СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АВАРИЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR EMERGENCY ELECTRIC ARC DETECTION AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области электроэнергетики и пожарной безопасности и предназначено для предотвращения возгораний и повреждений кабельных линий и элементов электроустановки, возникающих при зажигании электрической дуги путем обесточивания потребителей.
В электроустановках и кабельных линиях по причине механических и температурных воздействий образуются повреждения изоляции, которые приводят к возникновению аварийной электрической дуги. Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта и повреждений элементов электроустановок, которые не приводят к коротким замыканиями и перегрузкам, достигает 80% [Павлов Д.Д. Исследование и разработка интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики. Дис. канд. техн. наук: 05.13.05. Владимир, 2006. РГБ ОД, 61:06-5/3843, стр.12], поэтому способ защиты от аварийной электрической дуги актуален и его следует применять на электроустановках всех категорий как промышленного, так и бытового назначения.
Существующие способы защиты с помощью автоматических выключателей (АВ) и устройств защитного отключения (УЗО) не позволяют выявить горение электрической дуги и произвести отключение поврежденной части электроустановки, поэтому необходимо применять дополнительные способы защиты.
Известно техническое решение [патент России RU 2159468 C1 7, G08B 17/06, G08B 25/10, опубл. 20.06.2005], согласно которому на вводе электрической сети измеряют суммарный электрический ток. Из измеренного суммарного тока путем фильтрации выделяют сигнал высоких гармоник, появляющихся при искрении и горении электрической дуги. Сформированный сигнал усиливают, выпрямляют и накапливают в течение установленного времени. В процессе накопления сравнивают величину суммарного сигнала с заданным уровнем сравнения, который выбирается для соответствующей степени пожарной опасности сети. В зависимости от величины накопленного сигнала, соответствующего достигнутому уровню, формируют сигнал предупреждения или команду на отключение электрической сети.
Недостатками данного технического решения является низкая достоверность детектирования электрической дуги при использовании в электрических сетях с изменяющейся нагрузкой и высокой частотой коммутаций, так как в качестве информативного показателя используется ток нагрузки, изменяющийся при ее включении и отключении, а также несоответствие заданных пределов степеней пожарной опасности реальным условиям функционирования электроустановок.
Наиболее близким по своей сущности к заявляемому изобретению является техническое решение [патент США 5,691,869, опубл. 25.12.1997], в котором анализируется значение перепадов тока, сопровождающих моменты зажигания и гашения электрической дуги, и их периодичность, абсолютные значения амплитуд суммируются в течение установленного интервала времени и в случае превышения порогового значения электроустановка отключается.
Существенными недостатками данного технического решения являются возможность ложного детектирования дуги при нормальном функционировании нагрузок с большими пусковыми токами, необеспечение пожарной безопасности при наличии электрической дуги малой мощности, ошибочное обнаружение дуги при работе нагрузок со штатной электрической дугой - коллекторных двигателей и импульсных источников питания, отсутствие регистрации горения электрической дуги при подключенных индуктивных нагрузках.
Технической задачей предлагаемого способа детектирования аварийной электрической дуги является расширение его функциональных возможностей, повышение достоверности определения процесса горения электрической дуги, снижение ложных обнаружений дуги при работе с нерезистивными нагрузками, в особенности с коллекторными двигателями, нагрузками с импульсными источниками и устройствами с большими кратностями пусковых токов по отношению к номинальным, а также возможность работы в сети с изменяющимся составом нагрузок.
Для достижения технического результата предлагается способ, по которому производят измерения мгновенного значения электрического тока контролируемой электроустановки, с помощью комбинации фильтров выделяют импульсы перепадов тока, характерные для горения электрической дуги, преобразуют их в напряжение, усиливают, выпрямляют и интегрируют в течение интервала времени, достаточного для установления факта горения аварийной дуги, затем производят вычисление - из полученного напряжения вычитают напряжение смещения, компенсирующее воздействие нагрузок со штатной электрической дугой, полученный результат сравнивают с пороговым значением, характерным для пожароопасной ситуации при горении дуги, в случае его превышения формируются сигналы о пожароопасной ситуации и на отключение электроустановки, отличающийся тем, что дополнительно производят измерение мгновенного значения напряжения сети, анализируют группы соседних импульсов перепадов тока для исключения резко отличающихся от средней амплитуды перепадов, а также измеряют мгновенные значения напряжения сети в моменты возникновения импульсов перепадов тока и исключают импульсы, не соответствующие условиям зажигания электрической дуги; интервал суммирования импульсов перепадов тока увеличивают при регистрации одиночных импульсов и уменьшают при регистрации их последовательности, обеспечивая возможность детектирования слабых и нестабильных дуг.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами фиг.1-4.
На фиг.1 представлена схема включения устройства в сеть.
На фиг.2 в полярных координатах показана область анализа, ограниченная амплитудой и фазой напряжения сети, соответствующая условиям зажигания и гашения электрической дуги. Перепады, не попадающие в заштрихованные области, не учитываются при детектировании.
На фиг.3 представлена временная диаграмма процесса интегрирования перепадов тока и изменения времени накопления. Компенсация воздействия нагрузок со штатной электрической дугой заключается в вычитании из значения величины накопления напряжения смещения, пропорционального идентичным периодически повторяющимся перепадам тока.
На фиг.4 изображена структурная схема устройства детектирования аварийной электрической дуги.
Способ осуществляется следующим образом (фиг.1): первоначально производят измерения мгновенных значений тока нагрузки и напряжения сети.
Далее вычисляется текущий перепад тока как абсолютное значение приращения сигнала между двумя соседними отсчетами:
Текущий.перепад=|Тек.отсчет-Предыд.отсчет.)
