замкнутых контролируемых зон 1 ЭО1-ЭО3 для обеспечения возможности регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 данных элементов, три газовых сенсора сравнения 6 расположены во внешней зоне за пределами контролируемых зон 1, вне замкнутых объемов электрооборудования так, чтобы регистрировать фоновые газы без учета содержания продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2, при этом все сенсоры соединены с контроллером 7 проводной (фиг. 5а) или беспроводной (фиг. 5б) связью 10 или 11, соответственно (варианты исполнения системы с тремя сенсорами сравнения и тремя контролирующими сенсорами).

На фиг. 6 представлена система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, размещенная на электрооборудовании таким образом, что контролирующий газовый сенсор S_к 5 расположен в верхней части внутри контролируемой зоны 1, в непосредственной близости от контролируемого элемента 2, для обеспечения возможности регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 данного элемента, а газовый сенсор сравнения S_cp 6 расположен в нижней части внутри контролируемой зоны 1 так, чтобы регистрировать фоновые газы без регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемого элемента 2, при этом оба сенсора соединены с контроллером 7 проводной (фиг. 6а) или беспроводной (фиг. 6б) связью 10 или 11, соответственно (варианты исполнения системы).

На фиг. 7а в схематичном виде представлен приблизительный график зависимости интенсивности (I) сигнала, фиксируемого газовым сенсором, от параметра газовой смеси (X) в отдельности для фоновых газов (пунктирная линия, а), продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов электрооборудования (сплошная линия, b), и сигнальных газов (жирная линия, с). График показывает возможное перекрывание сигнала, характеризующего содержание продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов, сигналами, характеризующими содержание фоновых газов, даже в области максимальной интенсивности I_max, а также предпочтительное расположение сигнала, характеризующего содержание газов, выделяющихся из термоактивируемых газовыделяющих материалов, относительно сигналов, характеризующих содержание фоновых газов. На фиг. 7б в схематичном виде представлен приблизительный график зависимости интенсивности (I) сигнала, фиксируемого газовым сенсором, от параметра газовой смеси (X) в обобщенном виде.

Осуществление заявленной группы изобретений

Группа изобретений может быть предназначена для выявления перегревов токопроводящих элементов, кабелей и кабельных муфт, контактов и контактных соединений, а также других элементов закрытого электрооборудования, включая контактные соединения электрических щитов, комплектных распределительных устройств, низковольтных комплектных устройств, коробок блока распределения начал обмоток. Также группа изобретений может быть предназначена для выявления перегревов изоляционных материалов элементов электрооборудования, включая кабельные муфты, для предупреждения возгораний электрооборудования, и выявления дефектов изоляционных материалов элементов электрооборудования, возникающих вследствие прохождения дуговых разрядов.

В соответствии с первым вариантом заявленной группы изобретений система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования (фиг. 1-2), включает: газовый сенсор S_к 5, предназначенный для обнаружения газов 4, выделяющихся при нагревании 3 контролируемого элемента 2 или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов 8; газовый сенсор S_ср 6, предназначенный для определения концентрации фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны 1; контроллер 7, выполненный с возможностью соединения с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один контролирующий сенсор S_к 5 и как минимум один сенсор сравнения S_cp 6, и формирования извещения о перегреве и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство.

В качестве газовых сенсоров в заявленной группе изобретений могут применяться сенсоры с различными типами чувствительных элементов и основанные на детектировании различных параметров воздуха. В частности, такие сенсоры могут быть полупроводниковыми, термокаталитическими, кондуктометрическими, электрохимическими, оптическими и другими.

При наличии в системе нескольких сенсоров сравнения и нескольких контролирующих сенсоров их принцип действия может различаться. Однако, в предпочтительных вариантах осуществления, условием формирования контроллером извещения о перегреве является регистрация воздействия на контролирующий сенсор продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов, с учетом концентрации фоновых газов, обнаруженных сенсором сравнения, обладающего чувствительным элементом того же типа, что и контролирующий сенсор.

Тип сенсоров, их чувствительность и количество определяется исходя из конкретной задачи, на решение которой направлено использование заявленной группы изобретений, типа контролируемого электрооборудования и других факторов. Наиболее предпочтительно использование в системе по заявленной группе изобретений сенсоров полупроводникового типа, чувствительный элемент который выполнен с возможностью определения газов, выделяющихся при нагревании следующих видов изоляционных материалов, включающих в себя, в частности, сшитый полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), каучук, силикон, эпоксидную смолу, а также при перегреве термоактивируемых газовыделяющих наклеек, установленных на контролируемые элементы, благодаря более высокой чувствительности таких сенсоров к продуктам термодеструкции изоляционных материалов контролируемых элементов электрооборудования, меньшему энергопотреблению и большему сроку службы по сравнению с другими сенсорами.

Система дополнительно может включать термоактивируемые газовыделяющие материалы, преимущественно многократного действия, входящие в состав изделий или покрытий, установленных или нанесенных на контролируемые элементы.

Газовые сенсоры 5-6 по заявленной группе изобретений должны, предпочтительно, обладать следующими техническими характеристиками: минимальная пороговая концентрация контролируемых газов составляет 100 ppm для фреонов и СО, 50 ppm для алканов и алкенов с n<4; конструктивно исполняется в виде одиночного модуля; питающее напряжение сенсоров составляет 5 В постоянного тока; срок службы составляет не менее 10 лет с даты изготовления.

Для выявления перегревов элементов электрооборудования, не покрытых изоляционными или другими материалами, подвергающимися термодеструкции или другим видам разложения при повышении температуры, система может содержать специальные термоактивируемые газовыделяющие материалы (ТГМ), предпочтительно многократного действия, которые выделяют сигнальные газы при нагреве выше пороговой температуры (фиг. 2). Такие материалы могут входить в состав термоактивируемых газовыделяющих наклеек 8, клипс или кембриков, а также термоактивируемых красок, лаков или покрытий, и могут устанавливаться или наноситься на контролируемые неизолированные элементы электрооборудования 2, при перегреве 3 которых происходит нарушение целостности слоя ТГМ 8 и выделение содержащегося в нем газа 4, на определение которого настроен контролирующий сенсор 5. Преимуществом использования таких материалов является то, что, как правило, они содержат газы, редко встречающиеся в воздухе при обычных условиях даже вблизи таких источников сторонних газов, как крупные химические производства, оживленные автомагистрали и др. Помимо этого, ТГМ имеют возможность многократного выделения газа в повторяющихся циклах нагрева/охлаждения, что обеспечивает возможность многократного детектирования перегревов элементов электрооборудования без замены системы или отдельных ее частей.

