Способ определения места искрения в электрической сети и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINATION OF SPARKING POINT IN ELECTRIC NETWORK AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам защиты от искрения (дефектной дуги) в электрической сети (электроустановке) переменного и постоянного тока, а также определения места искрящей цепи в контролируемой электрической сети, приводящей к аварии или катастрофе.
Здесь и далее под искрящей цепью понимается электрическая цепь от одного полюса (фазы) источника питания до его противоположного полюса (фазы), в любом, заранее неизвестном месте которой возникает ее разрыв (нарушение целостности цепи), не более которого является достаточным для создания искрового промежутка, занимаемого ионизированной плазмой, обеспечивающей требуемую проводимость электрического тока нагрузки в данной цепи, при которой его величина практически не изменяется.
Происшествие проявляется через пожар, взрыв или опасный отказ системы или объекта, в целом. Данный отказ относится к скрытому (невыявляемому) виду отказов.
Эксплуатация жилых, общественных, производственных и др. объектов гражданского, военного и специального назначения нередко сопровождается происшествиями от искрения, возникающего на разрыве электрической цепи с образованием ионизированной плазмы. При этом на искровом промежутке выделяется тепловая энергия, приводящая либо к пожару, либо к взрыву, либо к разрушению изоляции (в частности, к плавлению) провода с нарушением функционирования системы.
В результате наносится большой материальный и моральный ущерб, нередко сопровождающийся гибелью и (или) увечьем людей.
Известен способ [1] предупреждения происшествия), включающий: измерение электрического тока контролируемой электрической сети (ЭС); формирование низкочастотной и высокочастотных составляющих данного тока; формирование сигнала-признака цикла «возникновение-гашение искры» (ВЧ-сигнала) в области нулевого значения тока; измерение и расчет частоты следования циклов; измерение амплитуды импульсов на образующей и/или затухающей стадиях цикла; измерение продолжительности образующей и затухающей стадий цикла, а также и/или количества импульсов на данных стадиях цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; измерение, по крайней мере, одного из тока короткого замыкания, тока перегрузки, тока утечки, величины отклонения напряжения сети от требуемых значений; определение ширины искрового промежутка, образованного в месте нарушения целостности электрической цепи; измерение и расчет величины тока искрения с учетом влияния шунтирующего тока.
Данное техническое решение устанавливает факт возникновения и развития искрения в разветвленной ЭС, измеряет и рассчитывает уровень его опасности. Однако оно не способно определять в ней место искрения в контролируемой электрической сети.
В условиях достижения искрением верхнего уровня опасности это приводит к необходимости отключения всей разветвленной контролируемой ЭС. Тем самым кроме опасной искрящей цепи происходит отключение нормально функционирующих электрических цепей с работающими потребителями.
Кроме этого названное техническое решение не позволяет добиться высокой достоверности идентификации полученных результатов анализа с процессом искрения из-за воздействия на нее широкого спектра помех в емкой и разветвленной электрической сети.
На устранение указанного недостатка направлено техническое решение [2], которое контролирует, по крайней мере, два потенциально опасных участка разветвленной ЭС, к каждой замкнутой электрической цепи из которых, исключая сопротивление нагрузки, параллельно подключены входы модулей измерения искрения. При нарушении целостности одной из электрических цепей, например, участка 1 соответствующим его модулем измеряется величина напряжения искрения и/или его тока. По заданному номеру или другому условному обозначению этого модуля присваивается условный номер или другое условное обозначение данной искрящей цепи. В исправном состоянии упомянутого участка входы упомянутых модулей являются зашунтированными контролируемой замкнутой электрической цепью, а их условный ее номер или другое условное обозначение остается равным нулю, причем воздействие возможных помех является ослабленным.
К недостатку данного технического решения относится усложнение конструкции кабеля или электрического жгута, при разработке которого требуется введение дополнительного провода, требующего, в свою очередь, контроля его подсоединения к защищаемой цепи, а также ухудшающий весовые, объемные и стоимостные характеристики объекта, использующего данный кабель (жгут). Кроме этого существенно усложняется электромонтажная схема контролируемой электрической сети, в целом, а, значит, понижается надежность функционирования контролируемой ЭС и ее готовность к применению при восстановлении поврежденной электрической цепи.
Целью изобретения является определение адреса контролируемого участка с искрящей электрической цепью, повышающего эффективность эксплуатации контролируемой ЭС и улучшающего ее объемно-массовые характеристики, а также повышающего достоверность результатов измерения и расчетов уровня опасности происшествия.