Перепад проверяют на принадлежность к области анализа (фиг.2), ограниченную значениями напряжения сети и фазы, характерными для момента зажигания (гашения) аварийной электрической дуги. В случае выхода за границы области анализа значение перепада не учитывается. За одну область анализа запоминается один максимальный перепад. Затем производится усреднение перепадов за несколько областей анализа. Перепады, значительно отличающиеся от среднего значения, не учитываются. Перепады суммируются в течение времени накопления и образуют величину накопления, которая сравнивается с установленным при инициализации ее предельным значением. При превышении предельного значения вырабатывается команда на отключение электроустановки. Если значение ниже предельного, то проверяется условие на превышение временем анализа установленного значения, и в случае превышения происходит сдвиг окна анализа по временной шкале, а величина накопления за предыдущий интервал времени накопления учитывается при последующем анализе и обнуляется. Сигнал смещения пропорционален регулярной и периодической составляющей тока электрической дуги. Вычитанием сигнала смещения из сигнала последующих перепадов с датчика тока нагрузки после его фильтрации и усиления производится компенсация влияния нагрузок со штатной электрической дугой - коллекторных двигателей - путем корректировки величины накопления. В зависимости от условий анализа величина накопления обнуляется, сохраняется либо изменяется. При достаточно низкой частоте возникновения перепадов сигнала время накопления увеличивается.
Данный способ может быть реализован с помощью устройства, прототип которого описан в патенте США 5,691,869. Прототип по причинам, изложенным ранее при описании известного способа, не обеспечивает необходимой достоверности детектирования дуги и низкой вероятности ложных срабатываний.
Предлагаемое устройство для осуществления способа по п.1 содержит датчик тока нагрузки, к выходу которого подключен фильтр, сигнал с которого подают на усилитель с двухполупериодным выпрямителем, выходом подключенный к интегрирующему элементу, на вход которого также подают сигнал отрицательной обратной связи, после чего сигнал на выходе интегрирующего элемента сравнивают с пороговым с помощью компаратора и в случае превышения подают сигнал отключения электроустановки на исполнительный узел. В устройстве дополнительно установлен датчик напряжения, выходом подключенный к фильтру, сигнал с которого подают на усилитель, с выхода которого - на аналого-цифровой преобразователь, выходом подключенный к блоку управления и анализа; сигнал датчика тока нагрузки с выхода усилителя с двухполупериодным выпрямителем преобразуют в напряжение и подают на аналого-цифровой преобразователь, выходом подключенный также к блоку управления и анализа, который представляет собой цифровое логическое устройство. С помощью блока производят интегрирование сигналов, пропорциональных значениям перепадов тока, анализируют группы сигналов соседних импульсов перепадов тока, измеряют мгновенные значения напряжения сети в моменты возникновения импульсов перепадов тока и исключают импульсы, не соответствующие условиям зажигания электрической дуги, затем из полученного значения напряжения, пропорционального импульсам перепадов тока, вычитают напряжение смещения, пропорциональное регулярной и периодической составляющей сигнала перепадов тока, полученный результат сравнивают с пороговым значением, характерным для пожароопасной ситуации при горении дуги, и в случае его превышения формируют сигналы на отключение электроустановки, которые с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, а также на усилитель, выход которого подключен к реле, которое приводит в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой электроустановки.
Устройство (фиг.4) содержит блок защиты от волновых перенапряжений 3, датчики тока нагрузки 4, дифференциального тока 6 и напряжения 5, блок питания 24, блок обработки сигнала Б, исполнительный узел А. Устройство включается в сеть последовательно с контролируемой частью электроустановки.
Устройство функционирует следующим образом.
Напряжение сети подают на входные клеммы 1, затем оно поступает на контактную группу 2, используемую для отключения нагрузки в случае аварийной ситуации, блок защиты от волновых перенапряжений 3, препятствующий прохождению кратковременных импульсных перенапряжений в контролируемую электроустановку, на группу датчиков 4-6 и на выходные клеммы 7.
Сигнал с датчика тока нагрузки 4 подают на фильтр 9, выделяющий характерные для процесса горения дуги перепады тока, усиливают и выпрямляют с помощью усилителя с двухполупериодным выпрямителем 13 и суммируют с сигналом усилителя напряжения смещения 17, после чего подают на АЦП 18 для оцифровки и дальнейшей обработки блоком управления и анализа 22. Сигналы датчиков напряжения 5 и тока утечки 6 обрабатываются аналогично за исключением суммирования с напряжением смещения.
Блок управления и анализа 22 представляет собой микроконтроллер или иное цифровое логическое устройство, с помощью которого осуществляют сбор, анализ сигналов с датчиков, подачу сигналов индикации аварийной ситуации 21 на размыкание контактной группы 2 с помощью исполнительного механизма 8. Предварительно сигнал усиливают усилителем 16 до уровня, достаточного для срабатывания реле 12 привода исполнительного механизма 8.
В результате внедрения данного изобретения значительно повышается достоверность определения процесса горения электрической дуги, происходит снижение количества ложных обнаружений дуги при работе с нерезистивными нагрузками, в особенности с коллекторными двигателями, нагрузками с импульсными источниками и устройствами с большими кратностями пусковых токов по отношению к номинальным, а также возрастает эффективность работы в сети с изменяющимся составом нагрузок.
Таким образом, внедрение предлагаемого способа и устройства детектирования аварийной электрической дуги обеспечивает предупреждение пожара при неисправности в электрической сети или электроустановке, повышает степень защиты людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров.