Разработка устройства защиты от дуговых замыканий

В. К. МОНАКОВ, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой инженерной экологии техносферы, Московский институт радиотехники, электроники и автоматики

УДК 621.316.9.06

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ

Описан вариант решения задачи обнаружения искрения/дуги в электроустановке. На основе общего представления о коммутационных процессах построена модель и введено ключевое понятие нестационарного коммутационного процесса. Предложен способ выделения из суммарных электрических сигналов электроустановки — тока нагрузки и напряжения на нагрузке — сигналов, характерных для этого процесса. Разработано новое устройство для мониторинга процессов в контролируемой цепи, выделения сигналов, свидетельствующих о загорании в электроустановке электрической дуги (параллельной или последовательной), и отключения питания в случае аварии.

Ключевые слова: электроустановка; электрическая дуга; пожар; нестационарный процесс; мониторинг.

Согласно статистическим данным ВНИИПО МЧС России [1] пожары от электрооборудования в целом по стране составляют более 26 %. На предприятиях некоторых министерств и ведомств доля пожаров от электроустановок достигает 38 %, в жилых домах — 32 %, а в жилых домах индивидуального пользования — 70 %.

Одной из основных причин возгораний и пожаров в электроустановках являются аварийные дуговые замыкания, так как горение электрической дуги сопровождается высокой температурой (около 3000 °С на металлических электродах) и выделением большого количества тепла.

В 2000-е годы сначала в США, а затем и в России был получен ряд патентов [2-4] на новый класс электрозащитных приборов — устройства защиты от дуговых замыканий (УЗДЗ), в практике США — AFCI (arc fault circuit interrupter).

Принцип действия новых устройств заключается в мониторинге процессов в контролируемой цепи, выделении сигналов, свидетельствующих о загорании в электроустановке электрической дуги (параллельной или последовательной), и отключении питания в случае аварии. Если на загорание параллельной дуги при достаточно большом значении тока реагируют устройства защиты от сверхтоков (автоматический выключатель или плавкая вставка), то при появлении последовательной дуги ток может вообще не увеличиться, так как дуга обладает более высоким сопротивлением по сравнению с проводниками. Дуговое замыкание на землю по сути является утечкой тока и распознается УЗО. В связи с этим актуальной и наиболее сложной задачей является поиск критериев, позволяющих достоверно распо-

© Монаков В. К., 2014

знавать последовательное дуговое замыкание по электрическим сигналам.

В США, где ежегодно происходит более 40000 пожаров и проблема их предотвращения стоит довольно остро, в серии национальных электротехнических норм NEC (National Electrical Code) в соответствии с нормами лаборатории Underwriters Laboratories (UL) в 2008 г. было выпущено предписание об обязательном применении УЗДЗ в бытовых электроустановках UL 1699 [5]. Ряд фирм представил на рынок несколько типов таких устройств: Eaton — BR120AF, Murray — MP-AT, Siemens — Q115AFP.

В Европе устройства данного типа пока не получили распространения, хотя в 2011 г. Союз немецких электротехников (VDE) сделал первый шаг в этом направлении и опубликовал проект стандарта на данные устройства [6].

В связи с вышеизложенным в настоящей работе описан вариант решения задачи распознавания последовательного дугового замыкания в электроустановке. На основе обобщенного представления о коммутационных процессах построена модель и введено ключевое понятие нестационарного коммутационного процесса. Предложен способ выделения из суммарных электрических сигналов электроустановки (тока нагрузки и напряжения на нагрузке) сигналов, характерных для этого процесса.