Реализация цели осуществляется сравнением результатов измерения сигналов-признаков или других параметров каждого цикла «возникновение-гашение искры» практически одновременно на входах контролируемой сети и каждого контролируемого участка. По совпадению результатов измерения ВЧ-сигналов с датчика 6 и датчика 7 только одного участка 8 из всего их множества от 1 до n (фиг. 1) делается вывод о выбранном адресе контролируемого участка с искрящей электрической цепью и, при этом, о соответствии анализируемых высокочастотных сигналов на датчиках 6 и 7 процессу искрения.
Разделение контролируемой ЭС на контролируемые ее участки приводит к увеличению уровня достоверности проводимых измерений и расчетов, а также обеспечивает более высокую надежность функционирования контролируемой ЭС, в целом, и ее готовность к применению при устранении в ней отказов.
Предлагаемый способ предупреждения происшествия от искрения в ЭС осуществляется путем следующей совокупности действий:
- измерение суммарного электрического тока контролируемой ЭС;
- определение сигналов-признаков цикла «возникновение-гашение искры» при прохождении суммарного тока нагрузки через область нулевого значения;
- определение суммарной продолжительности искрения на заданном цикле (периоде времени) его измерения, например, длительностью 4 сек;
- определение параметров тока искрения с учетом ширины искрового промежутка и величины шунтирующего тока в электрической сети;
- расчет показателя опасности тока искрения;
- расчет уровня опасности происшествия;
- определение адреса контролируемого участка с искрящей электрической цепью;
- идентификация входных высокочастотных сигналов процессу искрения путем подавления одинакового вида помех, поступающих от датчика 6 и одновременно с ним не более, чем от одного датчика 7;
- формирование сигнала уровня опасности происшествия и/или команды на отключение контролируемого участка электрической сети;
- отображение адреса контролируемого участка с искрящей цепью и, при необходимости, исправных электрических цепей, входящих в данный участок контролируемой электрической сети;
- отображение команды на отключение контролируемого участка контролируемой электрической сети;
- отображение уровня опасности происшествия;
- при необходимости отображение адреса (адресов) исправной электрической цепи, находящейся в одном отключенном участке из-за максимально опасного уровня искрящей цепи.
Каждый из участков контролируемой ЭС могут содержать одну или более электрических цепей, каждая из которых представляет собой замкнутую потенциально опасную цепь при протекании в ней электрического тока и определяемую качеством соединения в ней проводников и других функционально значимых элементов.
Данная цепь может содержать от двух до десятка и более замкнутых коммутационных элементов (контактов автоматов, выключателей, реле, разъединителей нагрузки и т.п.). При этом роль соединения винтами 28 может быть заменена пайкой, сваркой, скруткой или другим технологическим приемом, также потенциально опасным, с точки зрения, возможности нарушения целостности этого соединения.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами фиг. 1. Блок-схема определения места искрения, где:
1 - внешняя электрическая сеть или автономный источник питания;
2 - контролируемая электрическая сеть;
3 - электрический жгут от входа контролируемой сети;
4 - автомат защиты на входе контролируемой сети;
5 - автоматы защиты на входе контролируемых участков (участка);
6 - вариант датчика восприятия искрения на входе контролируемой сети;
7 - вариант датчика (датчиков) восприятия искрения на входе контролируемого участка (участков) контролируемой сети;
8 - контролируемые участки 1, 2, …i…n (участок 1) контролируемой сети;
9 - провода связи контролируемых участков (участка) с выходом контролируемой сети;
10 - канал связи передачи ВЧ-сигнала от датчика восприятия искрения в блок определения параметров тока искрения и в блок определения адреса (условного номера или другого условного обозначения) контролируемого участка;
11 - блок определения уровня опасности происшествия и адреса поврежденного контролируемого участка;
12 - блок определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью;
13 - блок определения параметров тока искрения на стадиях цикла «возникновение-гашение искры», выполняющий операции измерения суммарного электрического тока контролируемой электрической сети, определения сигналов-признаков возникновения и гашения искрения, определения тока искрения с учетом ширины искрового промежутка и величины шунтирующего тока в электрической сети;
14 - модуль M1 (М2…Mn) измерения и расчета сигнала с датчика 7;
15 - плата модулей измерения ВЧ-сигнала искрения», поступающего с датчика (датчиков) 7 и хранения заданных адресов, входящих в каждый из этих участков;
16 - модуль определения адреса контролируемого участка с искрящей электрической цепью;
17 - модуль отображения адреса контролируемого участка;
18 - модуль отображения уровня опасности искрения;
19 - блок отображения уровня опасности происшествия;
20 - блок формирования уровня опасности искрения;
21 - блок формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС;
22 - блок питания;
и фиг. 2. Фрагмент электромонтажной схемы контролируемого участка контролируемой электрической сети, где:
23 - выключатель (контактор, автомат, дистанционный переключатель или другой элемент коммутации электрического тока);
24 - подвижный контакт выключателя;
25 - неподвижный контакт выключателя;
26 - фрагмент искрения в месте неплотного замыкания пары контактов выключателя В1;
27 - металлическая колодка для соединения проводов;
28 - винт прижимной провода;
29 - нагрузка электрической цепи;
30 - металлическая часть оголенного провода;
31 - защищенная часть провода (оплетка).
