УСТРОЙСТВО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ИЗ-ЗА НЕИСПРАВНОСТИ КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 2025 года по МПК G01N25/32 

Изобретение относится к области мониторинга состояния контактных соединений в силовой электрической сети и может быть использовано для предупреждения пожара при неисправности контактного соединения в электрической сети или электроустановке и может найти применение в системах «Умный дом».

Известно устройство предупреждения пожара при неисправности в электрической сети [п. 3 ф-лы RU 2159468 С1, МПК G08В17/06 (2000.01), G08B25/10 (2000.01), опубл. 20.11.2000], содержащее блок измерения суммарного тока в электрической сети или электроустановке, блок формирования суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник, блок усиления, блок выпрямления усиленного сигнала, блок накопления выпрямленного сигнала, блок сравнения величины накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями, блок формирования предупреждающего сигнала или сигналов и/или команды на отключение, исполнительный орган для оповещения и/или отключения, блок питания.

Недостатком этого способа является невозможность распознавания в защищаемой цепи большого переходного сопротивления в безыскровом режиме. На этом уровне чувствительности какое-либо изменение сигнала датчика тока от большого переходного сопротивления в безыскровом режиме практически неразличимо, а повышение чувствительности (понижение порога срабатывания относительно амплитуды сигналов датчика тока) может приводить к ложным срабатываниям устройства.

Известно устройство неразрушающего контроля неисправностей в электрической сети [RU 2656117 С1, МПК G08В 17/06 (2006.01), G01R 31/00 (2006.01), опубл. 31.05.2018], содержащее вводной щит, к которому через электрическую сеть и переходное сопротивление последовательно подключены электроустановка, блок измерения суммарного тока, фильтр низкой частоты, блок усиления, блок сравнения величины накопленного сигнала с заданным значением и блок формирования сигнала пожароопасности, к другому входу которого подключен регулятор порога, блок питания подключен к блоку измерения суммарного тока, блоку усиления, блоку формирования сигнала пожароопасности, к регулятору порога.

Недостатком этого устройства является невозможность локализации в защищаемых цепях большого переходного сопротивления в безыскровом режиме при наличии двух и более электроустановок.

Известно устройство для предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети [RU 2796193 С1, МПК G01N 25/32 (2006.01), G08B 17/06 (2006.01), G01R 31/00 (2006.01), опубл. 17.05.2023.], выбранное в качестве прототипа, содержащее вводной щит, к которому через электрическую сеть и первое контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и первый датчик тока подключена первая электроустановка, а также через второе контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и второй датчик тока подключена вторая электроустановка. К электрической сети последовательно подключены высоковольтный делитель, фильтр низкой частоты, первый усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, к которому подключены первый и второй индикаторы. Первый датчик тока подключен к микроконтроллеру через второй усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь. Второй датчик тока подключен к микроконтроллеру через третий усилитель и третий аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком этого устройства является возможность ложного формирование сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации из-за больших пусковых токов через электроустановку в момент ее включения.

Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением - устранение ложного формирования сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации из-за больших пусковых токов через электроустановку в момент ее включения.

Предложенное устройство предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети, так же как в прототипе, содержит вводной щит, к которому через электрическую сеть и первое контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и первый датчик тока подключена первая электроустановка, а также через второе контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и второй датчик тока подключена вторая электроустановка, к электрической сети последовательно подключены высоковольтный делитель, первый фильтр низкой частоты, первый усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, к которому подключены первый и второй индикаторы, первый датчик тока подключен к микроконтроллеру через последовательно соединенные второй усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь, второй датчик тока подключен к микроконтроллеру через последовательно соединенные третий усилитель и третий аналого-цифровой преобразователь.

Согласно изобретению устройство дополнительно содержит первый и второй блоки анализа пускового режима, каждый из которых содержит последовательно соединенные выпрямитель, второй фильтр низкой частоты, дифференциатор и компаратор, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения. Выход компаратора первого и второго блоков анализа пускового режима соединен с микроконтроллером. К входу выпрямителя первого блока анализа пускового режима подключен второй усилитель. К входу выпрямителя второго блока анализа пускового режима подключен третий усилитель.

За счет использования первого и второго блоков анализа пускового режима появилась возможность устранение ложного формирования сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации из-за больших пусковых токов через электроустановку в момент ее включения.

При протекании тока через переходное сопротивление контакта на нем выделится тепло и по эффекту Зеебека появится термоЭДС в виде постоянного напряжения, величина которого прямо пропорциональна разности температур контактов проводника:

, (1)

где и - температура горячего и холодного контакта соответственно;

и коэффициенты Зеебека для первого и второго материала соответственно;

– коэффициент термо-ЭДС контактной пары;

– разность температур.

Мощность, выделяемую на контактном соединении, можно определить из тока и сопротивления:

, (2)

где I – действующее значение силы тока, протекающего через контактное сопротивление;

R –контактное сопротивления.

Из закона Джоуля — Ленца можно определить выделяемое тепло:

, (3)

где – количество тепла;

– время протекания тока.

Часть этого тепла нагревает контактное сопротивление, что приводит к повышению его температуры, а оставшаяся часть отводится за счет теплоотдачи. Тепло идущее на нагрев контактного сопротивления можно определить из выражения:

, (4)

где m – вес контакта;

с – удельная теплоемкость материала контакта.

Тепло, рассеиваемое контактом за время , определяется из формулы:

, (5)

где К – общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все ее виды;

S – поверхность охлаждения контакта.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

. (6)

Учитывая (3), (4) и (5) уравнение теплового баланса примет вид:

. (7)

Отсюда находят контактное сопротивление:

. (8)

Полученное значение используется для расчета изменения температуры при номинальном токе через контактное сопротивление:

. (9)

Полученное значение используют для расчета термоЭДС в соответствии с формулой (1), которое сравнивают с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети и при необходимости, осуществляют выработку сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлена схема блока анализа пускового режима.

Устройство предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети (фиг. 1), содержит вводной щит 1, к которому через электрическую сеть 2, первое контактное соединение 3 и первый датчик тока 4 (ДТ1) подключена первая электроустановка 5 (ЭУ1), а через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подключена вторая электроустановка 8 (ЭУ2). К электрической сети 2 последовательно подключены высоковольтный делитель 9 (ВВД), первый фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ1), первый усилитель 11 (У1), первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП 1), микроконтроллер 13 (МК), к которому подключены первый 14 (И1)и второй 15 (И2) индикаторы. Первый датчик тока 4 (ДТ1) подключен к микроконтроллеру 13 (МК) через второй усилитель 16 (У2) и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2). Второй датчик тока 7 (ДТ2) подключен к микроконтроллеру 13 (МК) через третий усилитель 18 (У3) и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3). Выход второго усилителя 16 (У2) связан с первым блоком анализа пускового режима 20, выход которого подключен к микроконтроллеру 13 (МК). Выход третьего усилителя 18 (У3) связан с вторым блоком анализа пускового режима 21, а выход которого соединен с микроконтроллером 13 (МК).

Каждый блок анализа пускового режима содержит последовательно соединенные выпрямитель 22, вход которого является входом блока анализа пускового режима, второй фильтр низкой частоты 23 (ФНЧ2), дифференциатор 24, компаратор 25, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения 26. Выход компаратора 25 является выходом блока анализа пускового режима.

Выход компаратора 25 первого 20 и второго 21 блоков анализа пускового режима соединен с микроконтроллером 13 (МК).

К входу выпрямителя 22 первого блока анализа пускового режима 20 подключен второй усилитель 16 (У2). К входу выпрямителя 22 второго блока анализа пускового режима 21 подключен третий усилитель 18 (У3).

Контактные соединения 3 и 6 выполнены на стандартных розетках, например, фирмы Legrand модель Cariva 773659 с максимальным током 16 А, первый и второй датчики тока 4 и 7 выполнены на стандартных датчиках Холла, например, фирмы Allegro модель ACS758LCB-100B. Высоковольтный делитель 9 (ВВД) выполнен на 10 резисторах МЛТ 2. Фильтры низкой частоты 10 (ФЧН1) и 23 (ФНЧ2) и усилители 11 (У1), 16 (У2) и 18 (У3) выполнены на операционном усилителе, например К140УД6. Аналого-цифровые преобразователи 12 (АЦП 1), 17 (АЦП 2) и 19 (АЦП 3) выполнены на стандартной микросхеме АЦП К572ПВ3. Микроконтроллер 13 (МК) типовой, например, АРДУИНО. Индикаторы 14 (И1) и 15 (И2) выполнены на двух светодиодах, например, АЛ307. Выпрямитель 22 может быть выполнен на выпрямительном диоде, например, КД 212. Дифференциатор 24 может быть выполнен на типовом операционном усилителе, например, К140УД6, включенном по схеме дифференциатора. Компаратор 25 может быть выполнен на типовой микросхеме, например, К521СА3. Источник опорного напряжения 26 (ИОН) может быть типовым, например, AD680ARZ.

Предлагаемым устройством был проведен контроль неисправности контактного соединения электрической плиты и настольной лампы с электрической сетью.

Процедура контроля. В электрическую сеть 2 напряжением 220 вольт 50Гц через первое контактное соединение 3 и первый датчик тока 4 (ДТ1) подсоединили первую электроустановку 5 (ЭУ1) - электрическую плиту мощностью 1,8 кВт. Через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подсоединили вторую электроустановку 8 (ЭУ2), в качестве которой использовали настольную лампу мощностью 95 Вт. Задали пороговый уровень формирования сигнала пожароопасности 0,2 В в источнике опорного напряжения 26 (ИОН).

Сначала включили первую электроустановку 5 (ЭУ1) в электрическую сеть 2. На выходе первого датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который через второй усилитель 16 (У2) и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2) в цифровом виде поступил в микроконтроллер 13 (МК). Одновременно сигнал от второго усилителя 16 (У2) поступил в первый блок анализа пускового режима 20, а в нем на выпрямитель 22, с выхода которого выпрямленный сигнал поступил во второй фильтр низкой частоты 23 (ФНЧ2), отфильтрованный сигнал поступил на дифференциатор 24, который выделил сигнал переходного процесса. Полученный сигнал поступил в компаратор 25, который сравнил его с поданным на его второй вход пороговым значением, установленным на источнике опорного напряжения 26 (ИОН). Компаратор 25 выдал сигнал в микроконтроллер 13 (МК) только после окончания пускового тока первой электроустановки 5 (ЭУ1). Этот сигнал поступил в микроконтроллер 13 (МК). В это же время сигнал от высоковольтного делителя 9 (ВВД) поступил в первый фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ1), который выделил сигнал термоЭДС из суммарного сигнала. Полученный сигнал усилили первым усилителем 11 (У1), преобразовали в цифровой вид с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП 1). Полученный цифровой код потупил в микроконтроллер 13 (МК). Величина термоЭДС составила 24 мВ и микроконтроллер пересчитал ее на ток 16 А, получилось 65 мВ. Микроконтроллер 13 (МК) не сформировал сигнал пожароопасности и не выдал сигнал на первый индикатор 14 (И1).

Для увеличения термоЭДС первого контактного соединения 3 (что равносильно увеличению контактного сопротивления) поместили первое контактное соединение в термокамеру и нагрели до температуры 100±5°С. На выходе первого датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через второй усилитель 16 (У2) и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). Одновременно сигнал от второго усилителя 16 (У2) поступил в первый блок анализа пускового режима 20, а в нем на выпрямитель 22, с выхода которого выпрямленный сигнал поступил во второй фильтр низкой частоты 23 (ФНЧ2), отфильтрованный сигнал поступил на дифференциатор 24, который выделил сигнал переходного процесса. Полученный сигнал поступил в компаратор 25, который сравнил его с поданным на его второй вход пороговым значением, установленным на источнике опорного напряжения 26 (ИОН). Компаратор 25 выдал сигнал в микроконтроллер 13 (МК) только после окончания пускового тока первой электроустановки 5 (ЭУ1). Этот сигнал поступил в микроконтроллер 13 (МК). В это же время сигнал с высоковольтного делителя 9 (ВВД) поступил в первый фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ), который выделил сигнал термоЭДС из суммарного сигнала. Полученный сигнал усилили первым усилителем 11 (У1), преобразовали в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП 1). Полученный цифровой код поступил в микроконтроллер 13 (МК). Величина термоЭДС составила 42 мВ и микроконтроллер пересчитал ее на ток 16 А, получилось 104 мВ. Микроконтроллер 13 (МК) не сформировал сигнал пожароопасности и не выдал сигнал на первый индикатор 14 (И1).

При пересчете термоЭДС в момент включения первой электроустановки 5 (ЭУ1), то есть при измерении пускового тока, термоЭДС составила бы 210 мВ и был бы сформирован ложный сигнал пожароопасности.