В заявленной группе изобретений преимущественно используются термоактивируемые газовыделяющие наклейки многократного действия, производимые компанией ООО "ТермоЭлектрика" и выполненные из полимерного композиционного материала, содержащего непрерывную фазу, образованную термореактивным полимером, поры которого заполнены серосодержащим одорантом или фреоном. В этом случае сенсоры системы настроены на селективные газы, выделяющиеся из этих термоактивируемых газовыделяющих наклеек. Преимуществом данных наклеек является то, что при однократном нагреве до температуры, превышающей пороговую, происходит вскрытие только части пор, заполненных одорантом, и частичное выделение газа. Способность этих наклеек многократно выделять сигнальные газы в повторяющихся циклах нагревания до пороговой температуры и охлаждения обеспечивает многократные срабатывания системы по заявленной группе изобретений.

Преимущественно, ТГМ 8 должны обладать следующим набором технических характеристик: содержание сигнального газа - не менее 50%; температура срабатывания 80-150°С; сигнальный газ, выделяющийся из ТГМ, имеет класс опасности не ниже 4-го и электрическую прочность не ниже 15 кВ/см; пороговая чувствительность сенсоров к сигнальному газу, выделяющемуся из ТГМ, составляет не менее 100 ррm; ТГМ не выделяют вредных веществ и относятся к малоопасным по степени воздействия на организм человека; сохраняют свои характеристики после пятикратного охлаждения до минимальной температуры эксплуатации с последующим нагревом до температуры, на 10°С ниже температуры срабатывания. В частности, термоактивируемые газовыделяющие наклейки, помимо приведенных выше характеристик, могут обладать также адгезией клеевого слоя к нержавеющей стали не менее 15 Н/25 мм и устойчивостью клеевого слоя в условиях воздействия различных масел, жиров, воды, кислот, солей, щелочей, растворителей; иметь электрическую прочность не менее 18 кВ/мм; минимальным радиусом изгиба при 24°С - 2 мм, при 0°С - 12 мм; срок службы составляет не менее 10 лет с даты изготовления.

В предпочтительном варианте S_к 5 и S_cp 6 выполнены с возможностью определения газов, относящихся к классам соединений, выбираемых из списка: галогенуглероды, галогеноводороды, галогенуглеводороды, алкены, алканы, меркаптаны, кислоты или их смеси, предпочтительно, газов, выбираемых из списка: четырехфтористый углерод, тетрафторэтилен, тетрахлорэтилен, трифторлорметан, хлороформ, дихлорметан, метилхлорид, метилбромид, трифторметан, этилхлорид, винилхлорид, фтороводород, хлороводород, этилен, пропилен, бутадиен, изопрен, метан, этан, бутан, гексан, метилмеркаптан, диметилсульфид, этилмеркаптан, диэтилсульфид, азотная кислота, азотистая кислота или их смесей.

Для достоверной и надежной работы системы необходимо и достаточно наличие двух сенсоров (фиг. 1): в этом случае один из них является контролирующим (5, S_к) и устанавливается внутри контролируемой зоны 1 вблизи контролируемых элементов электрооборудования 2 таким образом, чтобы определять концентрацию продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов электрооборудования 2, а другой сенсор является сенсором сравнения (6, S_ср) и устанавливается вне контролируемой зоны таким образом, чтобы определять концентрацию фоновых газов без контроля продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2. В простейшем случае, при использовании системы с одним S_cp и одним S_к, анализ сигналов, поступающих на контроллер от контролирующего сенсора и сенсора сравнения, осуществляется сравнением их разницы, вычисляемой как разность значений сигналов или по более сложным алгоритмам, в том числе с заранее заданным пороговым значением.

Однако, заявленная система может содержать более одного S_cp 6, и/или более одного S_к 5 (фиг. 4-5). В случае, если система содержит более одного S_ср 6, формирование извещения о перегреве контролируемого элемента и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство может происходить с учетом усредненного значения концентраций газов, определенных всеми или некоторыми S_ср 6, с одинаковым или различным вкладом содержания фоновых газов, концентрация которых определяется каждым отдельным S_ср 6. В случае, если система содержит более одного S_к 5, формирование извещения о перегреве 3 контролируемого элемента 2 и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство может происходить при превышении усредненной концентрации газов, обнаруженной всеми или некоторыми S_к 5, с одинаковым или различным вкладом превышенной концентрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2 электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов 8, обнаруженной каждым отдельным S_к 5, заданных пороговых значений.

Система по настоящей группе изобретений может функционировать без заданного значения пороговой концентрации. В этом случае, контроллер также может учитывать значения концентраций газов, полученных со всех или некоторых Sep, но сравнение данных, получаемых с контролирующего сенсора, будет происходить не с фиксированной пороговой величиной, а, к примеру, с динамическим усредненным значением, которое вычисляется в каждый момент времени и определенным образом зависит от концентраций, фиксируемых сенсорами сравнения.

В другом варианте осуществления заявленной системы базовая линия, характеризующая фоновое содержание газов, определяется величиной длительных бегущих средних значений сигналов, полученных с контролирующего сенсора, а текущее содержание сигнальных газов в контролируемой зоне определяется как короткое бегущее среднее значение сигналов контролирующего сенсора. Преимущественно, промежуток времени, за который вычисляется длительное бегущее среднее, составляет более 5 минут, а временной промежуток для вычисления короткого бегущего среднего составляет менее 1 минуты. Сенсор сравнения в данном случае позволяет не только отсекать ложные срабатывания, вызванные изменением концентрации фоновых газов, но и корректировать оптимальный временной промежуток бегущих средних значений и настраивать адаптивные пороги.

Другие возможные алгоритмы работы системы по заявленной группе изобретений более подробно рассмотрены ниже.

Вне зависимости от реализованного алгоритма формирования извещения о перегреве, контроллер 7, предпочтительно, выполнен с возможностью учета концентрации фоновых или сигнальных газов, воздействовавших на сенсоры 5-6 в течение предыдущего периода времени.

Сенсор сравнения 6 также может быть выполнен с возможностью регистрации продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2 электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов 8. При этом контроллер 7 также может формировать извещение о перегреве 3 контролируемого элемента 2 и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство.

Предпочтительно, сенсор сравнения выполнен с возможностью учета текущего содержания фоновых газов, зафиксированных в диапазоне 10-10000 ррm.

В частных случаях, система по заявленной группе изобретений может быть дополнительно оснащена одним или более датчиками температуры, на основании которых контроллер также может формировать тревожное извещение о перегреве. Наличие датчиков температуры позволяет дополнительно повысить надежность выявления перегревов элементов электрооборудования или определить факт возгорания.

Все присутствующие в системе сенсоры 5-6 соединяются с контроллером 7 с помощью проводной 10 или беспроводной 11 связи. Также контроллер 7 может быть соединен с одним из газовых сенсоров путем совмещения и связан с остальными сенсорами системы посредством проводной или беспроводной связи. Тем самым, контроллер 7 выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве при получении и обработке с помощью набора алгоритмов данных со всех присутствующих в системе сенсоров.

В зависимости от поставленной задачи, контроллер 7 может выдавать как извещение, информирующее о перегревах контролируемых элементов 2 электрооборудования, в виде звукового, светового, графического или другого оповещения, так и управляющее извещение, например, для отключения аварийного оборудования от сети. Также контроллер 7 может передавать извещение о перегревах контролируемых элементов электрооборудования на внешнее приемное устройство и/или обеспечивать комбинированное извещение, например, передавать извещение о перегревах контролируемых элементов электрооборудования на внешнее приемное устройство и управляющее извещение на элементы управления контролируемым электрооборудованием. Тип использующегося извещения о перегреве контролируемых элементов определяется на основании технической документации контролируемого электрооборудования, а также удобства использования системы.

Контроллер 7, используемый для заявленной системы, может обладать, предпочтительно, следующими техническими характеристиками: наличие интерфейса цифровой линии связи RS-485; наличие протокола цифровой линии связи Modbus RTU; имеет следующие элементы управления и индикации: кнопки для настройки параметров, цифровой индикатор для отображения адреса устройства и настройки параметров, светодиоды состояния подключаемых сенсоров; питающее напряжение составляет от 12 до 28 В постоянного тока (номинальное значение 24 В); имеет ЭМС-совместимость в соответствии с ГОСТ для жилых, коммерческих и производственных зон с малым энергопотреблением или для подстанций и электростанций; степень защиты корпуса составляет не менее IP 20; наличие дискретного выхода "Тревога"; срок службы составляет не менее 10 лет с даты изготовления.

Контроллер 7 может быть дополнительно выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве 3 контролируемого элемента 2 и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство при обнаружении S_к 5 продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2 электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов 8, в концентрации выше заданного предельного значения вне зависимости от текущей концентрации фоновых газов, зарегистрированных S_ср 6.

В предпочтительных вариантах осуществления заявленная система дополнительно имеет функцию самодиагностики, информирующую о необходимости замены чувствительного элемента одного или более сенсоров. Необходимость замены чувствительного элемента может быть обусловлена, в частности, его деградацией во времени или окончанием установленного срока службы.

Принимая во внимание раскрытые в описании особенности системы, стоит дополнительно отметить, что содержание как сигнальных, так и фоновых газов фиксируется сенсорами 5-6 посредством изменения определенных параметров газовоздушной среды, значения которых характеризуют концентрацию этих газов, но не определяют ее численное абсолютное значение. Как было сказано выше, сравнение параметров, полученных с S_к и S_ср, осуществляется в зависимости от настроек системы и в простейшем случае может представлять собой сравнение разности значений этих параметров с заданным пороговым значением. В более сложном случае концентрации сигнальных и фоновых газов сравниваются с пороговым значением с помощью математических алгоритмов, а в случае использования нескольких сенсоров сравнения пороговое значение может не задаваться, а параметры, полученные с S_к 5, будут анализироваться контроллером 7 в динамическом режиме путем их попадания или непопадания в множество значений, сформированного дисперсией или стандартным отклонением от усредненного значения, полученного от S_cp 6.

Система может использовать следующие алгоритмы при формировании извещения о перегреве 3 контролируемого элемента 2 и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство:

- расчет бегущего среднего значения от каждого сенсора за заданный промежуток времени;

- корректировка опорного (нулевого) значения;

- определение приведенного бегущего среднего значения как разницы двух бегущих средних значений, полученных от одного сенсора за два различных промежутка времени, преимущественно короткого промежутка, составляющего менее одной минуты, и длительного, составляющего более 5 минут;

- сравнение приведенного бегущего среднего значения с пороговым значением и формирование извещения о перегреве в случае его превышения;

- определение среднего значения сигнала, полученного с разных сенсоров, за счет усреднения приведенных бегущих средних значений;

- сравнение разницы приведенных бегущих средних значений сигналов от сенсора сравнения и контролирующего сенсора, в том числе вычисленных за разный временной промежуток, с заданным пороговым значением;

- определение скорости роста приведенного бегущего среднего значения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- сравнение сигнала, полученного с контролирующего сенсора, с установленным пороговым значением;

- определение скорости роста разницы приведенного бегущего среднего значения сигнала контролирующего сенсора и сенсора сравнения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- определение или изменение пороговых значений исходя из анализа значений сигналов, полученных от сенсоров в процессе эксплуатации;

- адаптивный порог срабатывания.

Рассмотрим их более подробно:

1. Расчет бегущего среднего значения от каждого сенсора за заданный промежуток времени. В этом случае система формирует базовую линию, относительно которой сравнивается текущая концентрация, определяемая контролирующими сенсорами 5, на основании бегущих средних значений концентраций, определенных каждым сенсором, за заданный промежуток времени. Базовая линия при этом может быть получена с помощью усреднения данных бегущих средних значений с помощью набора математических операций. Бегущее среднее рассчитывается в каждый момент времени по формуле:

где - бегущее среднее, - мгновенное значение сигнала, - время, за которое происходит усреднение, N - количество точек, по которым происходит усреднение.

2. Корректировка опорного (нулевого) значения. Вследствие того, что каждый сенсор 5-6, в зависимости от внешних условий и особенностей изготовления, может иметь немного разную чувствительность и скорость старения, для сохранения исходной высокой чувствительности и точности срабатывания системы, использующиеся в ней сенсоры должны быть выполнены с возможностью постоянного плавного учета этих особенностей. Корректировка опорного (нулевого) значения, дрейф которого происходит из-за деградации чувствительного элемента, изменения температуры и влажности окружающей среды, а также вследствие возможного наличия в атмосфере сторонних газов, выполняется для того, чтобы учесть медленные процессы, которые приводят к изменению характеристик сенсора и заведомо не связаны с выделением сигнального газа или продуктов термодеструкции изоляционных материалов. Корректировка опорного значения происходит с помощью расчета бегущего среднего за относительно длительный промежуток времени, который составляет более 5 минут.

3. Определение приведенного бегущего среднего значения как разницы двух бегущих средних значений, полученных от одного сенсора за два различных промежутка времени. Система в каждый момент времени сравнивает между собой два основных параметра: длительное бегущее среднее (опорное значение), полученное с газового сенсора за временной промежуток, преимущественно, составляющий более 5 минут, и характеризующее фоновую концентрацию газов, и короткое бегущее среднее, полученное с этого же газового сенсора за промежуток времени, предпочтительно, не превышающий 1 минуты, и характеризующее текущую концентрацию сигнальных газов в контролируемой зоне. Короткое бегущее среднее позволяет сглаживать флуктуации сигнала, происходящие на коротких временных интервалах и связанные с возможными электромагнитными помехами. Приведенное бегущее среднее определяется как разница двух полученных значений: короткого и длительного бегущих средних.

4. Сравнение приведенного бегущего среднего значения с пороговым значением и формирование извещения о перегреве в случае его превышения. Короткое и длительное бегущие средние значения вычисляются согласно алгоритму, приведенному в п. 1. Приведенное бегущее среднее значение концентрации получают с использованием двух значений: короткого и длительного бегущих средних - как результат их разницы или вычисляется с помощью более сложного математического алгоритма. Формирование извещения о перегреве происходит при превышении приведенного бегущего среднего значения определенного заданного порогового значения.

5. Определение среднего значения сигнала, полученного с разных сенсоров, за счет усреднения приведенных бегущих средних значений. Система определяет короткое и длительное бегущие средние значения согласно приведенному в п. 1 алгоритму, однако при наличии нескольких контролирующих сенсоров 5 и/или нескольких сенсоров сравнения 6, полученные данные усредняются с помощью набора математических операций. Для формирования извещения о перегреве происходит сравнение усредненных значений с помощью вычисления их разности или по более сложным алгоритмам.

6. Сравнение разницы приведенных бегущих средних значений сигналов от сенсора сравнения и контролирующего сенсора, в том числе вычисленных за разный временной промежуток, с заданным пороговым значением. Короткое и длительное бегущие средние значения вычисляются для всех контролирующих сенсоров и сенсоров сравнения согласно алгоритму, приведенному в п. 1. Данные, полученные с S_ср 6, учитываются для исключения ложных срабатываний. Сравнение может осуществляться за некоторый промежуток времени, длительность которого определяется экспериментально и учитывает задержку на поступление и выветривание газа из контролируемой зоны, характеризующую степень негерметичности электрооборудования.

7. Определение скорости роста приведенного бегущего среднего значения и ее сопоставление с установленным пороговым значением. Приведенное бегущее среднее значение вычисляется аналогично алгоритму, приведенному в п. 3. Скорость нарастания приведенного бегущего среднего значения концентрации сигнального газа, зафиксированного газовым сенсором 5-6, в случае отсутствия перегревов контролируемых элементов, должна быть равна нулю. В случае возникновения перегрева 3, приводящего к выделению продуктов 4, на регистрацию которых настроен газовый сенсор 5, значение скорости нарастания приведенного бегущего среднего будет увеличиваться скачкообразно, что приведет к формированию контроллером 7 извещения о перегреве, даже если пороговая концентрация не была достигнута.

8. Сравнение сигнала, полученного с контролирующего сенсора, с установленным пороговым значением. Система может формировать извещение о перегреве 3 в случае регистрации контролирующим сенсором 5 резкого существенного нарастания концентрации продуктов 4 (превышения порогового значения в несколько раз), выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2 электрооборудования или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов 8, и превышения установленных пороговых значений без учета концентрации фоновых газов, определенной сенсором сравнения 6. Например, такая ситуация может возникнуть при горении электрической дуги или возгорании изоляционных материалов.

9. Определение скорости роста разницы приведенного бегущего среднего значения сигнала контролирующего сенсора и сенсора сравнения и ее сопоставление с установленным пороговым значением. Приведенные бегущие средние значения вычисляются для всех контролирующих сенсоров 5 и всех сенсоров сравнения 6 аналогично алгоритму, приведенному в п. 4. Одним из критериев формирования извещения о перегреве 3 является сравнение скорости нарастания приведенного бегущего среднего значения содержания сигнального газа, зафиксированное S_к и S_ср. При возникновении внешнего фонового источника сигнальных газов скорость нарастания приведенных бегущих средних значений G_к и G_cp, зафиксированная сенсорами S_к и S_cp соответственно, будет либо равна (в случае низкой степени герметичности электроустановки или высокой диффузии сигнальных газов), либо G_к<G_ср (если электроустановка является достаточно герметичной и диффузия сторонних газов внутрь электроустановки происходит медленно) и срабатывания системы не произойдет. Если же G_к>G_ср, то контроллер 7 сформирует извещение о перегреве 3, что будет свидетельствовать о резком повышении концентрации сигнальных газов 4 внутри электроустановки в результате перегрева 3 контролируемых элементов 2.

10. Определение или изменение пороговых значений исходя из значений сигналов, полученных от сенсоров в процессе эксплуатации. Система автоматического выявления перегревов 3 элементов электрооборудования 2 выполнена с возможностью определения и калибровки максимальной концентрации газов 4, на определение которых настроены сенсоры 5-6, при которой происходит срабатывание системы, с помощью способа испытания системы по заявленной группе изобретений. Пороговые значения могут задаваться контроллером 7 либо вручную при установке системы, либо фиксироваться заранее при изготовлении системы, либо являться адаптивными и динамически изменяющимися в зависимости от условий эксплуатации системы.

11. Адаптивный порог срабатывания. В процессе эксплуатации может осуществляться автоматическая подстройка порогового значения в заданном интервале значений в зависимости от величины флуктуаций сторонних газов за длительный промежуток времени (более 1 дня). В таком алгоритме при первоначальном включении сенсора пороговое значение принимается равным некоторому начальному значению. Затем в течение заданного интервала времени происходит фиксация максимального значения концентрации, которую регистрирует сенсор или группа сенсоров, но которое не приводит к срабатыванию системы. По результатам сравнения величины этой максимальной концентрации с пороговым значением принимается решение об увеличении или уменьшении порогового значения.

Другим критерием срабатывания системы и формирования извещения о перегреве является сравнение абсолютных значений сигналов, характеризующих содержание продуктов, выделяющихся при перегреве контролируемых элементов или установленных на них термоактивируемых газовыделяющих материалов, и обнаруженных S_к 5 и S_ср 6. Если С_ср - максимальное значение сигнала, характеризующего содержание фоновых газов и зарегистрированного S_ср 6 вне контролируемой зоны, превышает С_к - значение сигнала, характеризующего содержание этих же газов и зарегистрированного S_к 5, то это будет означать, что причина появления этих газов лежит за пределами электроустановки и срабатывания системы не произойдет. Аналогично, система не сработает, если С_к и С_ср будут равны, вне зависимости от их абсолютного значения, что будет свидетельствовать о повышении содержания сигнальных газов 4 за счет внешнего фона при низкой степени негерметичности защищаемой зоны или высокой диффузии данных газов. Контроллер 7 сформирует извещение о перегреве 3 только при условии, когда т.е. когда концентрация сигнальных газов 4 внутри контролируемой зоны 1 будет превышать их фоновую концентрацию во внешней зоне, что будет свидетельствовать о том, что источником их возникновения являются нагретые контролируемые элементы 2.

При этом контроллер 7 может быть настроен таким образом, чтобы сравнивать поступающие с S_к и S_ср данные как в режиме реального времени, так и с определенной задержкой во времени, определяемой экспериментально и учитывающей задержку на поступление и выветривание газа из контролируемой зоны, характеризующую степень негерметичности электрооборудования.

Система может содержать как более одного контролирующего сенсора, так и более одного сенсора сравнения. Рассмотрим систему с одним контролирующим сенсором и п сенсорами сравнения (фиг. 4, n=3). В этом случае минимальная определяемая контролирующим сенсором 5 концентрация продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2, (С_к), достаточная для формирования контроллером 7 извещения о перегреве, может зависеть от текущей концентрации фоновых газов, определенной всеми S_cp 6, либо в равной степени, либо по формуле (1), учитывающей вклад каждого сенсора сравнения в отдельности:

где k_n - коэффициенты неравномерности распределения газа, определяющиеся экспериментально для каждого из n сенсоров с учетом особенностей мест их размещения, например, в зависимости от степени негерметичности контролируемого электрооборудования 1 или от удаленности сенсора сравнения 6 от контролирующего сенсора 5. В абсолютном большинстве случаев k лежит в пределах [0;1], предпочтительно, выбирается из группы: 0; 0.5; 1. Таким образом, в зависимости от настроек системы, сигналы, получаемые контроллером 7 с отдельных сенсоров сравнения 6, могут быть либо полностью учтены (k=1), либо учтены частично, либо полностью проигнорированы (k=0). В частности, система может быть настроена таким образом, чтобы контроллер не учитывал крайние значения концентрации фоновых газов, определенной сенсорами сравнения, т.е. в данном случае коэффициент k не будет фиксированным и может принимать нулевое значение в зависимости от полученных от S_ср данных.

Рассмотрим систему с m контролирующими сенсорами и n сенсорами сравнения (фиг. 5, n=3, m=3). Такая система может, например, устанавливаться в нескольких расположенных рядом электрических щитах 1, при этом внутри каждого щита устанавливается по меньшей мере один S_к 5, а по меньшей мере один S_cp 6 монтируется, например, на внешнюю поверхность щита 1. Тогда минимальная определяемая каждым контролирующим сенсором концентрация продуктов 4, выделяющихся при перегреве 3 контролируемых элементов 2, (С_кm), достаточная для формирования контроллером 7 извещения о перегреве, также может зависеть от текущей концентрации фоновых газов, зарегистрированных всеми S_ср 6, по формуле (1). При значении всех коэффициентов k_n=1 вклад каждого сенсора сравнения в отдельности в предельное значение С_кm будет равным.

Для испытания указанной системы, может быть реализован следующий способ включающий следующие действия:

- установка S_к в первую газовую камеру и установку S_ср во вторую газовую камеру, подключение контроллера к указанным сенсорам;

- регистрация факта срабатывания системы в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_ср путем нагрева модельного элемента в первой камере и/или определение пороговых концентраций путем дозирования модельного газа в первую камеру;

- регистрация факта отсутствия срабатывания системы при дозировании модельного газа в обе камеры путем заполнения первой и второй камеры фоновым или модельным газом

или

определение пороговых концентраций срабатывания системы путем раздельного дозирования модельного газа в первую и вторую камеры.

Нагрев модельного элемента может включать нагрев термоактивируемого материала в газовой камере с контролирующим сенсором.

Осуществление испытания системы указанным способом обеспечивает четкую регламентированную проверку соответствия системы условиям и алгоритмам, описанным в первом объекте заявленной группы изобретений, а также для ее дальнейшего использования при выявлении перегревов элементов электрооборудования.

Реализация способа в частных случаях, может быть представлена следующим образом: S_к 5 (фиг. 3а) помещают в первую газовую камеру 9, заполненную нейтральным газом, в качестве которого может быть использован, например, азот, a S_cp 6 помещают во вторую газовую камеру 9, заполненную тем же нейтральным газом. Оба сенсора соединяют с контроллером, в частности, проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем в первую газовую камеру начинают дозировать модельный газ, имитирующий сигнальный, и фиксируют минимальную концентрацию этого модельного газа, при которой происходит срабатывание системы и формирование контроллером извещения о перегреве, тем самым определяя пороговое значение.

После возвращения установки для проведения испытания системы в исходное состояние дозируют модельный газ, имитирующий сигнальный, в известной концентрации С_ср, не превышающей пороговую концентрацию, при которой может произойти срабатывание системы, во вторую газовую камеру 9 и фиксируют отсутствие срабатывания системы. Затем в первую газовую камеру начинают дозировать этот же модельный газ в концентрации, не превышающей С_ср, и фиксируют отсутствие срабатывания системы. При дальнейшем постепенном наращивании содержания модельного газа в первой камере 9 фиксируют минимальную концентрацию газа, при которой происходит срабатывание системы и формирование контроллером извещения о перегреве. С помощью полученного значения вычисляют пороговую концентрацию газа, при которой наблюдается срабатывание системы.

В другом варианте реализации способа испытания системы по заявленной группе изобретений в первой газовой камере 9, заполненной нейтральным газом, устанавливают нагревательный элемент 2, на который размещена термоактивируемая газовыделяющая наклейка 8, (использующаяся в данном случае в качестве изделия, содержащего ТГМ), a S_cp 6 помещают во вторую газовую камеру 9, заполненную тем же нейтральным газом, но без нагревательного элемента 2 (фиг. 3б). Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем нагревательный элемент 2 нагревают до температуры активации газовыделяющей наклейки 8 и фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером 7 извещения о перегреве, информирующего о перегреве элементов электрооборудования.

После возвращения установки для проведения испытания системы в исходное состояние во вторую камеру 9 дозируют модельный газ, имитирующий сигнальный, в известной концентрации С_ср, не превышающей пороговую концентрацию, при которой может произойти срабатывание системы, и фиксируют отсутствие срабатывания системы. Затем нагревательный элемент 2 нагревают до температуры активации газовыделяющей наклейки 8 и фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером 7 извещения о перегреве, информирующего о перегреве элементов электрооборудования.

Согласно заявленной группе изобретений система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования используется в соответствии со следующим способом:

- размещение системы по первому варианту, при котором

по меньшей мере один газовый сенсор S_к устанавливается внутри контролируемой зоны;

по меньшей мере один газовый сенсор S_ср устанавливается вне контролируемой зоны;

контроллер устанавливается в произвольном месте и связывается с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один S_к и как минимум один S_ср, проводной или беспроводной связью, а также дополнительно может связываться с другим устройством;

- обработка сформированного контроллером извещения о перегреве с последующей выдачей информационного сообщения и/или передачей данных на другое устройство.

В способе могут быть также реализованы алгоритмы, в частности, раскрытые в данной заявке при описании системы. В частности, контроллер 7 дополнительно может формировать извещение о перегреве 3 при обнаружении одним из сенсоров газов 4, выделяющихся при нагревании 3 контролируемых элементов 2 или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов 8, в концентрации выше заданного предельного значения вне зависимости от содержания фоновых газов, обнаруженного по меньшей мере одним другим сенсором.

В предпочтительном варианте выявление перегревов 3 контролируемых элементов 2 электрооборудования происходит посредством регистрации сигнальных газов, выделяющихся из термоактивируемых газовыделяющих материалов 8 преимущественно многократного действия, входящих в состав изделий или покрытий, установленных или нанесенных на контролируемые элементы 2.