С целью более наглядного представления характера функционирования устройства по определению адреса контролируемого участка с искрящей цепью и улучшению его эксплуатационных характеристик ниже представлен порядок действий данного устройства при его практическом применении.
Каждая электрическая цепь контролируемой электрической сети должна иметь заранее присвоенный ей адрес (условный номер или другое условное обозначение) и зафиксирована в соответствующем контролируемом участке. Контролируемый участок также должен иметь заранее присвоенный ему адрес. Все указанные номера хранятся в плате 15 модулей измерения ВЧ-сигнала искрения и хранения заданных адресов электрических цепей ЭС и контролируемых участков.
С точки зрения управления структурно резервируемым объектом в аварийном режиме, например, самолета или ракеты каждая из электрических цепей контролируемого участка до аварийного их отключения, при необходимости, выполняют функции питания соответствующей резервируемой системы в «горячем» или «холодном» режиме.
«Горячий режим» - каналы резервирования одновременно находятся в режиме функционирования, при котором обеспечивается непрерывный режим работы объекта и продолжение его функционирования в случае отключения одного из этих каналов.
«Холодный режим» - функционирование одного основного канала, другие каналы являются резервными. Отключение основного канала приводит к кратковременному нарушению работоспособности системы, в целом, на время включения в работу резервного канала.
В случае отключения контролируемого участка с искрящей цепью и другими его основными или резервными электрическими цепями, обеспечивающими питание соответствующих электрических систем объекта, объект продолжает работу на резервном канале или каналах.
Подобное разбиение контролируемой электрической сети на контролируемые участки, реализующее разделение резервируемых систем, обеспечивает успешный выход объекта из аварийной ситуации. Например, это позволит выполнить весь длительный маршрут полета самолета или осуществить, при необходимости, безаварийную его вынужденную посадку.
При отсутствии искрения.
При отсутствии нарушений целостности электрической цепи при протекании ее тока нагрузки от датчика 6 на входе контролируемой сети, далее через контролируемый участок 8 (номер 1…n или другое условное обозначение) и завершая его на выходе той же контролируемой сети. При этом, если на стадиях цикла «возникновение-гашение искры» нулевые значения высокочастотных составляющих тока нагрузки от датчика 6 в блоке 13 определения параметров тока искрения и от датчиков 7, поступающие последовательно с модулей измерения ВЧ-сигнала искрения всех возможных их адресов платы 15 на модуль 16 совпадут, то на выходе модуля 16 определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью будет иметь нулевое значение, что говорит об отсутствии нарушения целостности какой-либо электрической цепи контролируемой сети.
Если же на одном или на нескольких участках от датчиков 7 одновременно или только на блоке 13 от датчика 6 появится высокочастотная помеха, она не будет воспринята как искрение в любом из контролируемых участков.
Совпадение ВЧ-сигнала на входе разветвленной контролируемой сети с ВЧ-сигналами на входах более, чем одного контролируемого участка, говорит о действии помехи с частотным спектром, достаточно близким к ВЧ-сигналу искрения. Вывод об отсутствии реального искрения обосновывается практически невозможным нарушением целостности электрических цепей одновременно на нескольких контролируемых участках и, тем более, имеющих при этом одинаковые амплитудные и фазочастотные характеристики.
Из этого следует высокий уровень идентификации исследуемых ВЧ-сигналов реальному процессу искрения, что подтверждает высокую достоверность оценки уровня опасности происшествия, как результат изобретения.
При возникновении искрения.
При включенном выключателе 23 имеет место нарушение целостности его электрической цепи, заключающееся в неплотном соединении подвижного контакта 24 с неподвижным контактом 25 (фиг. 2).
Между этими контактами на малом их разрыве (например, до 10 микрон) осуществляется электрический пробой с последующим образованием на данном искровом промежутке ионизированной плазмы, выполняющей роль псевдозамкнутой металлической пары этих контактов (фрагмент 26).
Искрение может быть вызвано также при нарушении некачественного соединения оголенных проводов 30 винтами 28 с металлическими колодками 27 или с нагрузкой 29.