Затем выключили первую электроустановку 5 (ЭУ1) и включили вторую электроустановку 8 (ЭУ2) в электрическую сеть 2. На выходе второго датчика тока 7 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через третий усилитель 18 (У3) и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). Одновременно сигнал с третьего усилителя 18 (У3) поступил во второй блок анализа пускового режима 21, а в нем на выпрямитель 22, с выхода которого выпрямленный сигнал поступил во второй фильтр низкой частоты 23 (ФНЧ2), отфильтрованный сигнал поступил на дифференциатор 24, который выделил сигнал переходного процесса. Полученный сигнал поступил в компаратор 25, который сравнил его с поданным на второй вход пороговым значением, установленным в источнике опорного напряжения 26 (ИОН). Компаратор 25 выдал сигнал в микроконтроллер 13 (МК) только после окончания пускового тока второй электроустановки 8 (ЭУ2). Этот сигнал поступил в микроконтроллер 13 (МК). В это же время сигнал от высоковольтного делителя 9 (ВВД) поступил в первый фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ1), который выделил сигнал термоЭДС из суммарного сигнала. Полученный сигнал усилили первым усилителем 11 (У1), преобразовали в цифровой вид с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП 1). Полученный цифровой код поступил в микроконтроллер 13 (МК). Величина термоЭДС составила 0,125 мВ и микроконтроллер пересчитал ее на ток 16 А, получилось 17 мВ. Микроконтроллер 13 (МК) не сформировал сигнал пожароопасности и не выдал сигнал на второй индикатор 15 (И2).

Для увеличения термоЭДС второго контактного соединения 6 (что равносильно увеличению контактного сопротивления) поместили второе контактное соединение 6 в термокамеру и нагрели до температуры 100±5°С. На выходе второго датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через третий усилитель 18 (У3) и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). Одновременно сигнал от третьего усилителя 18 (У3) поступил во второй блок анализа пускового режима 21, а в нем на выпрямитель 22, с выхода которого выпрямленный сигнал поступил во второй фильтр низкой частоты 23 (ФНЧ2), отфильтрованный сигнал поступил в дифференциатор 24, который выделил сигнал переходного процесса. Полученный сигнал поступил в компаратор 25, который сравнил его с поданным на его второй вход пороговым значением, установленным в источнике опорного напряжения 26 (ИОН). Компаратор 25 выдал сигнал в микроконтроллер 13 (МК) только после окончания пускового тока второй электроустановки 8 (ЭУ2). Этот сигнал поступил в микроконтроллер 13 (МК). В это же время сигнал от высоковольтного делителя 9 (ВВД) поступил в первый фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ1), который выделил сигнал термоЭДС из суммарного сигнала. Полученный сигнал усилили первым усилителем 11 (У1), преобразовали в цифровой вид с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП 1). Полученный цифровой код потупил в микроконтроллер 13 (МК). Величина термоЭДС составила 130 мВ. Микроконтроллер 13 (МК) не сформировал сигнал пожароопасности и не выдал сигнал на второй индикатор 15 (И2).

При пересчете термоЭДС в момент включения второй электроустановки 8 (ЭУ2), то есть при измерении пускового тока, термоЭДС составила бы 260 мВ и был бы сформирован ложный сигнал пожароопасности.

Затем выключили вторую электроустановку 8 (ЭУ2).

Следовательно, использование заявляемого устройства позволяет выявить неисправность контактного соединения в электрической сети при подключении двух электроустановок и предупредить таким образом возникновение пожара.

Изобретение относится к измерительной технике в области мониторинга состояния контактных соединений в силовой электрической сети и служит для предупреждения пожара при неисправности контактного соединения в электрической сети или электроустановке. Технический результат – достоверность формируемого сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации. Результат достигается тем, что предложено устройство предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети, которое в отличие от прототипа дополнительно содержит первый и второй блоки анализа пускового режима, каждый из которых содержит последовательно соединенные выпрямитель, второй фильтр низкой частоты, дифференциатор, компаратор, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, при этом выход компаратора первого и второго блоков анализа пускового режима соединен с микроконтроллером, к входу выпрямителя первого блока анализа пускового режима подключен второй усилитель, к входу выпрямителя второго блока анализа пускового режима подключен третий усилитель. 2 ил.

Устройство предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети, содержащее вводной щит, к которому через электрическую сеть и первое контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и первый датчик тока подключена первая электроустановка, а также через второе контактное соединение, имеющее свое контактное сопротивление, и второй датчик тока подключена вторая электроустановка, к электрической сети последовательно подключены высоковольтный делитель, первый фильтр низкой частоты, первый усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, к которому подключены первый и второй индикаторы, первый датчик тока подключен к микроконтроллеру через последовательно соединенные второй усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь, второй датчик тока подключен к микроконтроллеру через последовательно соединенные третий усилитель и третий аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что дополнительно содержит первый и второй блоки анализа пускового режима, каждый из которых содержит последовательно соединенные выпрямитель, второй фильтр низкой частоты, дифференциатор, компаратор, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, при этом выход компаратора первого и второго блоков анализа пускового режима соединен с микроконтроллером, к входу выпрямителя первого блока анализа пускового режима подключен второй усилитель, к входу выпрямителя второго блока анализа пускового режима подключен третий усилитель.