Способ предупреждения происшествия при неисправности в электрической сети постоянного и переменного тока и устройство для его осуществления
METHOD OF WARNING OF AN ACCIDENT IN CASE OF MALFUNCTION IN THE ELECTRIC NETWORK OF AC AND DC AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения происшествий, неисправности которых возникают от дефектной дуги (искрения) в электрических сетях постоянного и переменного тока в помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах гражданского, военного и специального назначения.
Происшествие проявляется через пожар, взрыв или опасный отказ системы или объекта в целом. В настоящее время данный отказ на высокотехнологических объектах относится к скрытому (невыявляемому) виду отказов.
Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов гражданского, военного и специального назначения нередко сопровождается происшествиями от дефектной дуги, возникающими по причине нарушения целостности электрической цепи с образованием на ее разрыве ионизированной плазмы. На искровом промежутке выделяется тепловая энергия, приводящая либо к пожару, либо к взрыву, либо, в частности, к разрушению (плавлению) изоляции провода с нарушением функционирования системы.
При этом важно, что электрическое сопротивление плазмы, как правило, существенно меньше сопротивления нагрузки потребителя, что практически не меняет величину тока нагрузки. Поэтому становится сложным фиксация факта возникновения дефектной дуги и проводить ее анализ.
В результате наносится большой материальный и моральный ущерб, нередко сопровождающийся гибелью и (или) увечьем людей.
Известно устройство [1], реагирующее на изменение температуры электропроводки, превышение которой является причиной возникновения пожара. Существенным недостатком подобных устройств и способов, ими реализуемых, является их нечувствительность к относительно малым токам дефектной дуги (менее допустимых токов нагрузки) и невозможность реализации их при одномоментном контроле всех точек электрической цепи. Как правило, указанный способ не позволяет обнаружить выделяемое тепло на искровом промежутке, место нахождения которого на электрической цепи заранее неизвестно. Последнее со временем приводит к повышенному выделению тепловой энергии в области увеличенного переходного сопротивления, что и является первопричиной возникновения пожара. Поэтому данный способ не позволяет сформировать сигнал пожарной опасности или команду на автоматическое отключение контролируемой ЭС.
Известно «Устройство для защиты контактной сети от токов короткого замыкания» [2], содержащее датчик тока и формирователь сигнала отключения (два пороговых элемента и интегратор, элемент ИЛИ, усилитель мощности и исполнительный орган). Это устройство позволяет отключать ЭС или ЭУ в случае выхода величины электрического тока нагрузки за допустимые значения, тем самым предупреждая возникновение пожара в ней. Однако при искрении величина штатного тока не выходит за пределы допустимых значений, поэтому данное устройство не способно выявлять искрение в ЭС или ЭУ.
Известен способ и устройство [3], являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, позволяет выявлять основные признаки дефектной последовательной дуги в ЭС, по которым осуществляется предупреждение об уровне опасности происшествия и при превышении его допустимого значения отключение ЭС. К действиям, реализующим данные существенные признаки, относятся: формирование сигналов-признаков цикла «возникновение - гашение дефектной дуги»; определение частоты следования этих циклов; определение тока дефектной дуги с учетом воздействия шунтирующего тока; определение ширины искрового промежутка, образуемого при несанкционированном нарушении целостности электрической цепи.
В соответствии с данным техническим решением измеряют электрический ток контролируемого участка ЭС. Из измеренного тока формируют низкочастотную составляющую и высокочастотные сигналы, характеризующие процессы электрического пробоя искрового промежутка и восстановления напряжения на нем в области достижения током нулевого значения. Из измеренного тока формируют низкочастотную составляющую и высокочастотные сигналы, характеризующие процессы электрического пробоя искрового промежутка и восстановления напряжения на нем в области достижения током нулевого значения. В данной временной области осуществляются процессы возникновения и затухания дефектной дуги. Параметры выделенных сигналов определяются интенсивностью и величиной этого тока дефектной дуги, зависящего от параметров переходного сопротивления. При необходимости сигнал усиливают и выпрямляют. При этом значение накопленной опасной тепловой энергии определяется величиной тока дефектной дуги с учетом влияния шунтирующего тока, частотой следования циклов «возникновение-гашение дефектной дуги» и шириной искрового промежутка. Учет шунтирующего тока осуществляют путем предварительного выделения тока дефектной дуги из суммарного тока контролируемой сети и далее расчетом его величины. Продолжительность действия тока дефектной дуги определяется частотой следования циклов «возникновение - гашение дефектной дуги» за установленное время путем формирования сигналов-признаков данных циклов и далее по мере их поступления, результат количества этих поступлений увеличивают на единицу. Величина выделяемой на искровом промежутке тепловой энергии также определяется шириной искрового промежутка. При этом на выходе устройства формируется сигнал предупреждения о соответствующем уровне опасности происшествия и (или) команда на отключение контролируемого участка неисправной ЭС, поступающие на блок отображения информации и (или) на блок отключения контролируемого участка ЭС.