В момент образования искрящей цепи, проходящей последовательно через основной датчик 6 контролируемой сети и дополнительный датчик 7 контролируемого ее какого-либо участка 8, одновременно на входах Блока 13 «определения параметров тока искрения на стадиях цикла «возникновение-гашение искры»» и, например, Модуля 1 Платы 15 «модулей измерения ВЧ-сигнала искрения и хранения заданных адресов» проходят идентичные друг другу ВЧ-сигналы. Подобная идентичность ВЧ-сигналов будет отсутствовать между датчиком 6 и другими датчиками 7 Модулей (2…n).
После определения блоком 13 соответствия ВЧ-сигнала от основного датчика 6 процессу искрения, результат его дальнейшей идентификации передается на вход Модуля 16 «определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью». Для определения этого адреса и повышения достоверности ВЧ-сигнала с основного датчика 6 результат предшествующей оценки в данном модуле сравнивается с результатом измерения сигнала искрения с датчика 7, поступившем с Платы 15 «модулей измерения ВЧ-сигнала искрения и хранения заданных адресов» в Модуль 16 «определения адреса контролируемого участка с искрящей цепью».
При совпадении результатов сравнения в Модуле 16 в условиях отсутствия подобных ВЧ-сигналов с других контролируемых участков разветвленной ЭС сигнал Блока 12 «определения адреса контролируемого участка» передается в Модуль 17 «отображения адреса контролируемого участка» в виде условного номера или другого условного обозначения поврежденного контролируемого участка. При наличии в данном поврежденном участке наряду с искрящей электрической цепью других электрических цепей, при необходимости, в этом же Модуле 17 отображаются все их адреса.
При отключении работоспособных электрических цепей вместе с искрящей цепью, эти адреса отображаются в блоке 19 «отображения уровня опасности происшествия».
Технический результат:
- повышение эффективности эксплуатации объекта путем формирования адреса контролируемого участка с искрящей цепью и, при необходимости, адресов, входящих в него работоспособных электрических цепей;
- повышение надежности функционирования объекта путем разбиения контролируемой его ЭС на контролируемые участки, каждая электрическая цепь которого, при необходимости, может выполнять функции питания объекта в режиме «горячего» или «холодного» резервирования до аварийного отключения данного контролируемого участка, что позволит обеспечить успешное завершение использование объекта по назначению, например, для завершения успешного полета самолета с возникшей неисправностью;
- подавление действующих помех при отсутствии искрения путем идентификации одновременного действия ВЧ-сигналов на входе контролируемой сети и только на одном входе контролируемого участка из всех возможных.
Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что оно содержит в себе операции и устройства, формирующие адрес контролируемого участка с искрящей цепью», а также существенно повышает надежность функционирования систем и эффективность эксплуатации объекта в условиях воздействия искрения. Одновременно эффективно подавляются воздействия помех при отсутствии данного искрения, исключающие формирование опасных ложных команд и донесений. Это расширяет функциональные возможности существующих в настоящее время способов и устройств предупреждения происшествий от искрения при появлении нештатного (несанкционированного) искрения в электрической сети и, в частности, в электроустановке.
В научно-технической литературе не обнаружено технических решений с приведенной выше совокупностью отличительных признаков. Следовательно, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию НОВИЗНА.
При этом цель изобретения достигается всей введенной совокупностью признаков операций, элементов и связей, которая не была известна до даты заявки технического решения, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию СУЩЕСТВЕННЫЕ ОТЛИЧИЯ.
Предлагаемое техническое решение относительно рассмотренных выше способов и устройств практически исключает выдачу ложных донесений и команд и повышает показатель достоверности при контроле сетей постоянного и переменного тока, что приводит к снижению стоимости затрат на реализацию защиты по предупреждению возгораний, взрывов и опасных отказов систем от искрения в ЭС, а также повышает надежность электротехнических систем, в целом.
Внедрение устройств, реализующих предлагаемое техническое решение, позволяет использовать уже серийно изготовленного изделия ИСКРА по техническим решениям [1] и [2] с незначительной их схемной и программной доработкой. В этом случае практически полностью могут использоваться функционирующие в изделии ИСКРА блоки 13, 20, 21 и 22.
Это не требует также перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.
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.
Таким образом, внедрение предлагаемого способа предупреждения пожаров, взрывов и опасных отказов систем при возникновении искрения в ЭС обеспечит эффективную защиту людей, жилых, производственных и др. объектов гражданского, военного и специального назначения 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. Патент России RU 2571513 С2, МПК G08B 17/00(2006.01).
2. Патент России RU 2342711 С2, МПК G08B 17/06.