Нагрузка электроустановки представляет собой совокупность электроприемников, включенных параллельно друг другу. Полагается, что мгновенное напряжение одинаково для всех электроприемников и равно напряжению на линии u(t). При возникновении последовательного дугового замыкания на линии некоторые электроприемники оказываются

т

>

С ) "(0

г

УЗДЗ

Электроустановка

V 'фон(0

гсиг(0

Нагрузка Нагрузка

И3

б

С Б

А В -^->

Нестационарность

Рис. 1. Структурная схема электроустановки, поясняющая группировку потребителей (а), и диаграмма, иллюстрирующая классификацию коммутационных процессов (б): БСН — блок сигнальной нагрузки; БФН — блок фоновой нагрузки; ДЗ — дуговое замыкание

подключенными к источнику энергии через электрическую дугу. В связи с этим нагрузку можно разделить на два блока (рис. 1,а): электроприемники (или электроприемник) (1,..., т), в которых возникло искрение, и остальная нагрузка ((т + 1), ..., п). Блоки получают питание от одного источника и включены параллельно. В соответствии с этим ток нагрузки также разделяется на два слагаемых:

т п

кг) = Е 1к

к = 1

I = т +1

где 1к — ток в к-м электроприемнике, подключенном к источнику через дуговое замыкание; 1[—ток в 1-м электроприемнике, подключенном к источнику в обход дугового замыкания; гсиг — ток, содержащий в себе сигнал о возникшем дуговом замыкании;

'фон — ток неповрежденной цепи, т. е. фоновой составляющей.

По условиям рассматриваемой задачи ток, проходящий через разрядный промежуток, несет полезную информацию, а ток, минующий разряд, является помехой (фоном).

Была построена стохастическая модель, описывающая последовательности коммутаций в электроустановке. Существенными характеристиками этого процесса являются интенсивность (средняя энергия коммутаций за единичный промежуток времени, т. е. средняя мощность коммутаций) и стационарность (постоянство вероятностных свойств во времени). Показано, что коммутационный процесс, порожденный дуговым замыканием, нестационарен. Однако при достаточно малой интенсивности он не представляет большой опасности, так как не способен вызвать возгорание.

По этим атрибутам последовательности коммутаций классифицируются следующим образом (рис. 1,б):

А — стационарные процессы малой интенсивности, порождаемые электроприемниками малой мощ-

Рис. 2. Последовательное дуговое замыкание в кабеле при обрыве проводника

ности (коллекторные электродвигатели, импульсные преобразователи, стабилизаторы и пр.);

В — нестационарные процессы малой интенсивности, порождаемые единичными коммутациями электроприемников (оператором или исполнительными механизмами) либо дуговым замыканием на маломощных нагрузках;

С — стационарный процесс большой интенсивности, порождаемый электроприемниками большой мощности (коллекторные электродвигатели, импульсные преобразователи, стабилизаторы и пр.);

Б — нестационарный процесс большой интенсивности, порождаемый искрением и дуговым разрядом (в соединительных узлах, кабелях и т. д.).

При дуговом замыкании энергия коммутации представляет собой энергию, рассеянную на разряде. Разряд протекает, как правило, в малом объеме V т. е. локализован в пространстве, так что источник тепла можно считать точечным (рис. 2). Поскольку объем Vсвязан с окружающей средой (система дис-сипативная), неравновесное тепло будет рассеиваться, вызывая остывание объема по экспоненциальному закону (в простейшей модели).

Выразим температуру объема в момент времени г + ёг через температуру в момент г (считая без ограничения общности, что равновесная температура равна нулю):

Т (г + ё г) = Т (г) е ~а ёг + 8Т,

где а — показатель скорости остывания объема, определяемый теплофизическими свойствами объема и окружающей его среды;

28

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №8

5Г = 50 = Рразй* . ст ст

8Q — количество теплоты, подведенное к объему Vтепловым источником (разрядом) за время

ёЪQ = Рраз^;

Рраз — мгновенная мощность теплового источника;

с — средняя удельная теплоемкость объема; т — масса объема.