Устройство для осуществления указанного способа согласно уровню техники [3] характеризуется тем, что оно содержит блоки измерения электрического тока контролируемого участка и определения величины тока дефектной дуги. Блок определения величины тока дефектной дуги включает в себя модуль хранения величины тока дефектной дуги, входами которого являются модуль формирования сигнала-признака цикла «возникновение - гашение дефектной дуги» в момент перехода тока через нуль и модуль хранения величины тока дефектной дуги. Входами модуля хранения величины тока дефектной дуги являются модуль измерения и расчета параметра цикла «возникновение - гашение дефектной дуги» и модуль измерения тока дефектной дуги с учетом шунтирующего тока, входом которого является блок измерения электрического тока контролируемого участка.
Плата измерения и расчета параметров цикла «возникновение - гашение дефектной дуги» содержит платы определения искрового промежутка, измерения продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, измерения частоты следования циклов, измерения количества импульсов (суммирование единиц) на заданном интервале времени.
Как недостаток данного технического решения следует отметить низкую достоверность и точность определения частоты следования циклов «возникновение - гашение» в ЭС постоянного тока.
В техническом решении уровня техники [3] продолжительность тока дефектной дуги определяется при условии постоянства длительности каждого цикла «возникновение-затухание дефектной дуги» за все заданное время одного цикла измерения (до 5 и более секунд) начиная от первого поступившего признака-сигнала дефектной дуги.
Отмеченное постоянство циклов дефектной дуги, как правило, не имеет место в сетях постоянного тока, поэтому при контроле данного вида сетей указанный уровень техники отличается низкой достоверностью.
Из этого следует низкая достоверность и точность определения продолжительности действия тока дефектной дуги, а значит, и количества выделяемой при дефектной дуги на искровом промежутке в электрооборудовании постоянного тока, что в конечном итоге приводит к недостоверности определения уровня опасности происшествия, а значит, к снижению достоверности предупреждения происшествия и точности определения его уровня опасности.
Задачей изобретения является повышение достоверности и точности уровня опасности происшествия от дефектной дуги в ЭС постоянного тока.
Поставленная задача решается тем, что при контроле ЭС переменного и постоянного тока вместо действий по определению частоты следования циклов «возникновение - гашение дефектной дуги», вводят действия по определению суммарной продолжительности дефектной дуги в цикле измерения относительно продолжительности текущего (заданного) цикла измерения.
В предлагаемом техническом решении осуществляется измерение каждого цикла «возникновение-затухание дефектной дуги» независимо от изменения их длительности.
Предлагаемый способ предупреждения происшествия от дефектной дуги в электрической сети переменного и постоянного тока осуществляется путем следующей совокупности действий:
- измерение электрического тока контролируемого участка электрической сети;
- определение сигналов-признаков возникновения и гашения дефектной дуги при прохождении тока через область нулевого значения;
- определение суммарной продолжительности дефектной дуги в текущем (заданном) цикле измерения;
- определение тока дефектной дуги;
- расчет показателя опасности тока дефектной дуги;
- расчет уровня опасности происшествия с учетом отношения суммарной продолжительности дефектной дуги в цикле измерения к продолжительности текущего цикла измерения, а также с учетом величины искрового промежутка;
- формирование сигнала уровня опасности происшествия и/или команды на отключение контролируемого участка электрической сети;
- отображение сигнала уровня опасности происшествия и/или команды на отключение контролируемого участка электрической сети.
Определение тока дефектной дуги осуществляют следующей совокупностью действий:
- выделение шунтирующего тока из суммарного тока контролируемого участка ЭС [3];
- измерение продолжительности текущего цикла дефектной дуги с равными или неравными длительностями;
- расчет суммарной продолжительности текущих циклов дефектной дуги.
сум
изм
опасн
По результату определения продолжительности последовательности циклов «возникновение - гашение дефектной дуги» путем расчета отношения данной продолжительности тока дефектной дуги Т к заданному времени одного цикла измерения дефектной дуги Т (до 5 и более секунд) определяют значение показателя опасности тока дефектной дуги К, а именно:
- определение тока дефектной дуги с учетом значения показателя опасности тока дефектной дуги с учетом влияния тока шунтирования и ширины искрового промежутка.
При необходимости для повышения точности определения величины тока дефектной дуги измеряют амплитуду импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла, продолжительность образующей и затухающей стадий цикла, а также количество импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение.
Таким образом, с целью повышения достоверности контроля ЭС постоянного тока в изобретение вводится новый существенный признак «определение продолжительности текущего цикла дефектной дуги» (плата измерения продолжительности текущего цикла дефектной дуги), равного или не равного по времени длительности предыдущему циклу дефектной дуги. На основе использования данного признака определяется значение показателя опасности тока дефектной дуги (плата расчета показателя опасности тока дефектной дуги) и уровня опасности происшествия на объекте контроля в целом.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен блок определения уровня опасности происшествия, в котором:
1 - блок определения тока дефектной дуги;
2 - модуль определения сигнала-признака момента возникновения дефектной дуги;
3 - модуль определения сигнала-признака момента гашения дефектной дуги;
4 - модуль расчета продолжительности текущего цикла «возникновение-гашение дефектной дуги» дуги с равными или неравными длительностями;
5 - плата расчета суммарной продолжительности дефектной на текущем цикле измерения (до 5 и более секунд);
6 - плата расчета показателя опасности тока дефектной дуги;
7 - блок расчета уровня опасности происшествия.
