Способ предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети
METHOD OF PREVENTION OF FIRE DUE TO A FAULTY CONNECTION IN ELECTRICAL NETWORK

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».
Известен способ предупреждения пожара при неисправности в электрической сети (п. 1 ф-лы RU 2159468), выбранный в качестве аналога, включающий измерение суммарного электрического тока в электрической сети, фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра измеренного суммарного тока, формировании суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник, его усилении, выпрямлении и накапливании в течение установленного времени, сравнении величины накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями первого или более высоких уровней сравнения, принятыми для соответствующих степеней пожароопасности электрической сети, формировании сигнала или сигналов предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации и/или формировании команды на отключение электрической сети в зависимости от величины накопленного сигнала.
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.
Известен способ неразрушающего контроля неисправностей в электрической сети (RU 2762526), выбранный в качестве прототипа, включающий соединение вводного щита с двумя электроустановками через переходные сопротивления, уменьшение суммарного напряжения электрической сети, фильтрацию, определение момента включения и номера электроустановки по наличию тока, протекающего через эту электроустановку, передачу этих данных в микроконтроллер, анализ изменения термоЭДС при включении и выключении каждой электроустановки и ее сравнении с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети, формирование сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации в зависимости от величины заданного значения сигнала, принятого для соответствующей степени пожароопасности.
Недостатком этого способа является невозможность выявления неисправностей контактного соединения в электрической сети при подключении нагрузки с током потребления меньше номинального.
Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением - выявления неисправностей контактного соединения в электрической сети при подключении нагрузки с током потребления меньше номинального.
Предложенный способ предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети, включающий соединение вводного щита с двумя электроустановками через контактное соединение, уменьшение суммарного напряжения электрической сети, фильтрацию, определение момента включения и номера электроустановки по наличию тока, протекающего через эту электроустановку, передачу этих данных в микроконтроллер, формирование сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации в зависимости от величины заданного значения сигнала, принятого для соответствующей степени пожароопасности.
Согласно изобретению измеряют величину тока через включенную электроустановку, полученные данные о токе включенной электроустановки передают в микроконтроллер, рассчитывают величину контактного сопротивления, пересчитывают термоЭДС на максимальный ток контактного соединения, который сравнивают с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети.
За счет измерения величины тока через включенную электроустановку, передаче в микроконтроллер полученных данных о токе включенной электроустановки, расчете величины контактного сопротивления, пересчете термоЭДС на максимальный ток контактного соединения появилась возможность предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети.
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)
T
T
S
S
T
2
1
1
2
где  и  - температура горячего и холодного контакта соответственно;  и  коэффициенты Зеебека для первого и второго материала соответственно, α – коэффициент термо-ЭДС контактной пары, Δ – разность температуры.
Мощность, выделяемая на контактном соединении, можно определить из тока и сопротивления:
(2)
где I – действующее значение силы тока, протекающего через контактное сопротивление; R – контактное сопротивление.
Из закона Джоуля — Ленца можно вычислить выделяемое тепло:
(3)
dQ
t
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.
dt
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)
2
где dQ – часть тепла, отводящаяся за счет теплоотдачи.
Учитывая (3), (4) и (5) уравнение теплового баланса примет вид:
(7)
Отсюда находят контактное сопротивление:
(8)
Полученное значение R используется для расчета изменения температуры при номинальном токе через контактное сопротивление:
(9)
T
Полученное значение Δ используют для расчета термоЭДС в соответствии с формулой (1), которое сравнивается с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети и при необходимости осуществляется выработка сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации.
На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
В таблице 1 приведены результаты контроля термоЭДС и формирование сигнала пожароопасности.
Способ предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), содержащего вводной щит 1, к которому через электрическую сеть 2, первое контактное соединение 3 и первый датчик тока 4 (ДТ1) подключена первая электроустановка 5 (ЭУ), а также через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подключена вторая электроустановка 8 (ЭУ). К электрической сети 2 последовательно подключены высоковольтный делитель 9, фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ), первый усилитель 11, первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП 1), микроконтроллер 13 (МК), к которому подключены первый 14 и второй 15 индикаторы. Первый датчик тока 4 (ДТ1) подключен к микроконтроллеру 13 (МК) через второй усилитель 16 и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2), второй датчик тока 7 (ДТ2) подключены к микроконтроллеру 13 (МК) через третий усилитель 18 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3).
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 8 выполнен на 10 резисторах МЛТ 2. Фильтр низкой частоты 9 (ФНЧ) и усилители 10, 16 и 18  выполнены на операционном усилителе, например К140УД6. Аналого-цифровые преобразователи 11 (АЦП 1), 17 (АЦП 2), и 17 (АЦП 3) выполнены на стандартной микросхеме АЦП К572ПВ3. Микроконтроллер 13 типовой, например, АРДУИНО. Индикаторы 14 и 15 выполнены на двух светодиодах, например АЛ307.
Предлагаемым способом 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) подключили первую электроустановку 5 (электрическую плиту мощностью 1,8 кВт). Через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подключили вторую электроустановку 8 (ЭУ2), в качестве которой использовали настольную лампу мощностью 95 Вт.
Сначала включили первую электроустановку 5 в электрическую сеть 2. На выходе первого датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который через второй усилитель 16 и второй аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП 2) в цифровом виде поступил на микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС и пересчитали ее на ток 16 А. Для увеличения термоЭДС первого контактного соединения (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 и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Затем выключили первую электроустановку 5.
Результаты измерения термоЭДС приведены в таблице 1, из которой видно, что при превышении сигнала термоЭДС 0,5 В, микроконтроллер 13 выдал сигнал пожароопасности на первый индикатор 14.
Затем включили вторую электроустановку 8 в электрическую сеть 2. На выходе второго датчика тока 7 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через третий усилитель 18 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Для увеличения термоЭДС второго контактного соединения (что равносильно увеличению контактного сопротивления) поместили второе контактное соединение 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 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Затем выключили вторую электроустановку 8.
Результаты измерения термоЭДС приведены в таблице 1, из которой видно, что при превышении сигнала термоЭДС 0,2 В, микроконтроллер 13 выдал сигнал пожароопасности на индикатор 14.
Следовательно, использование заявляемого способа позволяет выявить неисправность контактного соединения в электрической сети при подключении двух электроустановок и предупредить пожар.
Таблица 1.
Первое контактное соединение
Второе контактное соединение
Сигналпожароопасности
Температура С°
ТермоЭДС, мВ
Пересчитанная термоЭДС, мВ
Температура С°
ТермоЭДС, мВ
Пересчитанная термоЭДС, мВ
комнатная
24±0,01
42±0,02
Первый индикатор - нет
100±5
120±4
244±9
Первый индикатор - да
комнатная
0,125±0,005
34±0,3
Второй индикатор - нет
60±5
0,921±0,3
268±5
Второй индикатор - да