р

Тогда АТ = Т (е~а * -1) + раз А?, а поскольку

ст

-а А

= 1 - а А* + 0(ё?) по базе А* ^ 0, то

АТ = Т (-ай* + 0 (й*)) + й*;

АТ = Т (-а + 0(1)) + Рраз. а* ст

После перехода к пределу по базе А* ^ 0 окончательно получаем линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:

АТ Рраз

АТ (*) = -аТ(*) + р^.

й* ст

Это уравнение теплового режима объема, в котором происходит разряд, т. е. оно является уравнением теплопроводности (теплопереноса) в некоторой интегральной форме. Мощность источника тепла Рраз(*) следует считать воздействием, а температуру Т(*) — реакцией тепловой системы.

Уравнение (3) дополняется начальным условием

Т

где Т0 — температура окружающей среды (равновесная температура).

Для разработки защиты от дугового замыкания, т. е. нестационарного коммутационного процесса, рассмотрено сопротивление разряда — источника нестационарного коммутационного процесса, которое считается случайным процессом и обозначается Лраз(*, X) (* — время; X — элементарный исход, или случайная переменная). Разряд индуцирует случайные процессы ¡сиг(*, X) и Рраз(*, X), описывающие соответственно ток разряда и мощность на разряде:

¡сиг(*, Х) = и раз , ХУК раз , Х),

Рраз

где ираз — напряжение на разряде.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника, как правило, обладает свойством периодичности или хотя бы стационарности (постоянная, синусоидальная, периодическая, медленно меняющаяся и т. д.). Сопротивление большинства электрических нагрузок в рабочем режиме достаточно регулярно (линейное,

нелинейное, периодически меняющееся и т. д.). Поэтому в рабочем режиме работы ток нагрузки (случайный процесс ¡фон) обладает свойством периодичности или стационарности в отличие от тока разряда ¡сиг. Эти свойства присущи и соответствующим компонентам мощности:

Р = ¡и = (I

сиг + ¡фон ) и

= ¡сиги + ¡фон и = Рсиг

фон '

Для синтеза распознающей системы за контролируемую величину принята усредненная по объему источника нестационарного коммутационного процесса температура, а за уставку — температура возгорания изоляции, контактирующей с разрядом. Температура вычислена с помощью уравнения (3) с учетом теплофизических параметров и мощности из уравнения (5).

Интегрированием этой оценки по фрагменту Т получена оценка энергии Жраз(0, рассеянной на разряде за время Т:

Wr

раз

(*) = 11 Р(9) - Р(9-Т)| А9

г - Т

= [| ш (9) - ш (9-Т)| А9,

t - Т

где 9 — связанная переменная в интеграле; физически означает момент времени из промежутка от (* - Т) до по которому производится интегрирование разности мощности. Для ослабления влияния помех, порождаемых переходными процессами в электроустановке и способных вызвать ложное срабатывание устройства защиты, введены фильтр высоких частот и амплитудный дискриминатор полосового типа, предшествующие интегрирующему фильтру (рис. 3).

Алгоритм распознавания дуги представляет собой процесс одновременной обработки двух сигналов, выделяемых из измеренных значений тока контролируемой цепи, и сравнения полученных уровней этих сигналов с заданными уставками. Сигнал напряжения используется для синхронизации. Структурная схема устройства, реализующего данный алгоритм, представлена на рис. 4.

Работа новых устройств заключается в мониторинге процессов в контролируемой цепи и выделении сигналов, свидетельствующих о загорании в

Рис. 3. Структурная схема распознающей системы: БД — блок дискриминации; ФВЧ — фильтр высоких частот; АД — амплитудный дискриминатор; ИФ — интегрирующий фильтр; УС — устройство сравнения

К источнику

Датчики тока и напряжения

Аналого-цифровой преобразователь

Распознающая система

Контактная группа

ZI

Исполнительный механизм

УЗДЗ

К нагрузке

Рис. 4. Структурная схема цифрового УЗДЗ

электроустановке электрической дуги. Описан ва- модель процесса, разработаны алгоритм распозна-риант решения задачи, построена стохастическая вания дуги и структурная схема устройства защиты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Обстановка с пожарами в Российской Федерации в I квартале 2007 года // Пожарная безопасность. — 2007. — № 2. — С. 95-99.

2. Patent US 6567250 B1. Arc fault protection device / Andy A. Haun, Robert F. Dvorak, Brett E. Larsen, et al. — No. US 09/469,869; claim. 22.12.1999; publ. 20.05.2003. URL : http://www.google.ru/pa-tents/US6567250.

3. Patent US 6987389 B1. Upstream/downstream arc fault discriminator / Bruce F. MacBeth, Tab Cox. — No. US 09/992,055; claim. 14.11.2001; publ. 17.01.2006. URL : http://www.google.com/patents/ US6987389.

4. Патент 117686 Российская Федерация. Устройство защиты электроустановок с функцией детектирования аварийной электрической дуги / Монаков В. К., Минченко А. В., Козырев А. А. — № 2011132158; заявл. 01.08.2011 г.; опубл. 27.06.2012 г.

5. UL 1699, Standard for Arc-Fault Circuit-Interrupters, Underwriters Laboratories Inc., February 26, 1999, pp. 27-50.

6. DIN IEC 62606 (VDE 0665-10). General requirements for arc fault detection devices, 2012-02.

Материал поступил в редакцию 6 февраля 2014 г.

= English

DEVELOPMENT OF DEVICE OF PROTECTION AGAINST ARC SHORT CIRCUITS

MONAKOV V. K., Candidate of Technical Sciences, Docent, Head of Environmental Engineering Department, Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation

ABSTRACT

In 2000th years in the electrical engineer's practice has appeared a new kind of switching devices — devices of protection against arc short circuits.

In the beginning in the USA, and then and in Russia has been received lot of patents for a new class of electroprotective devices — AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter).

The principle of action of new devices consists in monitoring of processes in a controllable chain, allocation of the signals testifying to fire in electroinstallation of an electric arc (parallel or seriel) and switching-off of a load in case of failure.

In the given work is described the variant of the decision of a problem of recognition of occurrence of an arc in electroinstallation.

On the basis of the general representation about switching processes is constructed the model and entered the key concept of non-stationary switching process and offered the way of allocation from total electric signals of electroinstallation — a current of load and voltage on load — signals, tipical for this process.

30

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 TOM 23 №8

Essential characteristics of process are intensity (average energy switches for an time interval) and

constancy (a constancy of likelihood properties in time). Are allocated some kinds of processes of

switching

Keywords: electroinstallation; electric arc; fire; non-stationary process; monitoring.

REFERENCES

1. Obstanovka s pozharami v Rossiyskoy Federatsii v I kvartale 2007 goda [Situation with fires in the Russian Federation at the I quarter 2007]. Pozharnaya bezopasnost—Fire Safety, 2007, no. 2, pp. 95-99.

2. Andy A. Haun, Robert F. Dvorak, Brett E. Larsen, et al. Arc fault protection device. Patent US 6567250 B1, publ. 20.05.2003. Available at: http://www.google.ru/patents/US6567250.

3. Bruce F. MacBeth, Tab Cox. Upstream/downstream arc fault discriminator. Patent US 6987389 B1, publ. 17.01.2006. Available at: http://www.google.com/patents/ US6987389.

4. Monakov V. K., Minchenko A. V., Kozyrev A. A. Ustroystvo zashchity elektroustanovoks funktsiyey detektirovaniya avariynoy elektricheskoy dugi [Electrical protection device with the function of the emergency electric arc detection]. Patent RF 117686, publ. 27.06.2012.

5. UL 1699, Standard for Arc-Fault Circuit-Interrupters, Underwriters Laboratories Inc., February 26, 1999, pp. 27-50.

6. DIN IEC 62606 (VDE 0665-10). General requirements for arc fault detection devices. 2012-02.

Издательство «П0ЖНАУКА»

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru

Представляет книгу