Изобретение работает следующим образом.
При отсутствии дефектной дуги в контролируемой сети устройством известными действиями осуществляются:
- измерение суммарного тока контролируемой сети или электроустановки, определение и хранение его параметров;
- разделение низкочастотной и высокочастотной составляющих суммарного тока между собой;
- установление факта отсутствия дефектной дуги (электрического пробоя) по нулевому сигналу на выходе непрерывно работающего модуля 2 (Фиг. 1) определения сигнала-признака момента возникновения дефектной дуги, в этом случае в платы расчета 5 и 6, а также в блок 7 расчета уровня опасности происшествия не поступают какие-либо воздействующие команды и сигналы.
При возникновении дефектной дуги по контролируемой сети устройством выполняются следующие действия:
- в модуле 2 определения сигнала-признака момента возникновения дефектной дуги распознается сигнал-признак возникновения дефектной дуги, определяется момент возникновения дефектной дуги и фиксируется начало возникновения дефектной дуги с передачей команд в блок 1 определения тока дефектной дуги и модуль 4 расчета продолжительности текущего цикла «возникновение-гашение дефектной дуги;
- по окончании текущего цикла дефектной дуги модулем 3 определения момента гашения дефектной дуги распознается и фиксируется сигнал-признак дефектной дуги завершения данного цикла с передачей команды в модуль 4 расчета продолжительности текущего цикла «возникновение-гашение дефектной дуги» на прекращение счета времени. Из модуля 4 значение времени очередного текущего цикла дефектной дуги передается в плату 5 расчета суммарной продолжительности дефектной дуги в текущем цикле измерения заданной длительности. В модуле 4 счет времени прекращается и сбрасывается (обнуляется) и осуществляется перевод его в исходное состояние, готовое к приему следующего очередного сигнала-признака возникновения дефектной дуги.
Поступившее в плату 5 очередное значение времени суммируется с его предыдущим значением, а результат суммирования передается в плату 6 расчета показателя опасности тока дефектной дуги, значение которого учитывается в блоке 1 определения тока дефектной дуги.
Откорректированное значение тока дефектной дуги поступает блок 7 расчета уровня опасности происшествия, котором формирование его уровня определяют в зависимости от отношения суммарной продолжительности искрения в цикле измерения к продолжительности текущего цикла измерения.
При этом процесс обмена информацией между модулями 2, 3, 4 и платами 5 и 6 осуществляется в течение одного заданного времени измерения воздействия дефектной дуги - циклом измерения (до 5 и более секунд).
опасн
Рассчитывается по формуле (1) значение показателя тока дефектной дуги К блоком 1 определения тока дефектной дуги с учетом величины шунтирующего тока [3], осуществляется корректировка величины тока дефектной дуги. Выход данного блока соединен с одним из входов блока 7 расчета уровня опасности происшествия.
До завершения заданного времени цикла измерения будет осуществляться непрерывный процесс измерения, расчета и корректировки показателя опасности тока дефектной дуги. В момент завершения данного цикла измерения будет окончательно определен уровень опасности происшествия, в том числе с учетом ширины искрового промежутка [3].
Предлагаемое техническое решение относительно существующих способов и устройств уменьшает количество ложных донесений и команд и повышает показатель достоверности при контроле сетей постоянного тока, что приводит к снижению стоимости затрат на реализацию защиты по предупреждению возгораний, взрывов и опасных отказов систем от дефектной дуги в ЭС, а также повышает надежность электротехнических систем в целом.
Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использование уже существующего технического решения [3] с незначительной их схемной и программной доработкой.
Это не требует также перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.
Таким образом, экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохраненных жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов за счет предотвращенных пожаров, взрывов и опасных отказов систем путем применения предлагаемого технического решения.
В результате внедрения данного изобретения на промышленных и бытовых объектах, а также в структурах контроля качества проектирования и эксплуатации этих объектов повышается их безопасность. Снижается количество случаев возгораний, взрывов и опасных отказов систем в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах, использующих ЭС.
Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использование серийных комплектующих узлов и элементов. Это не требует перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции. Устройства могут быть разработаны и изготовлены в одном исполнении с известными автоматами защиты, что расширит их функциональные возможности и существенным образом повысит их эффективность.
Экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохраненных жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов, спасенных от пожаров, взрывов и опасных отказов систем путем применения предлагаемого технического решения.
Таким образом, внедрение предлагаемого способа предупреждения пожаров, взрывов и опасных отказов систем при возникновении дефектной дуги в ЭС обеспечит эффективную защиту людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров, взрывов и опасных отказов систем, а также обеспечит существенную экономию материальных и финансовых средств каждого гражданина и государства в целом.
Источники информации
1. USA 5654684, нац. кл. 361/1.
2. RU 1581 U1, 1996.
3. RU 2571513, 2015.