Рассмотрим частные случаи осуществления указанного заявленной группы изобретений.

Примеры

Пример 1.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, и содержащую нагревательный элемент, покрытый изоляционным материалом. Полупроводниковый сенсор S_cp помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, но без нагревательного элемента. Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем нагревательный элемент нагревают до температуры 100°С, при которой начинается тер моде струкция изоляционных материалов, но возгорание не возникает. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования. В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором газов, выделяющихся в результате нагрева модельного элемента, в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_cp.

Пример 2.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Полупроводниковый сенсор S_cp помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем в первую газовую камеру в непрерывном режиме дозируют модельный газ, имитирующий сигнальные газы, со скоростью 10 ppm/мин. Срабатывания системы не происходит в течение первых пяти минут (при содержании сигнальных газов до 50 ррm). Фиксируют срабатывание системы на пятой минуте посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования, и определяют содержание модельного газа в первой камере в этот момент. Испытание повторяют трижды, определяя среднее значение пороговой концентрации, которое в данном примере составило 57 ррm. В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором модельных газов, имитирующих газы, выделяющиеся в результате нагрева модельного элемента, в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_cp.

Пример 3.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Полупроводниковый сенсор S_cp помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем во вторую газовую камеру, в которой установлен сенсор сравнения, одномоментно дозируют модельный газ, имитирующий сигнальный, в количестве С_ср=100 ррm. В данном случае срабатывание системы происходит за счет обнаружения сенсором сравнения модельных газов, имитирующих сигнальные, в концентрации, превышающей пороговое значение.

После этого в камеру, в которой установлен контролирующий сенсор, в непрерывном режиме со скоростью 10 ppm/мин, дозируют модельный газ, имитирующий сигнальный (С_к). Фиксируют отсутствие срабатывания системы в первые 15 минут, когда содержание модельных газов в первой камере не превышало 150 ррm. После достижения содержания модельных газов в первой камере, равного 150 ррm, фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения. Тем самым подтверждают пороговую концентрацию срабатывания системы, равную в данном случае 50 ррm. При этом срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором модельных газов, имитирующих сигнальные, с учетом содержания этих же модельных газов, зафиксированных сенсором сравнения.

Далее, чтобы система вышла из режима сработки, газовые камеры проветривают и заново заполняют азотом, после чего в них начинают непрерывно со скоростью 50 ppm/час, дозировать модельный газ, имитирующий сигнальный, до достижения его фактического содержания, равного 100 ррm. Фиксируют изменение опорного (нулевого) значения сигнала сенсоров за счет реализации системой алгоритмов дрейфа нулевого значения и низкой скорости нарастания концентрации сигнального газа. Затем в первую газовую камеру одномоментно дозируют 150 ppm модельного газа, имитирующего сигнальный, при этом фактическое содержание этого газа в первой камере составило 550 ррm. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения. В данном случае реализуется возможность многократного действия системы.

Пример 4.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: оптический сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, и содержащую нагревательный элемент, на котором размещена термоактивируемая газовыделяющая наклейка с температурой активации 100°С. Оптический сенсор S_ср помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, но без нагревательного элемента. Оба сенсора соединяют с контроллером беспроводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем нагревательный элемент в первой камере нагревают до температуры 100°С, при которой начинается термоактивация наклейки и выделение из нее сигнальных газов. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования. В данном случае срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором газов, выделяющихся при активации термоактивируемого газовыделяющего материала, в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_ср.

Далее газовую камеру проветривают, чтобы система вышла из режима сработки, заново заполняют азотом, а нагревательный элемент охлаждают до комнатной температуры. После этого, нагревательный элемент снова нагревают до температуры 100°С и фиксируют срабатывание системы. В данном случае реализуется возможность многократного действия системы при использовании термоактивируемых газовыделяющих материалов.

Пример 5.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, и содержащую нагревательный элемент, покрытый изоляционным материалом. Полупроводниковый сенсор S_cp помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом, но без нагревательного элемента. Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем в обе камеры в течение 10 часов дозируют по 500 ppm модельного газа, имитирующего фоновый, со скоростью 50 ppm в час. Фиксируют отсутствие срабатывания системы за счет реализации системой алгоритма, учитывающего дрейф нулевого значения. После этого нагревательный элемент, установленный в камере, содержащей контролирующий сенсор, нагревают до температуры 200°С, при которой происходит термодеструкция изоляционных материалов, но возгорание не возникает. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования. В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором газов, выделяющихся в результате нагрева модельного элемента, в условиях влияния фоновых газов на оба сенсора с учетом дрейфа нулевого значения.

Пример 6.

Систему по заявленной группе изобретений устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Полупроводниковый сенсор S_cp помещают во вторую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Оба сенсора соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Затем в обе газовые камеры одновременно в течение 10 часов дозируют 500 ppm модельный газ, имитирующий сигнальный, со скоростью 50 ppm в час. Фиксируют отсутствие срабатывания системы за счет реализации системой алгоритма, учитывающего скорость нарастания концентрации сигнального газа. После этого в камеру, содержащую контролирующий сенсор, одномоментно вводят модельный газ, имитирующий сигнальный, в количестве 50 ррm. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования. В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором модельного газа, имитирующего сигнальный, в условиях быстрого нарастания его концентрации и с учетом его влияния на сенсор сравнения.

Пример 7.

Систему по заявленной группе изобретений, включающую в себя три сенсора сравнения и один контролирующий сенсор, устанавливают следующим образом: полупроводниковый сенсор S_к помещают в первую герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Каждый из полупроводниковых сенсоров S_ср помещают в отдельную герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Все сенсоры соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Контроллер настроен на учет содержания фоновых газов, зафиксированного каждым из сенсоров сравнения, в равной степени. Во все газовые камеры, содержащие сенсоры сравнения и контролирующий сенсор, одномоментно дозируют по 500 ppm модельного газа, имитирующего сигнальный. Фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером извещения, информирующего о перегреве элементов электрооборудования. В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором и сенсорами сравнения модельного газа, имитирующего сигнальный, в условиях быстрого нарастания его концентрации.

Пример 8.

Систему по заявленной группе изобретений, включающую в себя три сенсора сравнения и три контролирующих сенсора, устанавливают следующим образом: каждый из полупроводниковых сенсоров S_к помещают в отдельную герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Каждый из полупроводниковых сенсоров S_ср помещают в отдельную герметичную газовую камеру объемом 100 л, заполненную азотом. Все сенсоры соединяют с контроллером проводной связью и фиксируют отсутствие срабатывания системы в таком состоянии. Контроллер настроен на учет содержания фоновых газов, зафиксированного каждым из сенсоров сравнения, по формуле (1), учитывающей вклад каждого сенсора сравнения в отдельности.

Рассмотрим один из контролирующих сенсоров (S_к1), для которого будет справедлива следующая формула (2):

где Ск₁ - предельное детектируемое S_к1 значение содержания продуктов, выделяющихся при нагреве контролируемых элементов, достаточное для срабатывания системы, - значения содержания фоновых газов, детектируемые сенсорами сравнения соответственно, k₁-k₃ - коэффициенты неравномерности распределения газа, определяющиеся экспериментально для каждого сенсоров сравнения. В данном случае: k₁ = 1, k₂ = 0.5, k₃ = 0.

Во все газовые камеры, содержащие сенсоры сравнения, непрерывно со скоростью 50 ppm/мин дозируют модельный газ, имитирующий фоновый, до достижения его содержания в каждой камере, представленного в таблице 1. Тогда по формуле (2)

В это же время в первую газовую камеру, содержащую S_к1, непрерывно со скоростью 50 ppm/мин дозируют модельный газ, имитирующий сигнальный. В первые 5 минут дозирования, до достижения содержания модельного газа в этой газовой камере, равного 300 ррm, фиксируют отсутствие срабатывания системы за счет учета концентраций сторонних газов, измеряемых сенсорами сравнения. При дальнейшем дозировании и достижении в первой газовой камере содержания модельного газа, имитирующего сигнальный, более 300 ррm, фиксируют срабатывание системы посредством регистрации выданного контроллером сигнала, информирующего о нагреве элементов электрооборудования.

В данном примере срабатывание системы происходит за счет обнаружения контролирующим сенсором модельного газа, имитирующего сигнальный, в условиях влияния фоновых газов на сенсоры сравнения с учетом различного вклада каждого сенсора сравнения.

Пример 9.

Пример реализации алгоритмов обработки контроллером измеренных сенсорами концентраций и формирования извещения о перегреве в системе по заявленной группе изобретений, включающей в себя один или более контролирующих сенсора и один сенсор сравнения, подключенных к контроллеру.

Первоначальное усреднение сигнала:

Для фильтрации возможных мгновенных скачков сигнала, которые могут быть связаны с наводимыми электромагнитными помехами, происходит его быстрое усреднение. Используемый для дальнейшего анализа сигнал вычисляется в результате усреднения за секунд (бегущее среднее), по N значениям мгновенного сигнала :

Корректировка опорного (нулевого) уровня сигнала:

Опорное (нулевое) значение сигнала постоянно подвергается плавной корректировке, так как оно изменяется со временем (дрейфует) вследствие деградации чувствительного элемента, изменения температуры и влажности окружающей среды, а также вследствие возможного наличия в атмосфере сторонних газов.

В качестве нулевого значения принимается среднее значение измеряемой сенсором абсолютного значения характеристики за последние минут. В случае, если значение сигнала упало ниже нулевого значения, то нулевое значение становится равным .

При этом относительное значение концентрации в условных единицах будет равным в каждый момент времени:

Постоянный порог срабатывания:

Извещение о перегреве контролируемых элементов (переход в режим тревоги) по умолчанию формируется при превышении порогового значения концентрации.

В зависимости от настройки уровня чувствительности контроллера величина пороговой концентрации газа меняется:

При низкой (режим НЧ) чувствительности P₁.

При средней (режим СЧ) чувствительности P₂.

При высокой (режим ВЧ) чувствительности P₃.

Выход из режима тревоги происходит при снижении концентрации сенсора ниже половины соответствующего порогового значения.

Плавающий порог срабатывания:

В данном режиме происходит подстройка порогового значения Р в зависимости от величины флуктуаций сторонних газов. При включении сенсора пороговое значение принимается постоянным и равным Р=Р₂ (средняя чувствительность). В течении дней (1 день или более) происходит фиксация максимального значения сигнала которое не приводит к формированию сигнала тревоги (то есть не превышает текущее пороговое значение) Если это значение менее текущего порога в К раз (например, К=3), то порог уменьшается в 1.1 раз. Если это условие не выполняется, то порог увеличивается в 1.1 раз.

Изменение порога может происходить только в диапазоне между P₁ и P₃. При превышении плавающего порога значения P₃ он принимается равным P₃. При понижении плавающего порога ниже значения P₁ он принимается равным P₁.

Алгоритм учета сигнала, измеряемого сенсором сравнения:

Сенсор сравнения устанавливается в месте, где вероятность увеличения концентрации сигнального газа или продуктов термодеструкции изоляции будет минимальным и служит для выявления ложных срабатываний.

Для учета возможной задержки при распространении газа учет концентраций сенсора сравнения происходит следующим образом. За время определяется максимальное значение концентрации, измеренное сенсором сравнения:

Срабатывание контролирующего сенсора будет трактоваться ложным, если при переходе формировании извещения о нагреве контролируемых элементов будет выполняться условие:

Формирование извещения о возгорании или пожаре:

Срабатывание внутренних газовых сенсоров независимо от концентраций, которые регистрируют внешний сенсор или соседние внутренние сенсоры, происходит при выполнении условия:

где - пороговое значение концентрации газа, которое свидетельствует о возможном возникновении пожара.

В таблицах 2-4 представлены возможные варианты уставок контроллера, реализующего рассмотренный пример математических алгоритмов.

Результаты проведенных испытаний доказывают реализацию заявленного назначения системы и способов по заявленной группе изобретений и достижение технического результата.

Группа изобретений была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления заявленной группы изобретений, не меняющие ее сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, группу изобретений следует считать не ограниченной по объему приведенными описанием и примерами.

Группа изобретений относится к системам выявления аварийных и предпожарных ситуаций, а именно к системам автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, способам их использования и испытания. Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования включает газовый сенсор S_к, предназначенный для обнаружения газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов; газовый сенсор S_ср, предназначенный для определения концентрации фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны; контроллер, выполненный с возможностью соединения с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один контролирующий сенсор S_к и как минимум один сенсор сравнения S_ср и формирования извещения о перегреве и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство. Также раскрывается способ испытания указанной системы и способ ее использования для автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования. Технический результат - повышение надежности и безопасности эксплуатации электрооборудования за счет своевременного выявления дефектов, сопровождающихся перегревами элементов электрооборудования. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 7 ил., 4 табл., 9 пр.

1 Система автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающая:

- газовый сенсор S_к, предназначенный для обнаружения газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов;

- газовый сенсор S_cp, предназначенный для учета концентрации фоновых газов в воздухе вблизи контролируемой зоны, возникновение которых не связано с нагревом контролируемых элементов;

- контроллер, выполненный с возможностью соединения с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один контролирующий сенсор S_к и как минимум один сенсор сравнения S_ср, и формирования извещения о перегреве и/или передаче информации о таком перегреве на другое устройство.

2. Система по п. 1, в которой сенсоры являются сенсорами полупроводникового типа, чувствительный элемент которых выполнен с возможностью обнаружения газов, выделяющихся при нагревании изоляционных материалов, включающих, в частности, сшитый полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), каучук, силикон, эпоксидную смолу.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сенсоры предназначены для обнаружения газов, выделяющихся при нагреве термоактивируемых газовыделяющих наклеек, установленных на контролируемые элементы.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя термоактивируемые газовыделяющие материалы, преимущественно многократного действия, входящие в состав изделий или покрытий, установленных или нанесенных на контролируемые элементы.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что S_к и S_cp имеют чувствительный элемент одного типа и выполнены с возможностью обнаружения газов, относящихся к классам соединений, выбираемых из списка: галогенуглероды, галогеноводороды, галогенуглеводороды, алкены, алканы, меркаптаны, кислоты или их смеси, предпочтительно, газов, выбираемых из списка: чегырехфтористый углерод, тетрафторэтилен, тетрахлорэтилен, трифторлорметан, хлороформ, дихлорметан, метилхлорид, метилбромид, трифторметан, этилхлорид, винилхлорид, фтороводород, хлороводород, этилен, пропилен, бутадиен, изопрен, метан, этан, бутан, гексан, метилмеркаптан, диметилсульфид, этил меркаптан, диэтилсульфид, азотная кислота, азотистая кислота или их смесей.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве элемента электрооборудования при обнаружении S_к газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов, в концентрации выше заданного предельного значения вне зависимости от текущей концентрации фоновых газов, обнаруженных S_ср.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит более одного S_ср и/или S_к, а формирование извещения контроллером может происходить с учетом усредненных значений сигналов, зарегистрированных сенсорами S_ср и/или S_к, с одинаковым или различным вкладом каждого сенсора.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что предназначена для выявления перегревов контактов и контактных соединений закрытого электрооборудования, включая контактные соединения электрических щитов, комплектных распределительных устройств, низковольтных комплектных устройств, коробок блока распределения начал обмоток.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что предназначена для выявления перегревов изоляционных материалов элементов электрооборудования, включая кабельные муфты.

10 Система по п. 1, отличающаяся тем, что предназначена для предупреждения возгораний электрооборудования.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно имеет функцию самодиагностики, информирующую о необходимости замены чувствительного элемента одного или более сенсоров.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно оснащена одним или более датчиками температуры.

13 Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер использует один или несколько из нижеперечисленных алгоритмов для обработки сигналов, полученных с газовых сенсоров:

- корректировка нулевого значения;

- расчет бегущего среднего значения от каждого сенсора за заданный промежуток времени;

- определение приведенного бегущего среднего значения как разницы двух бегущих средних значений, полученных от одного сенсора за два различных промежутка времени, преимущественно короткого промежутка, составляющего менее одной минуты, и длительного, составляющего более 5 минут;

- сравнение приведенного бегущего среднего значения с пороговым значением и формирование извещения о перегреве в случае его превышения;

- определение среднего значения сигнала, полученного с разных сенсоров, за счет усреднения приведенных бегущих средних значений;

- сравнение разницы приведенных бегущих средних значений сигналов от сенсора сравнения и контролирующего сенсора, в том числе вычисленных за разный временной промежуток с заданным пороговым значением;

- определение скорости роста приведенного бегущего среднего значения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- сравнение сигнала, полученного с контролирующего сенсора, с установленным пороговым значением;

- определение скорости роста разницы приведенного бегущего среднего значения сигнала контролирующего сенсора и сенсора сравнения и ее сопоставление с установленным пороговым значением;

- определение или изменение пороговых значений исходя из анализа значений сигналов, полученных от сенсоров в процессе эксплуатации;

- адаптивный порог срабатывания.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве элемента электрооборудования и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство при обнаружении по меньшей мере S_ср газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов, в концентрации, превышающей пороговые значения.

15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью формирования извещения о перегреве элемента электрооборудования и/или передачи информации о таком перегреве на другое устройство при воздействии на S_k газов, выделяющихся при нагревании контролируемого элемента или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов, в концентрации, превышающей пороговое значение, учитывающее содержание фоновых газов, воздействовавших на эти сенсоры в течение предыдущего периода времени.

16. Способ испытания системы по п. 1, включающий следующие действия:

- установка S_к в первую газовую камеру и установка S_ср во вторую газовую камеру, подключение контроллера к указанным сенсорам;

- регистрация факта срабатывания системы в условиях отсутствия влияния фоновых газов на S_ср путем нагрева модельного элемента в первой камере и/или определение пороговых концентраций путем дозирования модельного газа в первую камеру;

- регистрация факта отсутствия срабатывания системы при дозировании модельного газа в обе камеры путем заполнения первой и второй камеры фоновым или модельным газом и/или определение пороговых концентраций срабатывания системы путем раздельного дозирования модельного газа в первую и вторую камеры.

17. Способ по п. 16, в котором нагрев модельного элемента включает нагрев термоактивируемого газовыделяющего материала в газовой камере с контролирующим сенсором.

18. Способ автоматического выявления перегревов элементов электрооборудования, включающий:

- размещение системы по п. 1, при котором по меньшей мере один газовый сенсор S_к устанавливается внутри контролируемой зоны;

- по меньшей мере один газовый сенсор S_ср устанавливается вне контролируемой зоны; контроллер устанавливается в произвольном месте и связывается с по меньшей мере двумя газовыми сенсорами, включающими как минимум один S_к и как минимум один S_ср, проводной или беспроводной связью;

- обработка сформированного контроллером извещения о перегреве с последующей выдачей информационного сообщения и/или передачей данных на другое устройство, связанное с контроллером.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что предназначен для выявления перегревов контактов и контактных соединений закрытого электрооборудования, включая контактные соединения электрических щитков, комплектных распределительных устройств, низковольтных комплектных устройств, коробок блока распределения начал обмоток.

20 Способ по п. 18, отличающийся тем, что предназначен для выявления перегревов изоляционных материалов элементов электрооборудования, включая кабельные муфты.

21 Способ по п. 18, отличающийся тем, что предназначен для предупреждения возгораний электрооборудования.

22. Способ по п. 18, отличающийся тем, что предназначен для выявления дефектов изолирующих материалов элементов электрооборудования, возникающих вследствие прохождения дуговых разрядов.

23. Способ по п. 18, отличающийся тем, что контроллер также может формировать извещение о перегреве при обнаружении одним из сенсоров газов, выделяющихся при нагревании контролируемых элементов или установленных на нем термоактивируемых газовыделяющих материалов, в концентрации выше заданного предельного значения вне зависимости от содержания фоновых газов, обнаруженного по меньшей мере одним другим сенсором.

24. Способ по п. 18, отличающийся тем, что предназначен для выявления перегревов с помощью термоактивируемых газовыделяющих материалов преимущественно многократного действия, входящих в состав изделий или покрытий, установленных или нанесенных на контролируемые элементы.